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第 31 卷 第 5 期 采矿与安全工程学报 Vol.31 No.5 2014 年 09 月 Journal of Mining Safety Engineering Sept. 2014 文章编号1673-3363-201405-0745-051 封闭柔性支护结构对底板冲击矿压的抑制机理 徐学锋 1，窦林名2，刘军3，张银亮3 （1．河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；2．中国矿业大学煤炭资源与 安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116；3．义马煤业集团跃进煤矿，河南 义马 472300） 摘要 针对底板破坏型冲击矿压的巷道支护问题，采用理论分析和数值模拟的方法研究了锚网与 “Ｏ”型棚联合支护形成的封闭柔性支护结构对底板型冲击的抑制作用。研究表明相同采掘地 质条件下，采用封闭柔性支护结构的巷道和采用其他支护形式的巷道一样，底板存在高水平应力 集中现象，具有冲击危险性，在动载扰动作用下，底板垂直位移瞬间增大，水平应力降低，发生 了底板冲击显现；而与其他支护形式的巷道不同的是冲击后没有发生严重的底板破坏，而是以巷 道围岩的径向变形为主， 位移量也相对较小。 说明封闭柔性支护结构虽然不能完全消除冲击危险， 但可以降低冲击的显现规模和程度。研究成果对类似矿井的冲击危险巷道支护具有借鉴意义。 关键词 封闭柔性支护；底板冲击矿压；抑制；数值模拟 中图分类号 TD 324 文献标志码 A Controlling function of closed compressible support structure on floor burst XU Xuefeng1，DOU Linming2，LIU Jun3，ZHANG Yinliang3 1．School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454000，China； 2．State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining，China University of Mining Technology，Xuzhou， Jiangsu 221116，China；3．Yuejin Coal Mine，Yima Coal Mining Group，Yima，Henan 472300，China Abstract In view of the support technique of coal seam roadway with floor burst hazard, theoretical analysis and numerical simulation s were used in this paper to study the control function of closed compressible supporting structure made up of anchor net and “O” type shed on floor burst. The results show that high horizontal stress is also distributed in the roadway floor supported with the closed compressible supporting structure, and floor burst risk also exists, compared to the other supporting s in similar mining geological conditions. Under the dynamic load disturbance, floor burst may happen with the displacement increasing suddenly and the horizontal stress reducing at the same time. However, the roadway does not show obvious floor failure but radial deation of surrounding rock, and the deation is relatively small, which shows that the closed compressible supporting structure can’t eliminate rock burst hazard