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万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 relationship between the maximum failure depth of the floor and the width of the L of the limit equilibrium zone of the coal seam is φ. If max2max1 ll, 0 W is the excavation width of roadway floor in a “W“ failure; if 0max2max1 Wll, The failure of roadway floor has a significant influence on the two ribs and roof, calculate the floor damage maximum roof damage caused by the “limit equilibrium circle“ theory. The limit equilibrium zone of supporting conditions, the transport capacity along the tank bottom limit is 23.42MPa, maximum failure depth of floor is 3.57m, the failure depth of the two ribs of the feet of 1.67m, the floor failure caused by roadside failure depth is 1.52m, the roof natural arch height is 3.24m, the limit equilibrium arch height is 5.45m.Selecting combine support with cable anchor and bottom anchor. Key words the mechanism of the floor failure；transporting crossheading；mechanical mode；limit equilibrium circle；cable anchor and bottom anchor Thesis Applied Basic Research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论.....................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义...............................................................................................1 1.2 国内外研究现状.......................................................................................................1 1.2.1 巷道支护理论的发展.....................................................................................1 1.2.2 巷道底鼓理论的发展.....................................................................................3 1.3 巷道底鼓破坏类型与支护方法...............................................................................3 1.3.1 巷道底鼓破坏类型.........................................................................................5 1.3.2 支护方法.........................................................................................................6 1.4 主要研究内容与技术路线.......................................................................................7 1.4.1 研究内容.........................................................................................................7 1.4.2 技术路线.........................................................................................................7 2 ZF204 运输顺槽围岩变形及底板破坏特征.....................................................................9 2.1 ZF204 运输顺槽概况 ...............................................................................................9 2.2 ZF204 运输顺槽围岩物理力学性质 .....................................................................10 2.3 ZF204 运输顺槽底板破坏因素 .............................................................................11 2.3.1 吸水对底板破坏影响...................................................................................11 2.3.2 支护参数及对底板破坏影响.......................................................................12 2.3.3 ZF204 工作面采动对底板破坏影响...........................................................13 