大跨度复合顶板开切眼变形特征及控制技术_刘治成.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 大跨度复合顶板开切眼变形特征及控制技术 刘治成 1， 朱 磊 1， 刘永强2 （1.中煤能源研究院有限责任公司， 陕西 西安 710054； 2.中天合创能源有限责任公司， 内蒙古 鄂尔多斯 017399） 摘要 为了解决大跨度开切眼复合顶板破坏迅速、 持续时间长、 变形剧烈等控制难题， 通过现 场实测得到复合顶板结构特征，并利用 FLAC3D软件统计分析了不同迭代次数下开切眼顶底板 及帮部的位移变化情况和塑性区发育特点， 揭示出单一顶板与复合顶板条件下开切眼围岩变形 和塑性区发育的规律和变形特征； 同时， 基于 Goodman 弹性夹层理论建立了复合顶板弹性夹层 组合梁力学模型， 得到了复合顶板极限跨距的计算公式； 最后， 对 “锚杆锚索单体支柱” 联合支 护参数进行了优化。现场实践结果表明 在掌握大跨度复合顶板结构特点和破坏特征的基础上， 以 “强力锚杆锚索单体支柱” 为核心的支护方案中， 开切眼顶板 0～4.0 m 的岩层离层平均值为 108 mm， 支护方案有效的控制了大跨度复合顶板开切眼围岩变形。 关键词 复合顶板； 开切眼； 顶板变形特征； 顶板控制； 数值模拟 中图分类号 TD327.2文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 11-0083-06 Deation Characteristics and Control Technology of Large Span Composite Roof Open-off Cut LIU Zhicheng1, ZHU Lei1, LIU Yongqiang2 （1.China Coal Energy Research Institute, Co., Ltd., Xi’ an 710054, China;2.Zhongtian Hechuang Energy Corporation Limited, Ordos 017399, China） Abstract In order to solve the control problems of open-off cut composite roof, such as rapid damage, long duration and severe deation, the structural characteristics of composite roof are obtained through field measurement, and the displacement changes and plastic zone development characteristics of open-off cut floor and side under different iterations are statistically analyzed by FLAC3Dsoftware, which reveals that the law of development and deation characteristics of the plastic and plastic zone of the surrounding rock changes under the condition of single roof and composite roof. At the same time, based on Goodman’s elastic sandwich theory, the mechanical model of composite roof elastic sandwich composite beam is established, and the calculation for－ mula of the limit span of composite roof is obtained. Finally, the parameters of “bolt cable single pillar”combined support are optimized. The field practice results show that, on the basis of mastering the structural characteristics and failure characteristics of the large-span composite roof, in the support scheme with “strong anchor cable single pillar”as the core, the average value of 0-4.0 m rock separation layer is 108 mm, and the support scheme effectively controls the deation of the surrounding rock in the opening of the large-span composite roof. Key words composite roof; open-off cut; deation characteristics of roof; roof control; numerical simulation 复合顶板是指煤矿巷硐上方存在的厚度小、 强 度低且节理发育的由软弱煤岩层交互构成的顶板， 复合顶板岩层之间黏聚力较弱甚至无黏聚力[1-3]。