entirely, but can reduce the damage degree. The results can provide reference to roadway support in similar coal mine conditions. Key words closed compressible support structure；floor burst；controlling；numerical simulation 收稿日期2013-05-23 基金项目国家自然科学基金项目51104055，51274087，51274089；河南理工大学博士基金项目B2012-084 作者简介徐学锋1978，河北省顺平县人，博士，副教授，从事矿山压力与岩层控制方面的研究。 E-mailhpuxxf Tel13782896698 DOI10.13545/j.issn1673-3363.2014.05.013 采矿与安全工程学报 第 31 卷 746 底板型冲击矿压是在矿山采动或采掘面扰动 下诱发底板煤岩层变形能的瞬时释放，表现为底板 煤岩层突然向上突出，引起采掘空间围岩、设备破 坏的冲击矿压灾害[1]。多个矿井的冲击矿压现象表 明，在留有底煤的采场以底鼓和煤岩压入采场空间 为主要显现特征[2]，并且大部分表现为底板冲击的 巷道没有对底板进行合理的支护。关于巷道支护对 冲击矿压的控制方面取得了一定的成果。波兰的做 法[3]是支架与锚网联合支护，巷道中间加设顶柱， 柱子穿木靴缓冲，支架沿巷道走向整体联结起来增 加支护强度。南非岩爆专家 Dave Ortlepp[4-5]认为支 护系统不仅要提供一定的静抗力，同时还要具有适 当的屈服和让压特性，吸收煤岩体突然破坏过程中 释放的动能。 高明仕等[6-8]提出了防治巷道冲击破坏 的“强弱强”模型，认为巷道支护小结构的支护力 对抑制冲击矿压起重要作用。姚精明等[9]研究了冲 击矿压巷道的锚杆支护机理，认为锚杆支护对防止 顶板型冲击矿压的发生有着非常积极的意义。赵兴 东、薛亚东等[10-11]应用 FLAC2D程序对冲击矿压下 煤巷锚杆支护进行了研究，认为锚杆支护控制顶板 效果好，是特厚煤层巷道支护较理想的支护结构。 鞠文君[12]认为锚杆支护可以实现主动支护、早期承 载，达到很高的支护强度，对冲击矿压巷道具有良 好的适应性。总之，目前所采用的支护大都是针对 于巷道顶板和两帮，对底板一般不进行支护，锚网 支护底板的难度更大。以底板冲击为主要显现特点 的巷道，单独的锚网支护防冲效果不理想，如义马 煤业集团跃进煤矿、千秋煤矿采用锚网支护，发生 过严重的底板冲击。后期采用锚网“O”型棚形成 封闭的柔性支护，对底板进行了有效支护，起到了 较好的效果。论文通过理论分析和数值模拟手段研 究封闭的柔性支护结构对底板冲击的抑制作用，为 底板冲击显现的巷道支护提供借鉴。 1 封闭柔性支护结构及防冲原理 跃进煤矿 23130 下巷初期采用“梯形”断面， 采用锚网索联合支护。掘进过程中发生了 2 次冲击 矿压，冲击后严重底鼓，顶底板几乎合拢。 根据实际情况，在冲击矿压严重的 23130 和 25110 工作面下巷采用了 “O” 型棚锚网联合支护， 见图 1。具体支护方案是巷道开挖后形成梯形断 面，采用锚网对顶板和两帮进行支护，滞后掘进面 20 m 左右进行“O”型棚支护，采用 6 段 36U 型钢 搭接而成。巷道走向上相邻两架棚之间用圆木搭接 提高整体稳定性。“O”型棚与锚网结构中间采用 砂土袋、圆木等充填结构形成封闭柔性结构。 外 12100 100 30 30 155 5110 1355 13551200 1200 8006 155 30 170 170 30 3600 5000 410 图 1 “O”型棚支护 mm Fig.1 The closed compressible supporting structure 该支护结构抑制底板冲击的原理是当动载扰 动诱发了冲击时，来自围岩的能量会瞬间向巷道空 间释放，这时封闭柔性支护结构与围岩发生径向变 形，使冲击能量得到吸收和削弱，另外锚杆也具有 抑制顶板和两帮破坏的作用，最终支护体系能基本 保持完好，冲击前后支护结构抗冲示意图见图 2。 a 冲击前 b 冲击后 图 2 封闭柔性支护结构抗冲示意图 Fig.2 The control function of closed compressible supporting structure on floor burst 2 封闭柔性支护结构数值模拟分析 2.1 模型的建立 采用 FLAC2D软件研究此支护结构条件下巷道 开挖过程中底板的应力、 变形特点， 并通过 Dynamic 动态模块分析在动载作用下底板物理力学参数的 响应规律，揭示锚网“O”型棚形成的封闭柔性支 护结构对底板冲击的抑制机理。