2.4 ZF204 运输顺槽围岩变形破坏特征和底鼓类型 .................................................14 2.5 本章小结.................................................................................................................15 3 ZF204 运输顺槽物理相似模拟.......................................................................................17 3.1 相似比例及模型尺寸.............................................................................................17 3.1.1 相似比例.......................................................................................................17 3.1.2 模型尺寸.......................................................................................................17 3.2 模型相似材料配比的确定.....................................................................................18 3.2.1 实验岩石力学参数.......................................................................................18 3.2.2 相似材料的选取...........................................................................................18 3.2.3 相似材料用量计算.......................................................................................19 3.3 实验设备.................................................................................................................19 3.3.1 检测装置.......................................................................................................19 3.3.2 支护装置.......................................................................................................20 万方数据 目录 II 3.3.3 加载装置.......................................................................................................21 3.4 实验模拟结果分析.................................................................................................21 3.5 本章小结.................................................................................................................25 4 ZF204 运输顺槽数值分析...............................................................................................27 4.1 模拟软件.................................................................................................................27 4.2 数值分析模型建立.................................................................................................27 4.3 无支护和原支护条件下数值模拟结果分析.........................................................28 4.3.1 位移变化分析...............................................................................................28 4.3.2 应力变化分析...............................................................................................31 4.3.3 围岩塑性区分析...........................................................................................33 4.4 本章小结.................................................................................................................34 5 ZF204 运输顺槽底板破坏机理分析...............................................................................35 5.1 巷道位移变形规律.................................................................................................35 5.2 巷道围岩参数 m c 、 m 确定.................................................................................35 5.3 