近 年来随着综合机械化固体充填采煤等绿色采煤方法 的兴起，越来越多的煤矿选择用矸石填充处理采空 区，与传统综采或综放采煤支架相比，充填采煤液 压支架增加了掩护充填机构后尾梁从而使整架长度 增加， 支架长度可达 8.5 m 以上， 由此在进行充填液 压支架安装的时候就需要大跨度的开切眼[4-5]。大跨 度复合顶板下的开切眼围岩控制成为了硐巷支护的 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.017 刘治成， 朱磊， 刘永强.大跨度复合顶板开切眼变形特征及控制技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 83-88， 93. LIU Zhicheng, ZHU Lei, LIU Yongqiang. Deation Characteristics and Control Technology of Large Span Composite Roof Open-off Cut ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 83-88, 93.移动扫码阅读 83 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 1 个难题。 针对煤矿巷硐复合顶板破坏特征和控制的研 究，国内外科研工作者展开了一系列的研究。在复 合顶板破坏特征方面， 谢永存等[6]采用理论分析的 方法得出了受二次扰动后的大断面硐室围岩劣性破 坏特点； 杨朋等[7]通过三轴加载试验平台， 得到了不 同掘巷方式下复合顶板变形特征和开切眼在不同阶 段复合顶板的裂隙动态演化特征； 岳中文等[8]通过 物理模拟相似试验，得出来复合顶板矩形巷道顶 板、 两帮及矩形四角的破坏形式； 阚甲广等[9]采用综 合方法分析，研究了多次成巷方式对巷道围岩稳定 性的影响； 孟庆彬等[10]通过数值模拟研究了 4 种支 护形式下煤巷围岩位移与塑性区损伤扩展的演化规 率。在复合顶板巷硐围岩控制方面， 文献[11-14]认 为锚网索与梁网组合支护、桁架锚索联合支护以及 锚喷（锚索） 单体支架注浆组合支护等支护形式 可以改善大断面巷道围岩稳定性。在这些研究中， 对复合顶板大跨度开切眼支护时采取了加大支护密 度和强度，从实际应用效果来看，高密度的支护不 仅浪费了支护材料，还破坏了围岩本身的自稳性。 产生这些问题的原因是未认识到复合顶板本身结构 特征和变形特征，复合顶板开切眼的控制问题还需 进一步的探讨研究。为此基于葫芦素煤矿 CT21201 工作面开切眼具体地质条件，采用现场实测、模拟 对比分析、力学建模分析等研究方法，研究了大跨 度复合顶板开切眼变形特征及控制问题。 1开切眼概况 葫芦素煤矿 CT21201 工作面是位于该矿 2-1 煤首个充填工作面， 工作面面长 80 m， 煤层平均厚 度 3.4 m，煤层直接顶板为深灰色砂质泥岩和细粒 砂岩，厚度为 3.0～4.0 m。直接顶内存在 1～2 层 0.03～0.10 m 的煤线，基本顶为 7.25 m 的砂质泥岩 与薄层细砂岩互层， 开切眼复合顶板结构如图 1。 为 了满足安装充填液压支架的需要， CT21201 工作面 开切眼断面设计尺寸为宽高10 000 mm3 400 mm， 由于该开切眼所在煤层埋深达 610 m， 地应力较 大，根据同采区其他工作面开切眼现场情况，开切 眼开凿后顶板难以控制， 为此以此工程为例， 对大跨 度开切眼复合顶板破坏特征与控制技术进行研究。 2开切眼复合顶板破坏特征 2.1开切眼复合顶板围岩裂隙演化实测分析 为了观测大断面开切眼复合顶板结构，在开切 眼贯通后沿煤层倾向每隔 15 m 设置 1 监测点， 采 用钻孔窥视仪对钻孔进行观测，开切眼复合顶板破 坏情况如图 2。 由图 2 可看出，开切眼复合顶板厚度和岩性变 化不一， 但变化基本连续， 靠近开切眼表面处 0～4.0 m 顶板破碎、裂隙发育，并伴有 1～2 层薄厚不一的 煤线。4.0～6.0 m 处岩层有离层现象， 复合岩层顶板 中离层一般出现在具有不同刚度的岩层界面上， 离 层区以上以轻微裂隙发育为主。 2.2不同顶板条件下开切眼围岩变形特征 为了探究充填工作面开切眼复合顶板破坏特 征，建立了单一顶板和复合顶板条件下的 2 种模拟 方案进行对比研究。 方案 1 CT21201 工作面开切眼上方的顶板由单 一岩层厚度为 4 m 的砂质泥岩组成。 方案 2 CT21201 工作面上方的 4 m 复合顶板 由岩层依次为砂质泥岩、 煤线及细粒砂岩等组成， 每 层建模厚度与实际厚度相同。 