地质模型同文献 [13]， 具体方案为 巷道开挖矩形断面尺寸为 5 m5 m，“O”型棚采用圆形断面，直径 4.0 m。顶板锚 杆、 锚索和钢带结构分别采用 Cable 和 Beam 单元， “O”型棚采用多段 Beam 单元，“O”型棚与锚杆 之间的填充结构采用降低单元参数 50的方式实 现，局部模型见图 3，煤岩参数如表 1 所示。 第 5 期 徐学锋等封闭柔性支护结构对底板冲击矿压的抑制机理 747 图 3 柔性支护结构的数值模拟模型 Fig.3 Numerical simulation model of support structure 表 1 模型岩性参数 Table 1 Strata properties of model 岩性 体积质量/ kgm3 内聚力/ MPa 内摩擦角/ 体积模量/ GPa 剪切模量/ GPa 顶板泥岩 2 500 6.00 28 4.40 1.50 煤 层 1 350 1.68 25 3.33 0.71 底板砂岩 2 700 34.70 35 15.65 10.78 2.2 巷道开挖后的应力分布规律及变形特点 1 底板的位移特征 巷道开挖后， 底板的垂直位移变化如图 4 所示。 从图中看出， 采用锚网“O”型棚联合支护时巷道 底板垂直位移最大值 0.04 m，说明当巷道采用圆形 断面和封闭的柔性支护结构，对底板起到了很好的 支护作用，底板垂直位移远远小于无支护[1]情况。 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 69 707274767880 运算步/Steps 图 4 巷道底板的垂直位移变化 Fig.4 Displacement change of floor 2 应力分布规律 巷道开挖后采用柔性支护的巷道底板水平应 力、垂直应力变化趋势如图 5 所示，巷道底板两侧 20 m 范围的应力分布规律见图 6，水平应力和垂直 应力分布云图如图 7 所示。 40 452456460464468472476 运算步/100 Steps 水平应力 垂直应力 应力差 480 30 20 10 0 -5 图 5 底板应力变化 Fig.5 Variation tendency of stress of floor 图 6 底板应力分布 Fig.6 Stress distribution of floor 图 7 围岩应力分布 Fig.7 Tress contours of roadway 从模拟结果看出巷道开挖后底板的水平应力 升高、垂直应力降低，锚网“O”型棚联合支护时 底板水平应力最大值 35.35 MPa，最小垂直应力 12.35 MPa，应力差 23.0 MPa，底板出现明显的水 平应力集中，应力变化和分布规律与梯形断面的应 力变化和分布规律类似[1]。这说明即使采用封闭柔 性支护结构，底板煤层仍然存在较大的水平应力集 中现象，底板冲击危险性同样也是存在的。 2.3 动载作用下的底板应力和变形响应特征 研究中将动载震源简化为简谐应力波，施加在 巷帮右侧顶板正上方 20.0 m 位置， 震源中心距巷帮 水平距离 15.0 m。震源震动频率 20.0 Hz、应力波 作用时间0.20 s、 应力波峰值强度 max p为40.0 MPa。 在此条件下，分析巷道底板应力、位移、速度、塑 性区分布等物理力学参数的动态响应过程。 1 变形特征 动载作用下， 巷道底板的垂直位移变化见图 8， 底板运动速度见图 9，位移矢量见图 10 所示。 距离/m 图 8 底板垂直位移响应特征 Fig.8 The vertical displacement change of floor 采矿与安全工程学报 第 31 卷 748 -2 0 2 4 6 00.040.080.120.160.20 时间/s 图 9 底板速度-时程曲线 Fig.9 The vertical velocity change of floor 图 10 位移矢量图 Fig.10 Displacement vector of roadway 从图 8，9 中看出动载作用下，底板的垂直位 移在 0.04 s 内位移为 0.07 m， 变形速度最大 5.5 m/s； 从图 10 看出巷道围岩的变形以径向变形为主。这 些说明动载作用下封闭柔性支护结构的巷道围岩 变形与单独的顶板和两帮锚网支护[13]相比，变形速 度和变形量都较小，且巷道变形以径向变形为主， 没有明显的底板破坏。 2 动载影响下应力响应规律 动载作用下，底板监测点处的水平应力、垂直 应力、应力差响应见图 11，平衡后的水平应力云图 和垂直应力云图如图 12 所示。 