Study on Surrounding Rock Control Technique in Roadway Group Crossing Faults
GAO Ming-zhong, HAN Lei, GAO Xin-Ya
(School of Energy and Safety, Anhui Univer.sity of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)
Abstract: For roadway groups at great depth crossing large fault fragmentation whose fall is more than 100 meters, by numerical simulation mechanical characteristics and mutual influence of surrounding rock mass of roadway groups in fault fragmentation were studied and analyzed. Combined with practical situation of surrounding rock in fault fragmentation,the construction technology in fault fragmentation and comprehensive guarantee system were established, which include earlier forecast, small advancement, weak blasting,strong support, tightly closing, frequent measurement and prevention of water inrush. A comprehensive technology which includes advanced geophysical prospecting, advanced reinforcement, slight shock excavation, step-by-step dynamic support and so on was formed, which ensures safety in roadway construction.
Key words:roadway group; fault; numerical simulation; supporting guarantee system
矿井建设中众多的巷道组往往无法避开某些地质不良地段,尤其是通过特大型断层破碎带时,由于围岩破碎,围岩的自稳能力很差,如果不采用有效的围岩控制措施或由于设计及施工方法不合理,极易造成失稳塌方,严重时会出现突水淹井事故。因此需要解决在大落差断层破碎带内施工永久性巷道的防治水、顶板控制和长期维护的技术难题[1-2]。
淮北矿业集团袁店二矿水平大巷组将穿过F高-7断层。该断层落差较大(大于100 m),延伸长度远,大巷组穿断层破碎带的施工难度很大,存在着较大安全隐患。有必要采取综合技术手段,对断层的赋存状况及水文条件开展预报工作,同时进行大巷组穿断层带的安全施工及围岩控制的研究。
1 数值模型的建立
为了掌握巷道组过断层带的围岩应力特征和破坏规律,确保安全高效施工,首先要开展断层带巷道附近巷道围岩应力预测工作。由于断层带岩石材料的分布与性质比较复杂,一般的力学解析计算无法实现,相似材料模拟也非常困难,采用数值计算模型来模拟求解是一合理的方法。本文南粤论文中心(WWW.NYLW.NET)采用二维有限元分析方法分别研究在断层带内和正常地层中巷道围岩的受力与变形情况。
本次模型参照淮北矿业集团袁店二矿一水平井底车场大巷组布置的实际情况,计算模型设计为平面应变模型,设计模型尺寸为165m×100 m(见图1)。模拟软件采用UDEC3.1。模型上边界采用应力边界条件,模型的上表面按采场上覆岩体的自重考虑(500 m)施加均匀的垂直压应力13 MPa;模型的左边界、右边界、底边界采用零位移边界条件,具体约定如下:模型的左右边界为水平位移约束边界,即水平方向的速度矢量和位移均为零;模型的下边界在水平和竖直方向均固定,即模型的下边界为全约束边界;模型上边界为应力边界,计算模型上边界以上的覆岩自重载荷以外载荷的形式作用于上部边界上。
图1 数值计算模型
本次数值模型使用摩尔—库仑塑性模型本构关系,摩尔—库仑塑性模型所涉及的围岩体物理力学参数包括两个方面,即岩块物理力学参数和结构面物理力学参数。本次分别模拟了正常岩体及断层带两种情况下三条大巷围岩应力场的分布,则其物理力学参数分别如下表1~表2所示。
正常岩体中巷道垂直应力的特点是,在巷道帮部具有较大的纵向压力带,局部可达16 MPa以上,而在巷道的顶部和底部各出现了一个波及范围较大的垂直应力削减带,其中顶部可达到垂直压应力的消失,而底部则出现很大范围的0压应力带,甚至可能出现拉应力区。
断层带中垂直应力的分布总体上与正常地层中的一致。在巷道帮部也存在较大的垂直应力集中带,只不过集中程度减轻,集中范围扩大;而在顶部和底部也各存在一个压应力削减带,但波及范围更大一些。从应力等值线来分析,从正常岩体的“橄榄球“状变化为断层破碎带岩体的”柱状”,呈现出破碎围岩松散体的四周来压特征。
正常岩体中巷道水平应力的分布特点是,在巷道帮部具有较大的水平压力降低带,局部可减少50%以上,而在巷道的圆弧顶的斜上方和巷道的墙角处,各有一对水平应力集中带,局部可达10 MPa以上;而在巷道的顶部和底部各出现了一个水平应力削减带,其中顶部和底部则出现很大范围的0压应力带,甚至可能出现拉应力。
与正常岩体相比较,断层带巷道围岩水平应力分布大致相似。但不同的是巷道帮部出现了较大范围的0压力带,影响到了巷道的周边,有可能全体出现拉应力;从水平应力等值线来分析,低应力等值线的波及范围更大,应力削减带的范围更广。
回风巷周围的变形特征如图3所示。
a 正常岩体巷道垂直位移b 断层带岩体巷道垂直位移
c 正常岩体巷道水平位移d 断层带岩体巷道水平位移
图3 回风巷的位移分布
从图3可以看出,在不考虑支护的条件下,断层带巷道的顶板下沉是正常岩体的10倍以上,巷道底鼓是正常岩体的3倍以上;两帮移近量是正常岩体的4倍以上。这反映出在断层带内施工的巷道,围岩变形是非常严重的,在巷道施工与维护的过程中必须引起高度重视。回风巷周围的塑性南粤论文中心(WWW.NYLW.NET)区特征如图4所示。
a 正常岩体巷道塑性区b 断层带岩体巷道塑性区
由图4可以看出, 断层带巷道与正常岩体巷道的围岩塑性区的形状是相似的, 总体上呈现“蝴蝶型”。 对比屈服区的大小, 断层带巷道的围岩塑性区是正常岩体的5~6倍。 超大松动圈的存在,给支护方式的选择造成了不利的影响, 必须深入做好巷道支护设计工作, 并同时合理选择支护结构与参数。
2.2 运输大巷和轨道大巷应力分布特征
运输大巷和轨道大巷的周围的应力分布如图5所示。
a 正常岩体巷道垂直应力分布b 断层带岩体巷道垂直应力分布
c 正常岩体巷道水平应力分布 d 断层带岩体巷道水平应力 (责任编辑：南欧)转贴于南粤论文中心: http://www.nylw.net(南粤论文中心__代写代发论文_毕业论文带写_广州职称论文代发_广州论文网）
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巷道组过断层围岩控制技术研究
来源：南粤论文中心(WWW.NYLW.NET) 作者：高明中 发表于：2010-11-30 16:04 点击：次
【关健词】大巷组;断层;数值模拟;支护保障体系
摘 要:以深井巷道组过特大型断层(落差大于100 m)破碎带为工程背景,采用数值模拟的办法对比分析了正常地层和断层破碎带中巷道组围岩的力学特征以及相互影响;结合断层破碎带围岩的实际情况,建立了“早预测、短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、勤量测、防突水”的断层带施工
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