特厚复合顶板巷道支护技术数值模拟研究.pdf

该【特厚复合顶板巷道支护技术数值模拟研究 】是由【住儿】上传分享，文档一共【4】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【特厚复合顶板巷道支护技术数值模拟研究 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。2021年第5期(总第188期)2021年5月
能源研究
特厚复合顶板巷道支护技术数值模拟研究
范江涛
(山西煤炭运销集团三元石窟煤业有限责任公司,山西长治046000)
摘要:针对特厚复合顶板下巷道支护技术,以A矿工作面为背景,采用有限元软件FLAC3D,对原支护方案和优化支
护方案后复合顶板下巷道的位移、应力和塑性区分布进行分析,验证了优化后方案对于特厚复合顶板支护的合理性。
关键词:复合顶板;支护技术;数值模拟
中图分类号:TD823文献标识码:A文章编号:2095-0802-(2021)05-0013-03
NumericalSimulationofRoadwaySupportTechnologyforExtraThickCompositeRoof
FANJiangtao
(SanyuanShikuCoalIndustryCo.,Ltd.,ShanxiCoalTransportationandSalesGroup,Changzhi046000,Shanxi,China)
Abstract:Aimingatthesupporttechnologyofcoalroadwaywithextrathickcompositeroof,takingtheworkingfaceofACoal
Mineasthebackground,thispaperanalyzedthedisplacement,stressandplasticzonedistributionofthecoalroadwaywithcom-
positeroofintheoriginalsupportschemeandoptimizedsupportschemebyusingthefiniteelementsoftwareFLAC3D,and
verifiedtherationalityoftheoptimizedsupportschemefortheextrathickcompositeroof.
Keywords:compositeroof;supporttechnology;numericalsimulation
特厚复合顶板巷道的主要特征是巷道顶板浅部与FLAC3D是有限差分软件,针对复合层状顶板这种
深部覆岩强度存在差异,且一侧卸荷后各层顶板会出不连续介质解析存在偏差,因此,模拟所得位移数据偏
现较大挠度差从而导致整体的离层破坏引发安全事故。小,但对复杂工况下的塑性区范围、应力变化等仍具指
因此,急需对特厚复合顶板巷道支护技术进行研究,导意义。原支护方案下巷道围岩情况如图3所示。
而国内外学者[1-3]对此课题都进行过深入研究,并取得由图3a)可知,原支护条件下顶板下沉较大且最大
了一定成果:张俊文等[4]结合松动圈原理,确定了厚泥位置发生在巷道中心,;由图3b)
岩为主的复合顶板支护方式;柏建彪等[5]以复合顶板巷和图3c)可知,原支护条件下巷道垂直应力集中于巷道
道两帮为重点,强调“强帮”达到了良好的支护效果。两帮,。
1顶板内垂直应力成拱形分布,水平应力集中于巷道顶底
研究背景板中心,
A矿现开采3号煤层030201工作面,开采过程中
处出现峰值,;对
受到特厚复合顶板的影响,巷道开挖后变形量大、变
比图3d)可知,原支护方案中巷道围岩塑性破坏区宽度
形速率高而且持续时间长,存在不同程度的破坏形式。
几乎包络锚杆全长,约为2m,锚杆的锚固能力和围岩
,,原有支护设计
裂隙的强化作用减弱,未能充分发挥支护能力。由于巷
如图1所示。使用该支护方案时,复合顶板局部破坏
道顶角处受单侧卸荷影响,围岩剪切应力较大,破坏也
时有发生,顶板完整性差,下沉量持续增加,存在锚
从顶角开始。
杆(索)脱锚、托盘变形的情况。
针对原支护方案的不足,按照“强帮强角”原则对
2特厚复合顶板巷道支护技术数值模拟原支护方案进行优化,优化方案如下:增加锚杆(索)
本文借助FLAC3D模拟工作面复合层状顶板巷道长度并选用预应力锚索扩大锚杆(索)预应力影响范
原支护情况,找出原支护条件下巷道复合顶板变形破围,改善巷道围岩;巷道顶角锚杆(索)适当调斜以改
坏的原因,并提出优化支护方案验证其可行性。巷道善顶角处切应力过大、破坏严重的情况。优化后的支护
特厚复合顶板数值模型如图2所示。方案如图4所示。
此次模拟以A矿井下工作面地质条件为背景,选支护方案优化后,巷道围岩情况如图5所示。
取3号煤层上方7层顶板共17m作为模拟对象,4号由图5a)可知,优化支护方案后,巷道中心位置下
煤层及其下方2层底板为模型,,相比原设计方案减小
25%;由图5b)和图5c)可知,优化支护方案后巷道垂
面推进方向×巷道长度方向×重力方向=30m×20m×25m,
物理力学参数如表1所示。直、水平应力集中区域未发生变化,垂直应力峰值为
,;水平应力峰值为
收稿日期:2020-12-,,
作者简介:范江涛,1985年生,男,山西怀仁人,,应力峰值深度均小于原支护方案。
国矿业大学采矿工程专业,工程师。
13··
万方数据
2021年第5期2021年5月
由此可以认为,优化支护方案后,巷道围岩情况得到未包络锚杆全长,锚杆锚固效果良好。针对巷道顶角
改善,使得应力向巷道以浅转移。由图5d)可知,优化处围岩剪切应力较大的情况,适当调斜锚杆锚索后,
支护方案后巷道围岩塑性区深度均减小,极限破坏区有效控制了巷道顶角位置的剪切破坏。
锚索单位:mm
L=6500,Φ=
间排距1400×2100
20°
20°左旋无纵筋螺纹钢锚杆
左旋无纵筋螺纹钢锚杆L=2000,Φ=22
左间排距600×600
L=2000,Φ=221400
左间排距750×750
600600600600600600600
2
°0
0
0°
2
0
1
0
5
7巷
道
0
0
中0
5
2
7心
线3
0
5
7
0
5
7
1
0
°
0
°
0
0
1
1
0
0
45001
;。
图1原有支护方案设计图
有利于缩小巷道两帮破坏范围,围岩的承载能力在加
固顶板和两帮煤层后明显提高。由于底板中部围岩两
角的剪切裂隙在贯通后呈现出张拉鼓形破坏,随着锚
杆(索)的施加,顶板上方围岩将会形成“拱-梁”组
合拱承载模型。
图2巷道特厚复合顶板数值模型图
表1岩石物理力学参数汇总表
平均层体积模剪切模黏聚力/内摩擦
地层岩性泊松比
厚/m量/GPa量/GPaMPa角/(°)



