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邻近既有采空区新建工作巷道稳定性分析

时间:2017-12-22 14:46来源:未知 作者:360期刊网 点击:

  邻近既有采空区新建工作巷道稳定性分析

  邱发亮

  (湖南省湘潭矿业集团有限公司,湖南湘潭411231)

  摘要:名近既有采空区新建巷道的开挖必将对既有采空区的稳定性及其围岩应力状态产生明显影响,确保开挖过程中新建巷道以及既有采空区的稳定性具有重要工程意义。采用ANSYS数值分析软件建立相互影响力学模型,获得了新建巷道开挖引起的应力重分布规律。新建巷道改变了采空区顶板局部范围内的应力分布规律,但并不改变整个采空区围岩的应力分布趋势。通过岩体单元应力安全系数的比较分析,确定新建巷道距离采空区顶板的最小安全距离为18—20m。

  关键词:采矿工程;采空区;新建巷道;稳定性

  中图分类号:U45 文献标识码:A 文章编号:1006-8937(2010)03-0083-03

  Study on the stability of new working tunnel adjacent to the exitedunderground opening

  QIU Fa-liang

  (Hunan Province, Xiangtan Mining Group Co., Ltd.)

  Abstract: It has obviously effect on the stability and the stress state surrounding the original underground opening due toexcavation of an adjacent new working tunnel in vicinity of an existing opening. It is remarkably important to ensure thestability of constructed and constructing underground opening. In this study, we have investigated _the mutual effect of near-by new working tunnel on surrounding rock stability of underground opening. Numerical analyses using ANSYS code havebeen applied to determine the excavating behavior and interactive influence of adjacent openings. It is shown that the exca-vation of new tunnels has a remarkable influence on the stress distribution in local roof zone of constructed undergroundopening, and little effect on the whole opening roof. To ensure stability of openings and new working tunnels, it is recom-mended to arrange them at a distance not closer than 18m t0 20m from the roof boundaries of openings.

  Key words: mining engineering; underground opening; new working tunnel; stability

  1.工程概况

  矿区稳定性是一个非常复杂的系统工程问题,它与各种地质因素及非地质因素有关,前者包括矿山的工程地质条件、水文地质条件、矿区地应力场及岩体的力学特性等,后者则主要与矿山的开采方法及施工技术等因素有关。随着我国采矿工业的发展,浅部矿产资源量逐步减少,矿山开采深度越来越深,近些年来国内一些矿山开采深度已经达到或接近600m,有些矿区已超过该开采深度,而由此产生的矿区稳定性和矿区灾害问题也逐渐凸显出来。

  某矿区自建成投产后一直采用平硐一斜井开拓运输方案,采矿方法为非正规的楼板式房柱法,目前已形成较大的采空区。采空区范围内的矿体,前期由于多家民采开始边探边采,至今已形成长240m,宽50—120m,平均宽60m,高20—60m,平均高30m的地下采空区。采空区面积14800 1:112,采空区与其下方未开采矿体的重迭部分需进行处理的空区面积13000m2,需处理的空区体积为390000m3。目前,已探测到230m标高以下尚有大量的资源储量,按当前正常日均开采能力计算,其开采规模接近20a。但上部采空区未进行处理,是后续矿山生产中的重大安全隐患,对未来生产人员和设备的安全造成严重的威胁。对既有采空区及时采取有效处治措施,进行根治,可以提前将下部开采的安全风险降到最近水平,确保采矿作业人员和设备的安全,杜绝矿难的发生。国内就类似工况已开展了许多工作,为本工程的采空区的处理提供了可借鉴的思路。

  2.采空区处治方案比选

  2.1采空区处治原则

  遵照国家和行业的有关规程、规范和安全生产的方针,采空区处治原则如下:

  ①空区处理工程量小、投资省、见效快;

  ②尽量利用矿山已有平巷、斜井、供水、压气、和通风等设施;

  ③精心设计、精心施工、优化处治方案,使方案安全可靠,施工方便;

  ④在空区处理施工过程中,可以快速采取必要的安全技术措施,保证施工安全。

  2.2 采空区处治方案比较

  既有采空区的特点是采空区的长度和宽度都较企业技术开发大,采空区顶板在长度方向为西高东低,南北向剖面顶板较平,采空区形状较规整。根据上述特点,针对顶板岩体稳定性较好及需要处理的采空区范围大小,对采空区采取以下两种处理方案:①采空区上方开挖条形药室大爆破方案;②在既有采空区顶板上方周围自地表开挖竖井,进而在不同深度钻取扇形水平深孑L实施爆破。为了保证采空区处治过程中的安全,降低作业风险,下面对上述两种方案对比如下:

  方案1,在既有采空区上方距顶板一定距离的位置开挖横断面尺寸为高1.7m、宽1.3m平巷,总开挖量约1600m3。该方案的优点是导硐工程量小,施工较简单,现场施工管理方便,导硐施工周期约4个月,投资小,见效快。其不足之处是需要采取综合技术措施,确保施工中的安全。

  方案2,在采空区上部开挖深度50m、断面长2m、宽1.8m的竖井,同时开凿长2m、宽1.8m的平巷。该方案的优点是操作人员在凿岩硐室内作业,安全可靠。缺点是竖井开挖及钻孑L工程量大,需专用开挖钻爆设备,钻孔困难,且效率较低。施工工期长,约需要7个月,且装药联线工作量大;施工管理复杂,施工技术水平要求高。同时,可比投资比方案1增加约60万元。

  结合对采空区的工程地质调查结果,经过对比两种方案的全面技术经济指标,设计推荐采用方案1对既有采空区进行处理,但必须采取有效技术措施保证顶板新建工作巷道的稳定性。

  3.邻近采空区巷道稳定性分析

  3.1围岩力学参数的合理选择

  根据既有采空区具有体积大、形状不规则等特征,通过开展详细的采空区周边岩体工程地质条件的勘察和调查,利用规范推荐的岩体分级方法,获得采空区围岩的工程地质条件与力学参数,为既有采空区的综合处治提供了基本地质资料。根据现场勘察结果,采空区伪顶和直接顶已经存在局部的垮塌。既有采空区长240m,宽50—120m,高20—60m,但就整个采空区顶板范围内岩体主要为石灰岩和大理岩,不存在大的断层和裂隙带,矿岩节理、裂隙不发育。

  为处理采空区,在其上方距顶板20m左右处开挖断面1.3m×1.7m的导硐和巷道。采空区顶板的稳定性直接影响到这些巷道施工的安全。为简化计算,把采空区的稳定性分析近似为平面应变问题。通过对大尺度采空区岩体工程地质调查与评价,计算模型选用的计算参数。

  3.2.有限元模型与计算方案

  在计算模准则。Drucker-prager准则。D-P准则是对莫尔一库仑准则的近似,其材料模式适用于岩石与土壤等颗粒材料。该准则克服了库仑准则在角点处导数不连续的问题,且较容易与M-C准则结合起来确定力学计算参数。

  选用Plane42四角点平面单元对模型做自由网格划分,有限元网格左右两侧采用X方向位移约束条件,下侧采用Y方向位移约束条件,而上部采用自由边界条件。建立的计算模型和边界条件。

  3.3新建巷道稳定性评价

  给出了邻近采空区后行巷道开挖完成后,围岩水平应力和垂直应力等值线分布图。从整体上看,采空区边界条件的不规则性,导致既有采空区在边角处发生较明显的应力集中现象。顶板一定高度范围内处于显著的拉应力区。新建巷道的开挖并未改变采空区的整体受力特征,新建巷道的影响仅限于巷道开挖引起的二次应力重分布局部范围内,且处在围岩压应力区,新建巷道开挖对既有采空区顶板围岩应力场的影响范围约在5~8m左右。

  根据摩尔一库伦强度准则,建立数值单元应力安全系数,通过当前单元应力与极限应力的比值,可以直观的显示新建巷道对采空区顶板应力分布的影响。后行巷道底板至采空区顶板之间的岩体最大应力分布逐步减小,而相应的单元安全系数先增大后急剧减小,改变了原应力安全系数随深部逐步增大的变化规律,表明新建巷道的开挖对原应力场的扰动影响,扰动范围约在5m左右,综合考虑采空区实际地质情况,确定最小安全距离在18—20m左右。

  4.结语

  结合对采空区的工程地质调查结果,通过对两种不同方案的技术经济指标的综合比选,确定了采用施工安全、效率高、工期短、可比投资低的条形药室大爆破方案,为同类工程提供了类比和参考。

  为了确保选定方案的可行性和安全性,通过理论探讨和数值模拟分析了新建巷道对既有采空区稳定性的影响,通过对应力场和单元应力安全系数分布规律的评价,确定了新建巷道距离采空区顶板的最小安全距离。

  参考文献:

  [1]徐必根,王春来,唐绍辉.大尺度采空区岩体工程地质调查与评价研究[J].矿业研究与开发,2008,28(1): 57-59.

  [2]车晓红,靳晓光,卢义玉,等.西山坪巷道穿煤及采空区围岩变形特性与数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2002,2I(5): 667-670.

  [3]鲍侠杰.丰山铜矿北缘采场稳定性研究[J].矿业研究与开发,2004,24(6): 35-36.

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