2.2.1单一顶板开切眼围岩变形特征 自开切眼开挖，对整个过程中单一顶板开切眼 图 1开切眼复合顶板结构示意图 Fig.1Structural diagram of compound roof with open-off cut 图 2开切眼复合顶板破坏情况 Fig.2Damage of compound roof of open-off cut 84 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 3单一顶板下开切眼围岩变形和塑性区发育曲线 Fig.3Deation of surrounding rock and development curves of plastic zone under single roof 表 1不同顶板开切眼围岩变形对比表 Table 1Comparison of surrounding rock deation of different roof open-off cuts 顶板 形式 围岩塑性区 发育过程 围岩塑性区 最终发育形态 单一 复合 0.44 0.58 0.62 0.78 缓慢-快速-趋稳 快速-趋稳 “蝶” 状 “w” 状 围岩变形量/m 顶板煤帮 围岩变形量和围岩塑性区发育最大值进行了监测， 将监测数据进行处理，得到的不同迭代时步单一顶 板下开切眼围岩变形量和围岩塑性区发育最大值发 育曲线图如图 3。 由图 3 可知，单一顶板大跨度开切眼围岩塑性 区发育有以下特点①开切眼掘进后，围岩变形和 塑性区发展比较平缓，随着迭代步数的增大，岩层 自承能力遭到破坏，塑性区迅速发展，开切眼顶板 塑性区发展经历了缓慢、 快速、 趋稳 3 个阶段， 塑性 区发育的最大值为 5.60 m， 两帮塑性区发育的最大 值为 6.20 m，底板塑性区发育的最大值为 4.80 m； ②开切眼围岩变形量以顶板下沉为主，最大值为 0.44 m， 两帮的最大移进量为 0.62 m， 开切眼底板底 鼓量为 0.24 m。 2.2.2复合顶板开切眼围岩变形特征 为了对比研究复合顶板下开切眼围岩变形破坏 规律，将数值模拟结果进行总结，得到的不同迭代 时步复合顶下开切眼围岩变形量和围岩塑性区发育 最大值发育曲线图如图 4。 由图 4 可知，复合顶板大跨度开切眼围岩塑性 区发育有以下特点①复合顶板开切眼围岩塑性区 的发展经历了快速、 趋稳 2 个阶段， 开切眼掘进以后 起始阶段由于复合顶板内含有软弱夹层且岩层本身 强度低，开切眼破坏迅速从浅部向深部转移，围岩 变形值大，随着迭代步数的增大，当顶板塑性区发 育到 4.0 m 以后， 塑性区发育的速度减缓， 复合顶板 塑性区发育的最大值为 7.20 m， 两帮塑性区发育的 最大值为 6.20 m， 底板塑性区发育的最大值为 2.80 m； ②复合顶板开切眼围岩变形量以顶板下沉为主， 最大值为 0.58 m，两帮的最大移进量为 0.78 m， 开 切眼底板底鼓量为 0.31 m。 2.2.3不同顶板开切眼围岩变形特征对比分析 通过以上数值模拟结果，得到的充填工作面复 合顶板大跨度开切眼和单一顶板开切眼围岩变形特 征对比见表 1。 综上将复合顶板开切眼围岩变形破坏特征总结 如下。 1） 复合开切眼顶底板移近量大且变形发展迅速。 由于复合顶板开切眼顶板内节理和裂隙发育、且含 有强度较低的煤线， 导致顶帮围岩出现大变形。 2） 复合顶板开切眼围岩变形具有时间效应。变 图 4复合顶板下开切眼围岩变形和塑性区发育曲线 Fig.4Deation of surrounding rock and development curves of plastic zone under the compound roof 85 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 5复合顶板弹性夹层组合梁力学模型 Fig.5Mechanical model of composite roof elastic sandwich composite beam 形趋向稳定后仍以较大速度产生流变，持续的时间 较长。 3大跨度开切眼复合顶板变形特征力学分析 3.1力学模型建立和顶板变形分析 对于复合顶板的力学分析， 专家学者按照不同的 岩层结构和构造建立了多种模型进行求解， 如弯曲薄 板模型、 固支岩板、 固支岩梁和多块体岩梁等[15-18]， 这些力学模型的运用很好的促进了对煤矿巷道顶板 变形研究， 但对于复合顶板适用性并不好。 在第 2 部分对 CT21201 工作面开切眼复合顶板 的研究中， 发现复合顶板的变形主要集中在 2 层厚度 分别为 2.24 m 和 1.43 m 的砂质泥岩组成，因此可 以将复合顶板岩层与岩层间接触面模拟成 Goodman 非线性弹性夹层组合梁[19-21]进行分析。利用最小势 能原理导出组合梁的挠度和滑移控制微分方程， 求解 得到考虑界面滑移的均布荷载作用下的组合梁挠度 的解析表达式。复合顶板力学模型如图 5。 如图 5， 复合顶板组合梁由 C1梁和 C2梁组合而 成， 在竖向均布荷载 q 的作用下， 取组合梁中任意微 单元进行受力分析。