)原支护方案位移云图






由数值模拟结果分析可知,优化支护方案后,在
预应力锚索作用下,复合顶板将形成压缩承载拱结构,
提高顶板浅部组合梁的稳定性而有效控制围岩变形。
顶板下沉量在锚索压缩拱承载作用下减小,两帮的压
力也减轻。巷道围岩竖向应力呈拱状形态,帮部锚杆
b)原支护方案垂直应力云图
14··
万方数据
2021年第5期范江涛:特厚复合顶板巷道支护技术数值模拟研究2021年5月
c)原支护方案水平应力云图1d)原支护方案水平应力云图2
图3原支护方案复合顶板巷道围岩模拟分析图
单位:mm
锚索
L=7400,Φ=
间排距1800×1200
左旋无纵筋螺纹钢锚杆
左旋无纵筋螺纹钢锚杆L=2600,Φ=22
L=2200,Φ=22间排距750×750
帮部间排距750×750750750750750750
2
°0
00°
20450**********
1
0
5巷
7道
0
5中
7心
0
0
0
5线
2
7
3
0
5
17
°
0
0
0
°
1
0
1
0
0
45001
图4优化支护方案设计图
a)优化支护方案位移云图b)优化支护方案垂直应力云图
c)优化支护方案水平应力云图1d)优化支护方案水平应力云图2
图5优化支护方案复合顶板巷道围岩模拟分析图
(下转53页)
15··
万方数据
2021年第5期袁昌旗,等:两段式塑料换热器的设计计算与可行性分析2021年5月
模块,每个模块中***塑料管520根,聚乙烯塑料管480根,
外壁面温度/K
***塑料管排成40排13列,聚乙烯塑料管排成40排12列,
两者中间用连接水室连接。
b)相比常规换热器,两段式换热器需要设定***塑
料管与聚乙烯塑料管交汇处的温度。计算出不同中间
温度对换热器前后两段换热面积与换热器质量的影响,
考虑到换热器的布置与管内水速的影响,温度最终选
定为100℃。
c)为了得到聚乙烯塑料管实际换热时管壁所达到
的最高温度,利用Fluent对聚乙烯管进行模拟计算。模
Y拟结果显示,℃。
ZX在此温度下,聚乙烯塑料管完全可以正常运行,说明
图4聚乙烯管换热温度分布云图两段式塑料换热器具有可行性。
:
[1]***塑料管式换热器烟气余热回收的应用研究[D].

北京:北京建筑大学,2015.
[2]徐祥根,
应用[J].机电信息,2016(13):84-88.

K[3]-***塑料复合热管技术的烟气消白烟技术研
/
度究[D].北京:华北电力大学,2019.
温
[4]
究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2016.

[5]杜天民,张梦琼,宋陶练.***塑料换热器在低温气水换热领域
[J].塑料,2019,48(6):59-61.
[6][D].北京:华

,2017.
位置/mm[7]
图5聚乙烯管最外壁温度分布vacuumconditions[J].Radiationphysicsandchemistry,2004,
71(1-2):523-525.
由图5可知,℃
[8][J].化工设计通讯,2017,
(1℃),聚乙烯塑料管的热变形温度为80℃[11],
=43(4):52.
此时聚乙烯塑料管完全可以正常运行。
[9]徐钢,陈袁,牛晨巍,***塑料换热器优化布置
3结语研究[J].动力工程学报,2017,37(5):394-400.
a)以130t/h的蒸汽锅炉为例,对两段式塑料换热[10]史美中,[M].南京:东南大学出
版社,2018:83-92.
器进行设计计算,采用间壁式换热器,换热器的高度为
[11]陈斌,杨虹,
。在工作过程中,***,
使用的讨论[J].化工设备与管道,2010,47(2):49-52.
。换热器分为5个
(责任编辑:白洁)
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
(上接15页)
3结语参考文献:
通过对比分析原支护方案和优化后支护方案,可[1]
以看出:究[D].西安:西安科技大学,2012.
a)特厚复合顶板巷道在合理的支护条件下,顶角[2]崔树彬,[J].矿山压
力与顶板管理,2000(4):59-61.
处围岩剪切应力较大且首先被破坏,将锚杆(索)适
[3]李东印,邢奇生,
当调斜能有效控制此处剪切破坏。
究[J].河南理工大学学报(自然科学版),2006,25(6):457-460.
b)在预应力锚索支护作用下形成的压缩承载拱,
[4]张俊文,袁瑞甫,
能够提高浅部组合梁的稳定性,并有效控制巷道围岩
研究[J].岩石力学与工程学报,2017(1):152-158.
变形。随着锚杆(索)的增加,顶板上方围岩形成
[5]柏建彪,侯朝炯,杜木民,
“拱梁”组合结构承载模型,对复合顶板巷道的支护
-技术研究[J].岩石力学与工程学报,2001(1):53-56.
作用明显。(责任编辑:白洁)
53··
万方数据