巷道底板破坏力学模型.........................................................................................36 5.4 巷道底板破坏范围分析.........................................................................................41 5.5 基于巷道底板破坏引起极限平衡圈.....................................................................42 5.6 本章小结.................................................................................................................43 6 ZF204 运输顺槽支护方式与支护参数分析...................................................................45 6.1 极限平衡圈支护参数.............................................................................................45 6.1.1 支护范围计算...............................................................................................45 6.1.2 支护参数计算...............................................................................................45 6.1.3 支护材料参数选择.......................................................................................48 6.2 支护方案的提出与监测.........................................................................................48 6.2.1 支护方案的提出...........................................................................................48 6.2.2 监测测点布置...............................................................................................49 6.3 支护方案实验结果对比分析.................................................................................50 6.3.1 垂直位移变化分析.......................................................................................50 6.3.2 水平位移变化分析.......................................................................................53 6.3.3 垂直应力变化分析.......................................................................................54 6.3.4 水平应力变化分析.......................................................................................55 6.4 优化方案确定.........................................................................................................56 6.5 本章小结.................................................................................................................56 7 结论...................................................................................................................................57 万方数据 目录 III 致谢......................................................................................................................................59 参考文献..............................................................................................................................60 附录......................................................................................................................................64 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 煤炭资源一直是我国的主要能源，现已探明煤炭总储量在900亿t以上，含煤区域面 积高达55 2 km ，是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。据预测，到21世纪50年代我国对 煤炭资源需求仍占能源需求的70以上[1]。我国多年的采掘使得煤矿矿井开采深度以每 年8-12m的速度迅速增加[2]，目前大部分煤矿已进入深部开釆阶段。埋深的增加，易形 成高应力软岩巷道[3-6]。回采巷道底鼓问题越来越突出，是亟待解决的技术难题之一。 蒋家河煤矿位于陕西彬长矿区，ZF204 工作面位于井田北部，南北走向，地面相对 位于车家庄乡。ZF204 工作面埋深 544.8-640.9m，由于煤层埋深较大，围岩应力较大， 煤层底板主要为砂质泥岩及炭质泥岩， 强度较低， ZF204 运输顺槽底鼓量大多在 500mm 左右，局部达到 900-1100mm。