第２７卷第２期 ２０１２年６月 矿业工程研究 Ｍｉｎｅｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｖｏ１．２７ Ｎｏ．２ Ｊｕｎ．２０１２ 基于ＡＮＳＹＳ模拟的煤矿巷道断面优化分析 金珠鹏，孙广义 （黑龙江科技学院资源与环境工程学院，黑龙江哈尔滨１５００２７） 摘要：为了探讨深井巷道底臌合理的控制方法，根据龙煤矿业集团鸡西分公司东海煤矿实际工程现状，对二水平五采区下山 ３２号煤层顶底板进行现场取样和力学参数的实验室测定，并运用ＡＮＳＹＳ进行数值模拟，通过对东海矿深部弧形底角巷道与直墙拱 形巷道的应力分布状况对比．结果表明弧形底角的巷道设计能够改善巷道围岩的应力分布状态，减小巷道围岩破坏范围及两帮与 底板变形量．工程实践表明，东海煤矿底臌问题得到了有效控制，保证了巷道稳定，取得了良好的效果，为解决类似条件的深井巷 道底臌问题提供了新的思路． 关键词：ＡＮＳＹＳ；数值模拟；弧形底脚 中图分类号￣ＴＤ２６３．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—５８７６（２０１２）０２—０００１—０４ 随着煤矿开采规模的扩大导致矿井深度不断增 单轴抗压、抗拉及剪切实验．通过实验得出各岩石力学 参数见表１． 表１皋珐力聿参数 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｒｏｃｋ ｂｏｄｙ 长．与深部开采相关的矿压问题越来越影响着煤矿的 安全高效生产．主要表现在巷道围岩变形量增大，特别 是两帮与底板变形量增大，导致巷道维修量增大且维 护困难，严重影响正常生产｜Ｉ ．采用ＡＮＳＹＳ软件模拟 不同巷道断面形状对围岩应力分布的影响，得出正确 的巷道断面设计方法，从而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．因此正确的巷道 断面优化设计是解决影响深部巷道围岩变形的重要因 素之一［ ． １ 实验室数据的获取 １．１ 试件取样 根据问题研究的需要，为东海煤矿深部巷道围岩 控制数值模拟提供岩石力学参数依据，结合二水平五 采区下山３２号煤层顶底板的分层状况，分别对顶底板 各岩层分层进行现场取样和力学参数的实验室测定． ３２号煤层顶底板主要由炭质粉砂岩和页岩组成，各岩 层比较薄，取样困难，顶板选取了粉砂岩和细砂岩，底 板选取了粉细砂岩及页岩． １．２数值模拟参数转换 １．２．１模拟计算的弹性模量及泊松比 数值模拟中使用的弹性模量（Ｙ）和实验室测试的 弹性模量（ ）之间符合式（１）： ），＝０．４６９ｘ． （１） 数值模拟中使用的泊松比（ｍ）和实验室测试的 泊松比（ｎ）之间几乎符合式（２）： ｍ＝ｎ． （２） 根据实验要求，分别对各分层岩样加工成抗拉、抗 压及抗剪标准试件，而后对各岩层分层试件分别进行 收稿日期：２０１２—０２—１３ 根据以上拟合结果，在实验室所得岩石力学参数 的基础上进行转换，就可得到在数值模拟中使用的弹 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１０７４０６８）；黑龙江省教育厅基金重点资助项目（１１５５１ ｚ０１３） 通信作者：孙广义（１９５７一），男，辽宁辽阳人，博士，教授，研究方向：煤矿深部开采．Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｇｙ８８６６＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ 性模量与泊松比 ． 表３换算后的参数表 Ｔａｂ．３ Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｆｔｅｒ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ １．２．２模拟计算的粘聚力及内摩擦角 数值模拟时所需的粘聚力和内摩擦角，经过转换 后方可应用于ＡＮＳＹＳ软件拟．ＡＮＳＹＳ软件采用了 Ｄ—Ｐ屈服准则，在１『平面上为圆形，在主应力空间的 屈服面为光滑圆锥，表述极其简单且数值计算效率很 高，在实际有限元计算中获得比较广泛的应用．但是这 些大型的有限元分析软件中的Ｄ—Ｐ屈服准则在分析 岩土工程的问题时有时存在比较大的误差，于是出现 了Ｄ—Ｐ系列修正屈服准则 Ｊ，Ｄ—Ｐ系列修正屈服准 ２ 弧形底角巷道与直墙拱形巷道的应 则主要有５种形式，如表２所示． 表２ Ｄ—Ｐ准则 Ｔａｂ．２ Ｔｈｅ Ｄｍｃｋｅｒ—Ｐｒａｇｅｒ ｙｉｅｌｄ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ 编号 准则种类 Ｋ 。Ｐ１ Ｍ—ｃ夕 角点夕｝接圆 ＤＰ２ Ｍ—Ｃ内角点外接圆 。 Ｍ—ｃ内切圆 一～一毒 ～ 。 Ｍ—ｃ等面积圆 丢 ＤＰ５ Ｍ—Ｃ匹配ＤＰ圆坠 ｃｃ０ｓ ＡＮＳＹＳ软件使用的是ＤＰ１准则，不符合本次数值 模拟的平面应变状态，故需要通过相关参数的转换，达 到使用符合平面应变状态的ＤＰ３准则．转换步骤如下： 令 ： ，ｋ ＝ｋ 联立式（３）和式（４），ＤＶ３与 ＤＰ１准则之间的参数换算． 设Ｃ ， 为岩土实际的参数，若用ＤＰ３准则进行 计算，其Ｏｔ，ｋ表示为 ｓｉｎｑ￣１ Ｏｔ．。 ＝＝—— ￣／（３＋ｓｉｎ。 １） （３） ： ！ ！ ！ ￣／（３＋ｓｉｎ １） 而ＤＰ１准则的 ，ｋ表示为 Ｚｓｍ ２ ‘ （３一ｓｉｎｑ￣２） Ｏｃ２ｃｏｓ ２ （４） １ （３一ｓｉｎｑ￣２） 令Ｏｔ。＝Ｏｔ ，ｋ ＝ｋ ，联立２个等式，即可求解得 到Ｃ ，Ｃ ， ：，此时Ｃ ，Ｃ：， 采用ＤＰ１准则计算与用 Ｃ ，Ｃ ， 采用ＤＰ３准则计算是等价的，这样，在 ＡＮＳＹＳ采用ＤＰ１屈服准则的有限元软件中，在ＤＰ１中 用Ｃ ，Ｃ ， 便实现了ＤＰ３准则（计算参数为Ｃ ，Ｃ ， 。）的有限元计算．换算出模拟中使用的岩石力学参 数如表３所列． ２ 力分布模拟对比 ２．１ 模型尺寸及边界条件的确定 模拟东海煤矿二水平五采区下山巷道围岩的应 力、应变．为了消除边界效应，各模型具有足够大的尺 寸，巷道处于模型中心，根据实际经验，考虑巷道埋深 大的特点，上边界施加上覆岩层自重，下边界施加竖直 方向的位移约束，左右边界施加水平荷载 Ｊ． 综合考虑泊松比与构造应力的影响，巷道的应力 状态取水平应力与垂直应力相等的静水压力状态． ＝ｒＨ＝２５ ＭＰａ； （５） ｈ＝ ＝ｒＨ． （６） 式中，ｒ：上覆岩石平均容重，ｋＮ／ｒｎ３；Ｈ：埋深（ｍ）；ｏ－ ：巷 道围岩垂直压力（ＭＰａ）； ：巷道围岩水平压力（ＭＰａ）． 模型宽度取３０ ｍ，厚度取２６ ｍ．按照表４中３２号 煤层顶底板柱状图，构建数值模拟的几何模型，数值模 拟中使用的各岩层力学参数见表３． 表４ ３２号煤层顶底板柱状图 Ｔａｂ．４ Ｃｏｌｕｍｎ ｍａｐ ｏｆ ３２ ｒｏｏｆ ａｎｄ ｆｌｏｏｒ 几何模型中从上往下分别为粉细砂岩（Ａ。），岩层 总厚７．９２ ｍ；粉砂岩（Ａ：），岩层厚０．７８ ｍ；炭质粉砂 ２．３模拟结果分析 １）各项应力水平对比．从图２中可以看出直角拱 参考文献： ［１］Ｄｉｅｔｉｎｇ Ｄ Ｈ．Ｕｌｔｒａ ｄｅｅｐ ｌｅｖｅｌ ｍｉｎｉｎｇ：ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｑｕｉｅｍｅｎｔｒｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｏｕｔｈ Ａｆｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，１９９７，９７（６）： ２４９—２５５． 形巷道竖直方向应力集中分布区域明显大于弧形底角 巷道，直角拱形巷道水平方向最大应力明显大于弧形 底角巷道，直角拱形巷道Ｍｉｓｅｓ等效应力集中明显大 于弧形底角巷道，弧形底角巷道更利于围岩的稳定． ２）底角的应力分布状态对比．从图２中可以看出 ［２］孙广义，陈刚．东海煤矿深部巷道支护技术［Ｊ］黑龙江科技学院学 报，２０１０，１２（１）：２８—３Ｏ． ＳＵＮ Ｇｕａｎｇｙｉ，ＣＨＥＮ Ｇａｎｇ．Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｓｅａ ｃｏａｌ ｄｅｅｐ ｍｉｎｅ ｒｏａｄｗａｙ 直角拱形巷道底角各项应力水平和应力集中的范围均 大于弧形底角巷道．弧形底角巷道的底角以弧形代替 直角，在底板应力集中的范围明显小于直角拱形巷道， 故弧形底角巷道这种巷道断面形式能够改善巷道围岩 的应力分布状态，减小巷道围岩的破坏范围． ３）两帮的应力分布状态对比．直角拱形巷道在其 ｓｕｐｐｏｒｔ［Ｊ］．Ｔｈｅ Ｐａｐｅｒ ｏｆ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉｎｇ Ｉｎｓｔａｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１０，１２（１）：２８—３０． ［３］刘文岗，赵毅鑫．深部巷道锚杆支护围岩稳定性研究［Ｊ］．煤炭科学 技术，２００４，２１（４）：２５—２７． ＬＩＵ Ｗｅｎｇａｎｇ，ＺＨＡＯ Ｙｉｘｉｎ．Ｄｅｅｐ ｔｕｎｎｅｌ ｂｏｌｔｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］．Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４，２１ （４）：２５—２７． 两帮的水平应力比弧形底角高，此种巷道断面形式容 易造成严重的片帮情况，弧形底角巷道在其两帮的水 平应力明显小于直角拱形巷道，此种断面形式有利于 巷道两帮的稳定性控制． ［４］康红普．煤矿深部巷道锚杆支护理论与技术研究新进［Ｊ］．煤矿支 护，２００７（２）：２—４． ＫＡＮＧ Ｈｏｎｇｐｕ．Ｍｉｎｅ ｄｅｅｐ ｒｏａｄｗａｙ ｂｏｌｔ ｓｕｐｐｏｒｔ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｎｅｗ［Ｊ］．Ｍｉｎｅ Ｓｕｐｐｏｒｔ，２００７（２）：２—４． ［５］孙广义，陈刚．深部巷道断面优化研究【Ｊ］．煤炭工程，２００８（９）：５７—６０． ＳＵＮ Ｇｕａｎｇｙｉ，ＣＨＥＮ Ｇａｎｇ．Ｄｅｅｐ ｒｏａｄｗａｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｏａｌ， ２００８（９）：５７—６０． ３ 结论 １）去除直角拱形巷道中引起应力集中的２个直 角底角，以２段弧形代替，有效减小了巷道底板应力集 中的范围和强度，有利于控制巷道的稳定性及底鼓． ［６］何满潮，谢和平，彭苏萍．深部开采岩体力学研究［Ｊ］．