作者简介:孙广义(1957-),男,辽宁辽阳人,博士,研究方向:采矿工程。
深部开采巷道断面优化设计与应用研究
孙广义1
,陈 刚1
,于蒲喜
2
(11黑龙江科技学院,黑龙江哈尔滨 150027;21鸡西矿业集团,黑龙江鸡西 158100)
摘 要:文章从巷道断面形状优化方面着手研究,将直墙拱形断面与封闭拱形断面融合在一起,形成半封闭巷道,这样巷道施工简单,不影响巷道使用效能,最为重要的是能够改善巷道围岩的应力分布状态,减小巷道围岩的破坏范围,提高自身承载能力,有利于巷道的支护与维护。在东海煤矿千米以下巷道掘进得到了成功的应用。理论分析和现场实验都证实了半封闭巷道有着很高的应用价值,值得推广。 关键词:半封闭巷道;底鼓;深部开采;有限元分析 中图分类号:T D26311 文献标识码:B 文章编号:1671-0959(2008)0920057204
The optim i zed desi gn and appli ca ti on research of roadway cross -secti on i n deep m i n i n g
S UN Guang -yi 1
,CHE N Gang 1
,Y U Pu -xi
2
(11Heil ongjiang I nstitute of Science and Technol ogy,Harbin 150027,China;
21J ixiM ining Gr oup,J ixi 158100,China )
Abstract:This paper e mphasizes on the op ti m ized design of the r oad way ′s cr oss -secti on shape .The se m i -cl osed
r oad way has a arch r oof,straight wall,arc bott om corner and flat bott om 1The sem i -cl osed r oad way is si m p le t o build,
and has no influence on the effect of the r oad way ′s usage .
The more i m portant virtue is that the se m i -cl osed r oad way
i m p r oves distributi on of the surr ounding r ock stress,decreases surr ounding r ock ′s breakage range,s o it increases the stability of bearing l oad and is good f or supporting and maintenance .The se m i -cl osed arch r oad way has a successful usage in Donghai deep m ining .The theoretical analysis and the scene experi m ent all confir m that the se m i -cl osed r oad way has very high app licati on value and is worth p r omoting .
Keywords:sem i -cl osed r oad way;fl oor heave;deep m ining;finite ele ment analysis
即Q =
3
2
U I (3cos
θ+sin θ)当θ=4911°时,正确计量无功电能;当θ=15°时,可以正确计量有功电能;当θ=30°时,计量的是视在电能。
分析:三相三线有功电能表与三相三线无功电能表在正常联合接线时,如果电源是逆相序,有功电能表正转,正确计量。这时无功电能表两个元件测量的功率之和为:
Q =U bc I A cos (120°+θ
)+U ac I C cos (180°+θ)即Q =-
3
2
U I (3cos
θ+sin θ) 则无功电能表反转。安装人员以为电流线接错,改动后如图3所示,见有功、无功电能表都正转,就认为接线正确。判断电能接线必须考虑功率输送方向、负载性质和功率因素。不能简单地认为,电能表正转、接线就一定正确。
4 结 语
带电检查电能计量装置接线时,应注意安全。遵守安全工作制度和操作规程。在工作中应特别注意以下两点:①电流互感器二次不允许开路;②电压互感器二次不允许短路。检查完成后如发现电能表接线错误,除应及时纠正错误接线外,利用相量图和接线图进行分析计算,将所计电量的差错做出计算和更正。参考文献:
[1] 邱炳正.交流电能表错误接线百例解析[M ].北京:中国
计量出版社,1991.
(责任编辑 赵巧芝)
深部开采高应力巷道围岩的支护问题,一直被认为是世界煤矿巷道支护的难题之一。以往对深部巷道研究主要集中在围岩应力与支护方式选择上,但一直没能有效地改变巷道变形量大、支护困难的现状。因此,需要转变思路,从巷道断面形状与应力分布关系方面着手进行研究,找到一种能适合深部高应力状态的巷道断面形态。
我国煤矿井下使用的巷道断面形状主要有矩形、梯形、直墙拱形(如三心拱形、半圆拱形、圆弧拱形)以及封闭拱形、椭圆形、圆形等。巷道断面的选择主要考虑巷道围岩的地压大小和方向、巷道选用的支护材料和支护方式、巷道的用途和服务年限、巷道的掘进方式和使用的设备等因素。
巷道底鼓是深部开采的主要特征之一。控制了巷道底鼓,就等于解决了深部巷道的支护问题。为了提高巷道的自稳能力,降低巷道底鼓量,控制围岩变形,必须对现有巷道断面形状进行改革,减少因巷道断面形状引起的围岩变化。经过分析研究采用将直墙拱与全封闭拱结合的一种半封闭断面形态,此断面形态为拱形顶板、直墙、弧形底角(文章中称底弧)、平底。这种巷道断面形态施工简单,不影响巷道使用效能,最为重要的是能够改善巷道围岩的