ZF204 工作面运输顺槽，宽 5m 高 3.1m,巷道顶板局部出 现喷层开裂脱落、受挤压出现煤包等变形，顶底板移近量最大达 1300mm，底鼓量最大 约 1100mm。ZF204 运输顺槽底板破坏问题严重，已经严重影响 ZF204 工作面的生产。 为了保证矿井安全生产，针对巷道底鼓难题，很有必要对巷道底板破坏机理进行深 入研究，从而提出底板破坏控制技术方案，降低矿上巷道维修费用，产生经济价值。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 巷道支护理论的发展 巷道支护理论大致经历以下发展阶段 （1）古典压力理论阶段 有海姆 HaimM1878 年、朗肯 W.J.M. Rankine、金尼克.A.Hinik 1925 年等学者们 提出[7]。认为围岩支撑结构需承载上覆岩层，并给出上覆岩层重量计算公式，差异主要 是侧压力的计算方法不一样。 （2）松散体理论阶段 20 世纪 20-60 年代， 松散体理论认为围岩塌落拱内的松散体重量是其支护结构上的 主要负载。普氏 M.M.Продъяконов 提出普氏理论，认为坍落拱形状为抛物线，而太沙基 K.Terzaghi认为坍落拱形状为矩形[8]。 （3）新奥法阶段 20 世纪 60 年代， L.V.Rabcewicz 提出。该方法的核心观点，认为围岩自身具有一 定的结构承担能力，发挥自己的力学性能，与支护体一起形成“支承环”[9,10]。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 （4）能量支护理论 20世纪70年代，萨拉蒙M.D.Salamon等人，提出 [11,12]。利用支护结构与围岩协同支 护这一特点，使支护结构自动调节围岩释放出的能量，总的能量并没有发生改变，围岩 维持稳定。 （5）应变控制理论阶段 20 世纪 70 年代末，日本的山地宏与樱井春辅等提出[13]。支护结构的增加，降低了 围岩应变，增加了容许应变。所以可通过增加支护，来控制围岩变形。 （6）轴变理论 20 世纪 80 年代，于学馥教授等人提出[14]。巷道塌落可自行稳定，最稳定的轴比即 为应力均匀分布的轴比，轴比的形状为椭圆形。 （7）U 型钢支架进行支护的理论 中国矿业大学的陆世良教授等， 根据 U 型钢支架自身承载特点， 进行了普及与现场 应用[15-17]。 （8）联合支护理论 郑雨天、冯豫、陆家梁教授等提出[18-20]。巷道支护不能一味的追求支护的强度，应 考虑围岩自身性质，应先柔后刚、先抗后让、柔让适度，宜采用锚网索喷等联合支护方 式进行支护。 （9）松动圈理论 20 世纪 90 年代，董方庭教授等提出。巷道支护主要对象是松动圈[21,22]。松动圈范 围越大，收敛变形就越大，巷道越难支护。由此支护的目的在于防止松动圈发展过程有 害变形。 （10）主次承载区支护理论 方祖烈教授提出的。巷道开挖以后，巷道周围岩体形成抗压域。压缩域位于围岩深 部是维护巷道稳定的主承载区；张拉域形成在巷道周围加固支护为次承载区。主次承载 区的协调作用决定巷道最终稳定[23]。 （11）关键部位耦合组合支护理论 何满朝教授提出的，认为深部巷道支护破坏大多是由于支护体与围岩体在强度、刚 度和结构等方面存在不耦合造成的[24-26]。 采取恰当的支护转化技术， 一是柔性的面支护， 二是关键部位的点支护，让其相互耦合。 （12）围岩强度强化理论 侯朝炯、勾攀峰教授等人提出[27,28]。锚杆与围岩相互作用称为锚固体，形成共同承 载结构，充分发挥围岩自承能力。 （13）主要承载圈理论 康红普教授提出了[29]。巷道的稳定性取决于承载较大切向应力的承载圈。承载圈范 万方数据 1 绪论 3 围越大，支护范围越大。 （14）极限自稳平衡圈理论 黄庆享教授等在治理四川攀枝花太平煤矿“构造破碎带软岩巷道锚网支护”、 河南 告成煤矿“三软强变形煤层回采动压影响范围与煤巷支护”等课题时提出[30-33]。 巷道支 护的对象主要是控制巷道周围潜在的危险岩体。 巷道顶部的危险岩体是存在拉应力的岩 体，两帮的危险岩体是达到剪切极限的岩体。两帮和顶部潜在的危险岩体在围岩内部呈 平衡拱状， 提出加固两帮可缩小顶部平衡拱的高度， 有效的控制软岩巷道的变形； 此外， 提出合理的锚索长度及锚固端处于极限自稳平衡圈内即可，总结出了“治顶先治帮，治 帮先治底”的支护控制原则，首次提出并提出了“顶板-两帮-底板”的关系，巷道支护 应当按照整环的系统支护进行控制，如图 1.1。 该理论中， 对于底板破坏和底板破坏深度与两帮破坏的发展关系， 尚有待深入研究。 引起的底臌 底板破坏深度 底板引起的帮破坏 极限片帮深度L 片帮深度L 自然冒落拱 自稳平衡拱 极限平衡拱 P D O EF C 0 BA ＇ 图 1.1 极限自稳平衡圈 1.2.2 巷道底鼓理论的发展 国内外对巷道底鼓研究（表 1.1）的主要观点是底鼓由多种因素共同作用而引起 （1）巷道开挖后巷道底板岩层内部要释放之前产生的变形能达到应力在平衡，造成 巷道底板鼓起； 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 （2） 在垂直应力作用下巷道两帮向底板施加挤压应力， 同时底板又受水平应力作用， 共同作用的结果使底板向巷道内鼓出； （3）巷道底板中若出现拉应变或两帮下沉也会导致底鼓出现； （4）巷道底板中若有蒙脱石等粘土矿物成分，遇水后岩体体积会发生膨胀； （5）底板中若含有易产生流变的成分，随着时间延长底鼓量也会增加。 表表 1.1 国内对巷道底鼓理论成果表国内对巷道底鼓理论成果表 研究人员 研究成果 秦巴列维奇 用两个压模传递给松散土体的荷重作用解释了巷道底鼓， 并利用极限平衡理 论得出了底板所需支护强度公式[34]。 M.П.兹包尔 什奇克 在研究巷道底鼓过程中，发现巷道周边的应力图和岩层强度图之间的关系， 并由此总结出了岩层破坏判别准则， 依据这一准则可以判别巷道周边围岩中 的稳定带、极限带和不稳定带[36]。 Η.Π.切尔尼亚列 在统计分析了大量实测数据之后，拟合出了巷道底鼓量预测公式。 奥顿哥特 通过相似模拟分析了巷道底板变形的整个过程[38]。 K．Haramy 运用材料力学理论，把巷道底板看作两端固支梁，研究分析了底板围岩中应 力分布和底板围岩稳定性[39]。 Afrouz Y．P． Chugh Aafrouz 和 Y．EChugh 在分析底板抗变形能力基础上[40,41]，提出了导致底鼓的三个主要原因底板 围岩强度，水平作用力，水理作用。 曲永新 注重水理作用对巷道底板破坏的作用[42]。 A．H．wilson 在分析回采巷道底板围岩变形过程中发现， 水平作用力对底板围岩的剪切作 用是巷道底板变形破坏的主要原因[43,44]。 D．J．Rockaway 通过分析巷道底鼓现象发现，巷道底板稳定性受 6m 以内的底板岩层岩性影 响[45]。 