微单元体中组合梁 C1梁和 C2 梁所受轴力、 剪力、 弯矩、 层间滑移力以及层间掀起 力分别表示为 Ni、 Vi、 Mi、 vj和 pj，轴力、剪力以及弯 矩的增量分别表示为 dNi、 dVi和 dMi。组合梁沿坐标 轴 x 和 y 方向的位移分别表示为 u 和 v。组合梁微 单元内力分布如图 6。 根据 Goodman 弹性夹层理论 3 个重要假设可 知， 在均布载荷 q 的作用下组合梁轴力平衡方程为 E1A1ε1（x， y） E2A2ε2（x， y） 0 △u （x） ε2（x， y） -ε1（x， y ｛ ） （1） 式中 E1、 E2为组合梁 C1和 C2的弹性模量， MPa； A1、 A2为各岩层的横截面积， m2； ε1（x， y ） 、 ε2（x， y） 分别为组合梁各岩层的滑移应变； △u （x） 为组合 梁层间相对滑移应变。 组合梁的总势能 Π 为 ΠUUhUz（2 ） 其中 U 1 2 v1 ∭E1ε1 2 dV 1 2 v2 ∭E2ε2 2 dV Uh 1 2 L 0 ∫k△u 2 （x） dx Uz L 0 ∫M （x） ω″d ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ x （3） 式中U为组合梁的应变能， N m；Uh为相对滑 移势能， N m；Uz为组合梁的载荷势能， N m； ε1、 ε2 分别为 C1梁和 C2梁的应变； V1、 V2分别为 C1梁和 C2梁所受剪力， N； k 为组合梁等效平均滑移刚度， N/m； M （x） 为弯矩方程； ω （x） 为挠度方程。 由结构力学可知 M （x） - 1 2 qx 2 - 1 2 qLx 1 2 qL 2 （）（4） 边界条件 △u （x） x00 △u （x） xL ｛ 0 （5 ） 将式 （3） 和式 （4） 代入式 （1 ） 得在均布荷载作用 下考虑界面滑移效应时复合顶板挠度方程 ω （x） 为 ω （x） qL 386EI 1-6 x 2 L 2 16 x 4 L 4（） （6） 式中 q 为均布载荷， kN/m2； I 为组合梁惯性矩， mm4； L 为组合梁的长度， m； E 为组合梁的弹性模 量， MPa。 3.2开切眼复合顶板稳定性分析 根据材料力学相关知识，要使复合顶板组合梁 图 6组合梁微单元内力分布 Fig.6Internal force distribution of composite beam micro- element 86 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 7复合顶板沿开切眼宽度方向弯矩变化 Fig.7Bending moment change of composite roof along the width direction of open-off 不发生破断垮落，则复合顶板组合梁产生的最大应 力当满足 σmax ≤ σ t ［ ］ （7） 式中 σmax为开切眼顶板内产生的最大应力， kN；σt［ ］为开切眼复合顶板不发生破断垮落的允用 应力， kN。 开切眼复合顶板弯矩方程 M （x） 和其剪力方程 Q （x） 为 M （x） -EI dw 2 x 2 Q （x） -EI dw 3 x 3 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ （8） 组合梁内最大应力 σmax（x） 6M （x） max h 2 （9） 式中 h 为岩层的厚度， m； M （x） max为组合梁破 坏前的最大弯矩值， kN m。 则开切眼处顶板不发生破断垮落的条件为 M （x） max＜ 1 6 σt［ ］h 2 （10 ） 3.3开切眼复合顶板破坏特征案例分析 根据葫芦素煤矿 CT21201 工作面采矿地质条件 及实验室测得的相关数据，原始地应力 q021.25 MPa， 顶板的许用拉应力 σt［ ］19.80 MPa， 复合顶板 上部的砂质泥岩厚度 h12.24 m， 下部的砂质泥岩厚 度 h21.43 m， 顶板的弹性模量 E18 GPa、 E28 GPa。 将上述参数代入复合顶板挠度曲线方程式 （6） 可以得到复合顶板下沉曲线， 代入式 （8）和式 （10） 得到的复合顶板沿开切眼宽度方向的弯矩变化如图 7。由应力值为 σt［ ］19.8 MPa， 代入式 （8） 知 ［Mt］ 37.12 MN/m， 由图 7 可知， 无支护状态下， 当开切眼 悬顶 1.90 m 时，组合梁弯矩已达到最大弯矩值， 可 知复合顶板发生失稳断裂，因此需按照组合梁弯矩 破坏特点对开切眼进行及时支护。 4大跨度复合顶板开切眼支护设计及效果 为了确定复合顶板大跨度开切眼最佳支护方 案， 改变不同的锚杆、 锚索间距， 设计 2 组方案对开 切眼围岩变形量进行模拟。 开切眼支护形式如图 8。 以开切眼顶底板移进量和两帮移进量为主要指 标进行分析，确定开切眼支护参数。不同锚杆间距 下开切眼围岩变形量表 2 和不同锚索排距开切眼围 岩变形量见表 3。 