10 20 30 40 00.040.080.120.160.20 时间/s 水平应力 垂直应力 应力差 图 11 动载作用下底板中的应力响应 Fig.11 Stress dynamic change of floor with the dynamic loads a 水平应力云图 b 垂直应力云图 应力/MPa -45 -35 -25 -15 -5 0 应力/MPa -45 -35 -25 -15 -5 0 图 12 动载作用后应力分布 Fig.12 Stress contours after the dynamic loads 从图 11 看出冲击显现过程中，水平应力由 35.35 MPa 上升到 36.62 MPa，然后迅速降到 18.97 MPa， 垂直应力由 12.35 MPa 上升到 12.91 MPa， 然 后瞬间降低到 8.75 MPa， 水平应力和垂直应力差由 23.0 MPa 上升到 23.71 MPa， 然后瞬间降低到 10.22 MPa。说明动载扰动的作用使处于高应力状态下的 煤体打破极限平衡状态，在这一过程中煤体的物理 力学参数突变，说明在封闭柔性支护情况下同样发 生了冲击显现。冲击显现后，随着水平应力、垂直 应力、应力差减小，冲击能量得到释放。由图 12 看出由于柔性支护结构的存在，底板水平应力集中 现象没有完全消失，集中应力降低的程度也小于相 同动载条件下底板无支护的情况[13]，也说明煤体中 释放的能量小于相同动载条件下底板无支护情况， 证明柔性支护结构降低了冲击显现的程度和规模。 3 冲击破坏过程中的塑性区分布 动载作用下，塑性区分布变化如图 13 所示。 从图中看出，巷道围岩局部发生了拉伸和剪切破 坏，且塑性区范围逐渐向周围扩大。塑性区分布的 动态变化表明，从 0.06 s 至 0.08 s 塑性区分布发生 了瞬间的扩大，但塑性区分布变化以巷道围岩径向 分布为主，底板的变形破坏并不显著。 a 0.00 s b 0.01 s c 0.02 s d 0.04 s e 0.06 s f 0.08 s g 0.10 s h 0.20 s 图 13 塑性区分布的动态变化 Fig.13 The dynamic change of plastic distribution 与文献[13]的研究成果对比分析，封闭柔性支 护结构下底板的位移、速度、应力、塑性区分布等 变化规律表明采用柔性支护结构不能完全控制冲 击矿压的发生，但可以控制能量级小的冲击，或在 一定程度上抑制冲击矿压的显现程度，使冲击造成 的危害减小。 3 实例分析 23130 面下巷采用封闭柔性支护结构后，中部 区段施工期间爆破诱发了 5 次冲击矿压，对冲击区 域长 100 m 的巷道变形进行测量，巷道位移变化见 图 14。 第 5 期 徐学锋等封闭柔性支护结构对底板冲击矿压的抑制机理 749 图 14 冲击矿压区巷道位移变化 Fig.14 Displacement caused by rock bursts 发生冲击区域的巷道发生了明显的变形，宽度 平均变形 0.81 m，高度平均变形 0.83 m，径向变形 平均 0.82 m，顶底板位移量稍大于两帮位移量，但 总的趋势是以巷道围岩径向变形为主。 23130面下巷的一次冲击造成300 m巷道变形， 根据微震监测此次冲击能量达 2.17107 J，但是冲 击发生后“O”型棚搭接部分发生明显滑移，巷道 仍能保持整体性，没有对生产造成大的影响，可见 柔性支护结构发挥了良好的作用。 4 结 论 1 巷道开挖后，采用锚网“O”型棚支护结 构形成圆形断面，底板的水平应力升高、垂直应力 降低，说明即使采用封闭柔性支护结构，底板煤层 仍然存在较大的水平应力集中现象，底板冲击危险 性同样是存在的。 2 动载影响下， 巷道围岩的物理力学参数的动 态变化表明采用柔性支护的巷道同样发生冲击显 现。由于顶板、底板和两帮都有有效的支护，所以 冲击显现以巷道围岩的径向变形为主，且变形量相 对较小，说明封闭柔性支护结构虽然不能从根本上 消除冲击危险，但能够控制冲击矿压的显现程度、 减小灾害规模，对底板型冲击具有一定的适应性。 参考文献 [1] 徐学锋，窦林名，刘军，等．煤矿巷道底板冲击矿压 发生的原因及控制研究[J]．岩土力学，2010，316 1977-1982． XU Xuefeng， DOU Linming， LIU Jun， et al． Research of the reasons and controlling for floor burst in coal mine roadway[J]．Rock and Soil Mechanics，2010，316 1977- 1981． [2] 孙学会．复杂开采条件下冲击地压及其防治技术 [M]．北京冶金工业出版社，20093-4． [3] WHYATT J K，WILLIAMS T J．Examination of the support potential 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