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第3 7 卷第4 期 2 0 0 8 年7 月 中国矿业大学学报 J o u m a Io fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g &T e c h n o l o g y V 0 1 .3 7N o .4 J u l .2 0 0 8 巷道覆岩关键岩梁与预应力承载结构力学效应 许兴亮,张 农,李桂臣,高明仕,郑西贵 中国矿业大学矿业工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要根据不同层位岩层在巷道控制中的不同角色,采用数值模拟研究了巷道围岩外层关键岩 梁与内层预应力承载结构的作用.结果表明外层关键岩梁结构在巷道变形过程中起到骨架作 用,屏蔽和阻断应力的传递,不但使得巷道跨度范围内垂向应力的传递发生阻断,上部岩层栽荷 不能向关键岩梁下位岩层传递,而且承担了开挖引起的应力重分布的大部分水平应力.内层预应 力承栽结构的存在,使垂向应力支撑压力峰值向煤壁深处转移,应力集中程度减缓导致应力匀 化.预应力承栽结构能够通过柔性变形实现对外层结构的适应性让压,既允许巷道顶板有一定的 变形,又可在变形过程中保持较高支护阻力. 关键词关键岩梁;预应力承栽结构;数值模拟 中图分类号T D3 2 5文献标识码A文章编号1 0 0 0 一1 9 6 4 2 0 0 8 0 4 一0 5 6 0 一0 5 M e c h a n i c a lP r o p e r t i e so ft h eK e yR o c kB e a ma n d P r e s t r e s s e dL o a d B e a r i n gF r a m eC o v e r i n gR o a d w a y X UX i n g l i a n g ,Z H A N GN o n g ,L IG u i c h e n ,G A OM i n g s h i ,Z H E N GX i g u i S c h o o lo fC o a lM i n i n g ,S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fC o a lR e s a c r c e sa n dM i n eS a f e t y , C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ,X u z h u o ,J i a n g s u2 2 l 0 0 8 ,C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ed i f f e r e n tr o I e so fd i f f e r e n tr o c ks t r a t u m si nr o a d w a yc o n t r o l ,t h ea c t i o n s o ft h ek e yr o c kb e a ma n dt h ep r e s t r e s s e dl o a d _ b e a r i n gf r a m ew e r er e s e a r c h e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n .T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ek e yr o c k b e a ms i t u a t e da tt h eo u t s i d eo ft h es t r u c t u r ea c t sa s af r a m e w o r k ,s h i e l d i n ga n di n t e r d i c t i n gt h et r a n s f e r e n c eo fs t r e s s .T h i si st r u en o to n l yi nt h e v e r t i c a lb u ta l s ot oag r e a te x t e n ti nt h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o na sw e l l .T h ei n t e r i o r ,p r e s t r e s s e d l o a d b e a r i n gf r a m et r a n s f e r ss t r e s si n t ot h ed e e pc o a l .T h ef r a m ed e c r e a s e ss t r e s sc o n c e n t r a t i o n b yu n d e r g o i n gd i s t o r t i o nw h i l ep r o v i d i n gs u p p o r t i n gr e s i s t a n c e . K e yw o r d s k e yr o c kb e a m ,p r e s t r e s s i n g1 0 a d _ b e a r i n gf r a m e ,n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 层状沉积煤系地层,由于其成岩的地质历史条 件不同,形成了厚度不均强度不等的多层赋存状 态.煤系岩体的分层特性差异,决定了各岩层在岩 体活动中的作用是不同的[ 1 ] .煤巷开挖并不像回采 那样引起大范围内岩层移动、岩体破坏,乃至结构 失稳[ 2 ] .一般来讲,掘巷仅仅对近距围岩产生显著 的影响,也就是说,只有较近区域内的岩层对巷道 围岩控制有显著的作用.正确评价不同岩层对巷道 围岩控制的贡献,科学区分巷道上覆岩层在围岩控 制中的角色,是非常必要的.组合梁理论、组合拱理 论、松动圈理论、围岩强化理论[ 2 ’6 ] ,集中以支护体 为研究对象,很少分析外层岩体结构效应.采用锚 网支护的巷道开挖后,巷道围岩不仅是地压的施载 体,同时也是承载结构.锚固范围内的锚固承载结 收稿日期2 0 0 7 一0 2 一0 8 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 6 7 4 0 8 5 } 2 0 0 6 年教育部新世纪优秀人才支持计划 N c E - 0 6 一0 4 7 8 ;中国矿业大学煤炭资源与 安全开采国家重点实验室开放研究基金项目 0 7 K F 0 4 作者简介许兴亮 1 9 7 6 一 ,男,山东省宁阳县人.讲师.工学博士,从事巷道围岩控制,岩石力学实验方面的研究. E - 姗m lx u s m f 1 6 3 .∞mT H 0 5 1 6 8 3 5 9 0 5 0 3 万方数据 第4 期许兴亮巷道覆岩关键岩梁与预应力承载结构力学效应 构与外围岩体,两者的关系并不是简单的支护与被 支护的关系.以老顶等关键岩层组成外围关键岩梁 结构决定了内层锚固结构约束条件与受载环境条 件[ 7 1 ;锚杆与被锚固围岩相互作用形成预应力结 构,决定了内层破碎软弱围岩的稳定状态;外层关 键岩梁结构与内层锚固支护结构构成了整个围岩 的存在状态,外层与内层结构相互作用,共同承担 了对巷道空间保护作用. 1巷道覆岩外层结构关键岩梁效应分 析 有些距巷道较近,厚硬稳定岩层在巷道覆岩活 动中起到骨架控制作用,这部分岩层,在顶板结构 破坏前一般简化为梁结构,借鉴钱鸣高院士的关键 层理论[ 1 3 提出巷道围岩的关键岩梁结构.一般地, 巷道的开挖空间较小,因此仅考虑煤层上方第一层 关键岩梁 习惯上称为老顶 对巷道围岩应力分布 产生显著的影响.很多现场观测和实验表明这一假 定对分析巷道围岩受力与破坏是合理的.在分析巷 道覆岩中关键岩梁的力学行为时,这里仅考虑存在 一层关键岩梁的情况. 设关键岩梁厚度为 。,下位岩层厚度为 z ,关 键岩梁的弹性模量为E .模型上部施加均布载荷q , 分别改变下位岩层厚度 。和关键岩梁的弹性模量 E ,来模拟其距巷道不同距离和不同抗弯刚度情况 下关键岩梁上的载荷分布规律,及其对围岩应力分 布的影响.本文采用U D E C 数值模拟分析软件,建 立如图1 所示的数值模型,深入了解巷道围岩变形 过程中关键岩梁与预应力承载结构的力学效应.数 值模型模拟范围为长高一8 0m 6 1m .采用混 合边界条件,模型的上表面施加均匀的垂直压应 力,模型两侧面水平位移为零,模型下表面垂直位 移固定. L I _ 蚀’. 耋l 一, - J l 至 1 至 J 主 『l ’l l l l .两趣f I l I l I l II 三 | 『l | ⋯⋯⋯Ir r 隹r r r T | | II 川⋯⋯⋯I ∞,- ,.1 .1 .- 。- 。一.- .鞲,。- .- 。,,- .。- .- .- ,滞,。- 。- .w 茸.- | .- .- .t 1 嚣- 。;- ,‘ II .... I...1 图1巷道围岩数值模拟模型 F i g .1 N u m e f i c a ls i m u l a t i o no fs u r r o u n d i n g r o c ko fr o a d w a y 顶板岩层的力学参数见表1 . 为了使分析模型中岩层的变形破坏过程更符 合实际规律,采用先加载后开挖方法.