应力分布状态,减小巷道围岩的破坏范围,提高自身承载能力,有利于巷道的支护与维护。
采用大型有限元软件ANSYS 对设计的半封闭断面巷道的应力、变形情况进行计算,将计算结果与直墙拱巷道计算结果进行分析比较,并应用设计方案对鸡西矿业集团东海煤矿埋深千米的巷道进行施工,将观测数据与直墙拱形巷道观测数据进行对比,分析论证半封闭巷道断面在深部开采中的可行性和实用价值。
1 巷道围岩应力与巷道变形的有限元分析
通过非线性有限元分析计算,将设计断面与直墙拱断面进行比较分析,以论证该设计方案的可行性。
111 模型建立
巷道问题符合平面应变问题,故建立平面模型进行模拟。依据龙煤矿业集团鸡西分公司东海煤矿32#层柱状图与力学参数建立巷道模型,为了消除边界效应,各模型应具有足够大的尺寸,模型宽度取100m,厚度取50m 。半圆拱巷道处于模型中心,巷道宽4m,直墙高119m,半圆拱高
210m 。32#
层力学参数见表1。
表1 32#层力学参数表
岩性参数
厚度/m
弹性模量E /109MPa
泊松比
抗压强度/106MPa
抗剪强度/106MPa
粉砂岩1161418430133782143471978细砂岩
0151518860123667156151935#煤
1154111201314919852113页岩0151103501424
4186301521中砂岩
213
151216
01302
7615
51722
根据实际有关参数和采矿理论,考虑巷道埋深大的特点,模型上边界荷载为上覆岩层重量,27M Pa,下边界为固定支撑边界,左右两侧边界为:
p =
μ
1-μ
γh 式中 p ———两侧载荷,MPa;
μ———泊松比;
γ———岩石容重,kg/m 3; h ———采深,m 。
112 模拟结果
针对以上计算模型通过非线性有限元分析计算分别得到直墙拱巷道和半封闭巷道围岩应力分布情况和底板、底板移动量,具体如图1～图10所示。
113 模拟结果分析
从围岩应力分布状态和顶底板的变形情况等几方面对以上模拟结果进行分析,直墙拱巷道应力集中系数最大处在巷道两个底角,承载能力最弱处是巷道底板。在高应力状态下,巷道底角处首先破坏,引起两帮承载能力降低,顶板变形量加大。在巷道底板处,随着底角破坏程度的增
加,底板跨度不断增大,引起底板严重变形。
图1 直墙拱巷道最大主应力分布图
巷道底角留设底弧以后,巷道围岩应力集中情况较底角为直角形态时有显著变化,由图1、2可以看出,在最大主应力方向中,最大应力集中值减小43%;由图3、4分析比较可以看出,在最小主应力方向,最大应力集中值减小
69%;由图5、6比较可知,剪应力最大集中值减少43%。
此外在顶底板变形量方面也有一定变化,通过对图7与8、
9与10中顶底板移近曲线分析比较可知,在其它条件相同
减少2%,底鼓量减少42%。
可见巷道底角留设底弧以后,底角处应力集中明显减
小,巷道围岩应力分布状态有很大程度的改善,巷道底鼓
量也有很大程度的降低,有利于巷道自身稳定和后期维护。
2 现场实验研究
鸡西矿业集团东海煤矿二水平五采区下山目前最大开
采深度为1050m,该矿从二水平上山阶段(开采深度超过
700m)开始出现巷道支护困难,维修量大等深部开采特征。
随着开采深度的增加,巷道围岩变形更加严重,维修更加困难,严重影响正常生产,属于典型的深部开采。
为了降低巷道维修工程量、减少巷修对生产的干扰,该矿在五采区四段回风下山及轨道下山延伸时采用了半封巷道,巷道宽度410m,高度319m。其中壁高119m,拱高210m。为减少巷道底角的应力集中,在巷道底角处采用弧线形式。巷道顶板采用半圆拱型。
而同期施工的运输下山仍采用直墙拱形巷道,巷道宽度410m,高度319m。其中壁高119m,拱高210m。三条下山采用相同的锚杆、锚索、网、W钢带与喷浆支护,锚杆间、排距018m、1m。在巷道掘进后设观测点对巷道变形量进行观测,其部分观测数据见表2。
同期掘进采用相同支护方案的半封闭巷道围岩变形量较直墙拱形巷道围岩变形量有很大程度的降低。观测期间半封闭巷道顶底板最大移近量为16mm,直墙拱形巷道顶底板最大移近量为23mm,减少30%;半封闭巷道两帮最大移近量14mm,直墙拱形巷道两帮最大移近量30mm,减少53%。该观测结果与模拟研究结论基本一致,证实了半封闭巷道在深部开采中的优越性。
表2 直墙拱巷道及半封闭巷道围岩变形量观测表mm 日期
断面形状
直墙拱巷道
两帮
距离
顶底板
距离
半封闭巷道
两帮
距离
顶底板
距离12月20日3448329033513414
12月23日34483233503414
12月25日3447328633513413
12月27日3445328433503414
12月29日3443328333503414
1月4日3440327533523415
1月5日3439327233503412
1月6日3434327033503413
1月9日3433326933463410
1月14日3431326633453408
1月18日3431327033443405
2月5日3432326833423406
2月10日3430326733423405
2月13日34283233403398
2月16日3425326033353400
3 结 语
深部开采直墙拱巷道底角处应力集中程度最高,而且在施工过程中该处所受扰动最大,因此破坏极为严重。留设弧形底角,不但能够明显降低底角的应力集中程度,而且便于施工,减少由于爆破对底角岩石所产生的冲击破坏,底角的稳定不但减少了两帮的相对移近量,最为重要的是明显降低了巷道底鼓程度,对深部巷道的稳定起到了至关重要的作用,有很高的现场应用价值,值得推广使用。
参考文献:
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