岩石力学与 工程学报，２００５，２４（１６）：２８０３—２８１３． ＨＥ Ｍａｎｅｈａｏ，ＸＩＥ Ｈｅｐｉｎｇ，ＰＥＮＧ Ｓｕｐｉｎｇ．Ｄｅｅｐ ｍｉｎｉｎｇ ｒｏｃｋ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ［Ｊ］．２００５，２４（１６）：２８０３—２８１３． ［７］吕先进．巷道底板注浆效果分析［Ｊ］．煤，２００９，１８（１１）：４０—４１． ＬＶＸｉａｎｊｉｎ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｇｒｏｕｔｉｎｇｉｎ ｒｏａｄｗａｙｆｌｏｏｒ［Ｊ］．Ｃｏａｌ， ２００９。１８（１１）：４０—４１， ２）弧形底角巷道不利于人行道及水沟的布置，需 进一步优化设计． Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｒｏａｄｗａｙ ｓｅｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＪＩＮ Ｚｈｕｐｅｎｇ，ＳＵＮ Ｇｕａｎｇｙｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉｎｇ Ｉｎｓｔａｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５００２７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｆｌｏｏｒ ｈｅａｖｅ ｉｎ ｄｅｅｐ ｒｏａｄｗａｙ．ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｏｎｇｈａｉ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｉｎ Ｌｏｎｇ Ｃｏａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｇｒｏｕｐ，Ｊｉｘｉ Ｂｒａｎｃｈ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｅｔｓ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｆｒｏｍ ３２＃ｃｏａｌ ｓｅａｍ’Ｓ ｒｏｏｆ ａｎｄ ｆｌｏｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｌｅｖｅｌ Ｎｏ．５ Ｍｉｎｉｎｇ Ａｒｅａ ｗｉｔｈ ｄｏｗｎｗａｒｄ ｍｉｎｉｎｇ，ｔｈｅｎ ｉｔ ｔｅｓｔｓ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，ａｎｄ ｉｔ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ ｆｏｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｅｐ ｃｕｒｖｅｄ ｂｏｔｔｏｍ ｆｅｅｔ ａｎｄ ｓｔｒａｉｇｈｔ ｗａｌｌ ａｒｃｈ ｒｏａｄｗａｙ ｉｎ Ｄｏｎｇｈａｉ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅｄ ｂｏｔｔｏｍ ｆｅｅｔ ｄｅｓｉｇｎ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ’Ｓ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ’ Ｓ ｄａｍａｇｅ ｒａｎｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｉｄｅｓ ａｎｄ ｆｌｏｏｒ’Ｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｌｏｏｒ ｈｅａｖｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ Ｄｏｎｇｈａｉ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ，ｉｔ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｇｏｏｄ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｇｕａｒａｎｔｅｅｓ ｔｈｅ ｒｏａｄｗａｙｓ’ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄ ，ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｎｅｗ ｗａｙ ｔｏ ｄｅａｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｌｆｏｏｒ ｈｅａｖｅ ｉｎ ｄｅｅｐ ｒｏａｄｗａｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡＮＳＹＳ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃｕｒｖｅｄ ｂｏｔｔｏｍ ｆｅｅｔ ４