姜耀东、陆士良 根据巷道所处的底板围岩性质、地质条件、应力状态的差异与底板岩层鼓入 巷道的方式将底鼓分为 4 类[46,47]。 杨建中 从巷道底板岩体极限承载力方面研究了巷道底鼓机理， 建立了巷道底板极限 平衡力学模型，导出了底板极限承载力表达式[48]。 李学华等 提出加固巷道顶板来控制底鼓的观点[49,50]。 郑西贵等 针对深井巷道挠曲褶皱性底鼓机理，建立底板滑移线场和速度场模型，解出 巷道帮脚锚杆和反底拱控制底板支护参数，形成反底拱锚固梁控制技术[51]。 常聚才 掌握无支护巷道底板围岩塑性区范围、 变形移动规律和巷道周围应力分布状 况， 提出并试验控制深部岩巷底鼓的新方法， 新方法为超挖锚注回填技术[52]。 万方数据 1 绪论 5 研究人员 研究成果 郭宝华 应用数值计算方法得出岩性较弱时，侧压系数对巷道变形影响较大，侧压系 数小于 1 时，巷道低帮变形量较大，侧压系数大于 1 时，两帮变形量与底鼓 量较大，并认为底板切槽深度为巷道宽度一半时，巷道稳定性最好[53]。 庞建勇 认为高应力巷道发生底鼓及顶板失稳等现象应区分两种情况， 分边为巷道全 周边弱支护与局部弱支护。结合实例计算分析了高应力巷道局部弱支护机 理，阐述了底鼓与顶、帮失稳相互诱发的原因[54]。 康红普 计算分析了由不同原因引起的巷道底鼓量所占巷道底鼓量的百分比 底板围 岩挠曲作用导致的底板变形量占总底鼓量的67％， 弹塑性作用和扩容作用引 起巷道底板变形量分别占总底板变形量的11.8％和11.2％[55,56]。 贺永年、何亚男 研究分析茂名矿区的底板变形过程时发现 垂直作用力通过两帮围岩作用于 底板上也会导致巷道底板发现底鼓[57]。 侯朝炯、马念杰 研究回采巷道底板受力状态时发现煤层开采会导致巷道底板变形。 在软岩的 膨胀力学机制方面， 国内外众多专家学者对软岩底板的膨胀性底鼓变形做了 深入的分析研究，并研究了软岩的膨胀力学机制[58-60]。 何满朝 通过对围岩物理力学性能的测试、 数值模拟、 理论分析以及现场试验的研究， 得出采用锚网索联合支护技术控制底鼓的力学作用机制[61,62]。 1.3 巷道底鼓破坏类型与支护方法 1.3.1 巷道底鼓破坏类型 软岩巷道底板破坏可分为四种基本模式 挤压流动破坏 （图 1.2） 、 挠曲褶皱破坏 （图 1.3） 、剪切楔块破坏（图 1.4）和遇水膨胀型破坏[46,47]。治理底板破坏时，应考虑主要破 坏模式，采取合适的措施。 Px Py Px Py Px Px Py Py 压 缩 区 （a） b 图 1.2 挤压流动破坏 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 6 Px Px PxPx 图 1.3 挠曲褶皱破坏 图 1.4 剪切契块破坏 1.3.2 支护方法 现有底鼓控制技术可总结为两大类一是防治底鼓，就是采用加固法将底鼓控制在 一定可控范围以内，满足矿上生产需要；二是清理底鼓，恢复巷道断面尺寸，主要是落 底，费时费力，成本加大，延缓巷道生产。现在对于第一种方法主要有缷压法、加固法 与联合支护法，如表 1.2 所示。 表表 1.2 控制底鼓的方法控制底鼓的方法 切缝卸压 通过对底板或两帮进行切缝，应力会转移到深部围岩，使底板的应力降低 钻孔卸压 其卸压的原理与切缝卸压法大致相同 松动爆破 对底板或两帮实施松动爆破，会产生很多裂缝，使浅部与深部的围岩发生 脱离，让原本处在高应力作用下的底板卸载，并将应力向围岩深部转移 卸 压 法 卸压煤柱 卸压煤柱破碎后，能够将作用在上面的应力向较远煤体上转移，使底板卸 载，减小底鼓，这个过程中卸压煤柱起到传递压力的作用 底板注浆 通过注浆设备把浆液注入到底板裂隙中，破碎的底板岩层得以加固，增强 破碎岩层的粘聚力，在底板中形成一个强度较大的反拱，减小下部围岩向 上鼓起；随着注浆区岩层强度增大，注浆区围岩的位移也会相应减小 底板或帮脚 锚杆 主要有两个功能一是浅部岩层不稳定，深部岩层稳定，这样可以将浅部 和深部岩层连接到一起；二是锚杆在底板形成的组合岩梁能够阻碍下部岩 层裂隙扩张和向上鼓起，以及产生新的裂隙，起到阻碍底板向巷道内变形 的效果。 封闭式支架 支架底梁反作用力于底板，这改变了底板附近岩石的应力状态，提高了支 架的支护阻力，限制底板岩层变形和位移的发生 加 固 法 混凝土反拱 这种方法与封闭式支架相似，底板岩层的应力状态发生变化，使支护阻力 均匀地作用于底板上 联合支护法 根据具体地质条件，结合上述加固和卸压技术，对巷道进行必要支护，一 则将巷道周边的应力转移到深部围岩当中，二则使围岩的自支承能力提高 万方数据 1 绪论 7 1.4 主要研究内容与技术路线 1.4.1 研究内容 煤矿回采巷道底鼓会引起巷道两帮破坏，进而加大顶板破坏范围。目前，其机理有 待研究。本文以蒋家河煤矿回采巷道底鼓突出为工程背景，综合运用现场实测、物理模 拟实验和数值计算分析，建立底板破坏深度的理论模型，给出底板破坏深度计算方法， 以及底板破坏深度与两帮破坏宽度的关系，完善巷道极限平衡圈理论，最终给出蒋家河 煤矿回采巷道合理支护参数和支护方案，为类似回采巷道支护提供借鉴。论文主要研究 内容如下 （1）首先调查 ZF204 运输顺槽围岩物理力学性质和力学参数，实测分析工作面采动 对巷道的影响，实测 ZF204 运输顺槽的变形破坏特征和基本规律，为物理模拟和数值计 算提供可靠依据； （2）通过物理模拟实验和数值计算，确定 ZF204 运输顺槽周围变形破坏范围，确定 巷道围岩应力场，掌握 ZF204 运输顺槽变形破坏的机理，分析软岩巷道隐形拱的范围； （3）建立巷道底板破坏深度的理论模型，确定巷道底板破坏深度计算方法； （4）分析底板破坏与两帮及顶板破坏的关系，完善基于底板破坏的巷道围岩极限平 衡圈理论； （5）根据极限平衡圈理论和数值模拟方法，确定合理的支护方式与参数。 1.4.2 技术路线 （1）调查 ZF204 运输顺槽围岩物理力学性质和力学参数，实测巷道顶底板移近量、 巷道底鼓量以及两帮移近量，分析确定巷道变形破坏特征和基本规律； （2）采用物理相似模拟，测定底板下沉量，底板破坏深度，底鼓量，两帮移近量， 两帮破坏范围及主要破坏区域，总结底板破坏对两帮与顶板稳定性的影响，内在隐藏的 规律特征； （3）采用 FLAC3D数值计算，通过对比 ZF204 运输顺槽在无支护和原支护条件下， 巷道顶底板移近量， 两帮移近量， 巷道周围应力变化特征， 揭示巷道底鼓变形主要原因， 揭示巷道底板变形对两帮与顶板稳定的影响，与物理相似模拟对照，得出底板-两帮-顶 板之间的联系； （4）根据极限平衡圈理论，设计合适的支护方式与参数； （5）开展数值模拟计算，分析所提出的支护方案的巷道围岩变形和破坏情况，通过 参数优化，最终得出合理的支护方式和支护参数。 具体技术路线见下图 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 8 图 1.5 主要技术研究路线 蒋家河煤
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