从表 2 数据可以看出，锚索间距为 1.60 m 时， 随着锚杆间距增大，顶底板移进量及两帮最大移进 量均是呈增加趋势的。 但当锚杆间距从 0.70 m 增加 到 0.80 m 时， 顶底板最大移进量及两帮最大移进量 增加量为 0.10 m 和 0.02 m；当锚杆间距从 0.80 m 图 8开切眼断面支护形式 Fig.8Support of open cut section 表 2不同锚杆间距下开切眼围岩变形量 Table 2Deation of surrounding rock of cut hole with different bolt spacings 锚索间距/m 锚杆间距/m 顶底板最大移进量/m 两帮最大移进量/m 1.60 0.70 0.80 0.90 0.54 0.56 0.73 0.66 0.71 0.85 表 3不同锚索排距开切眼围岩变形量 Table 3Deation of surrounding rock of open cut with different anchor cable spacings 锚杆间距/m 锚索排距/m 顶底板最大移进量/m 两帮最大移进量/m 0.80 1.40 1.50 1.60 0.56 0.62 0.65 0.71 0.82 0.90 87 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 增加到 0.90 m 时， 顶底板最大移进量及两帮最大移 进量增加量为 0.10 m 和 0.23 m，增加速度明显增 大。 从表 3 可以看出， 当锚杆间距 0.80 m 时， 随着锚 索间距增大，有着相似的变化规律。因此根据上述 模拟结果，从安全性、经济性和施工难度方面来衡 量， 最终确定锚杆间距 0.80 m， 锚索间距 1.60 m。 为了验证充填工作面复合顶板开切眼支护效 果，通过测试开切眼围岩表面变形和复合顶板离层 情况，可以比较全面地了解开切眼稳定性和支护系 统的工作状态，进而验证对大跨度复合顶板开切眼 的支护设计。为此， 在 80 m 长的开切眼中每隔一段 距离设置相应的测站，对开切眼顶板下沉和两帮移 进量和复合顶板离层进行观测。 选取 2、 10和 183 个测站，开切眼复合顶板 离层结果曲线如图 9。可以看出， 深、 浅基点位移变 化趋势大致与开切眼顶板下沉曲线相同。在 0～12 d 内顶板离层发展迅速， 12～24 d 变形速度减缓， 最终 基本在 24 d 后保持稳定。 复合顶板 3～7.8 m 岩层离 层最大值为 225 mm， 复合顶板 0～4.0 m 的岩层离层 最大值为 152 mm， 开切眼两端的顶板离层值大于开 切眼中部的顶板离层值。实践表明，在掌握复合顶 板开切眼围岩破坏特征的基础上，通过优化支护参 数，“强力锚杆锚索单体支柱”的支护方案控制了 复合顶板大跨度开切眼围岩变形。 5结论 1） 根据现场实测和不同顶板条件下开切眼围岩 破坏的数值模拟对比分析结果可知，复合顶板开切 眼围岩顶板发生拉、 剪等多种形式的破坏， 两帮煤体 以剪切破坏为主，复合顶板开切眼上部围岩塑性区 最终呈 “W” 状进行发展且围岩变形速度快变形大。 2） 基于 Goodman 弹性夹层理论建立了大跨度 开切眼的复合顶板弹性夹层组合梁力学模型，求解 了复合顶板的挠度方程，依据最大应力理论对大断 面复合顶板开切眼的稳定性进行研究，对复合顶板 的弯矩值进行了计算，得到了复合顶板组合梁在两 帮 1.90 m 处发生失稳断裂。 3） 优化设计了开切眼顶板锚杆锚索支护方案， 模拟结果表明锚杆间排距 0.80 m0.80 m， 锚索间排 距 1.60 m1.60 m， 开切眼内布置 4 排单体支柱， 0～ 4.0 m 的岩层离层平均值为 108 mm， 开切眼围岩控 制效果良好， 保障了开切眼设备安装工作的安全。 参考文献 ［1］ 孙健新.软弱煤岩复合顶板巷道破坏机理与支护技术 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （9） 96-100. ［2］ 赵明洲， 杨仁树， 方娟.大厚度薄层复合顶板煤巷高强 联合支护技术 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （8） 84-87. ［3］ 冯吉成， 许海涛， 郑赟， 等.煤巷复合顶板岩层失稳判 别方法与冒顶隐患分级 ［J］ .煤炭工程， 2019， 51 （8） 78-83. ［4］ 张吉雄， 张强， 巨峰， 等.深部煤炭资源采选充绿色化 开采理论与技术 ［J］ .煤炭学报， 2018， 43 （2） 377. ［5］ 丁其乐， 周跃进.固体充填采煤超大跨度开切眼成巷 及支架安装技术 ［J］ .煤炭学报， 2015， 40 （6） 1333. ［6］ 谢永存， 邹虎.大断面复合顶板硐室围岩稳定性规律 及支护对策 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （6） 153-157. ［7］ 杨朋， 华心祝， 杨科， 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