加载过程先 固定下边界及左右边界,在上边界上施加均布载 荷,运算至平衡状态后,消除煤层中3 .4m 2 .6m 范围的煤块,模拟巷道开挖. 表1岩层与节理的力学参数 垒垒 丛墼塾垒望鲢兰已垒£ 磐 £空2 11 丝墨 坚 坚璺翌坚j 2 i 坠堡 k 篡。 摩擦角/ 。黏繁誉产7 泊松比 关键岩梁 27 0 0 3 2 5 .0O 2 0 软弱岩层 20 0 03 04 .00 .2 5 煤层14 0 02 82 .O0 .2 8 上覆岩层 27 0 0 3 1 4 .5 O .2 3 节理 聂曩型震i 等曷舒X 爨粲銎髻;G 如7 m “I 1 .1关键岩梁上部载荷分布规律 借鉴林崇德、陆士良等人[ 8 3 的研究方法,根据 顶板的变形破坏规律,选取顶板岩层自身应力平衡 时,图1 中侧线1 巷道跨度范围内的垂直作用力的 总和来衡量顶板在垂直方向的承载能力,即 F ,一卜如, ㈣ 式中F 。为岩层垂直方向的承载力;L 口,一口。 为顶板岩层上边界巷道跨度范围内的长度;民为垂 直应力. 传统的矿压分析中,常把关键岩梁上部的垂直 压力简化为均布载荷[ 6 ] .模拟分析结果表明,关键 岩梁上部的载荷类似于巷道的支承压力,并不是均 匀分布的,它也有载荷峰值,其大小与关键岩梁的 厚度、弹性模量及距煤层的距离有关.调整关键岩 梁的弹性模量E 由2 3 .1 7G P a 至3 2 .8G P a ,距离 由2 .4m 至1 0m ,得到图2 .由图2 可知随着关键 岩梁刚度的降低和距煤层距离的增加,关键岩梁上 部载荷峰值有所降低,而最小值有所增加,应力集 中系数有所降低,即上部载荷有均匀化的趋势. 定 誉 椽 镊 肇 _ 联 采 罐 嫩 距巷道中心线距离£/m 图2不同条件下关键岩梁的载荷分布 F i g .2 L o a dd i s t r i b u t i o no fk e yr o c k b e a mu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s 1 .2 关键岩梁对巷道顶板铅垂应力的影响 为了突出关键岩梁的作用,在巷道顶板中部垂 直方向设置长2 5m 的观测线2 ,记录巷道变形稳 万方数据 中国矿业大学学报第3 7 卷 定后顶板中的应力分布情况.得到如图3 所示结 果由于巷道顶板上部5m 以上铅垂应力变化很 小,我们只取顶板上部5m 范围内的部分分析.由 图3 可以看出,顶板覆岩中的铅垂应力在关键岩梁 以下2 .6m 处急剧减少,巷道上部垂直应力的传 递发生了阻断作用.即存在稳定的关键岩梁结构时 巷道跨度范围内上部岩层载荷不能向关键岩梁下 位岩层传递. 22 .53 .03 54 04 .5 距煤层铅垂距离/m 图3存在关键岩梁时巷道顶板铅垂应力分布规律 F i g .3 D i s t “b u t i o no fv e r t i c a ls t r e s si nr o o fo f r o a d w a yu n d e rk e yr o c kb e a m 1 .3 关键岩梁对巷道顶板水平应力的影响 根据测线2 上的水平应力得到顶板岩层水平 应力分布 见图4 ,可以看出,直接顶 2 .4m 范围 内 中的水平应力较老顶中的水平应力有较大的下 降,而老顶中 关键岩梁 的水平应力有升高现 象L 9 J .关键岩梁相对其他岩层,厚度、弹性模量较 大,强度与刚度较高,易形成稳定的外围结构,当顶 板关键岩梁结构没有破坏时,在产生相同的变形过 程中提供较高的支撑反力,即它将承担开挖引起的 二次应力分布中的大部分水平应力.可见近距关键 岩梁对巷道顶板岩层的水平应力具有骨架支撑作 用,对下位岩层起到屏蔽保护作用. 图4 存在关键岩梁时巷道顶板水平应力分布规律 F i g .4 D i s t r i b u t i o no fh o r i z o n t a ls t r e s si nr o o fo f r o a d w a yu n d e rk e yr o c kb e a m 1 .4 关键岩梁承载效应小结 由于关键岩梁相对其他岩层,具有弹性模量、 抗弯模量大,强度较高的物理特征,决定了独特的 变形特征巷道开挖后,在垂直方向上关键岩梁与 下位岩层变形并不同步协调,它们之间具有相对移 位,形成顶板内部的离层,使得垂直位移与应力传 递发生间断,从而对巷道顶板上部范围垂直应力和 位移的传递具有阻断作用.在水平方向上,由于关 键岩梁既厚又硬,刚度较大,易形成稳定的结构,对 巷道顶板岩层的水平应力具有骨架支撑作用,承担 开挖引起的二次应力分布中的大部分水平应力,从 而对巷道内层围岩起到屏蔽保护作用. 2巷道覆岩内层结构预应力承载结构 效应分析 对于巷道内层锚网支护体系,当其预应力达到 一定程度时,能在围岩中形成预应力承载结构,该 结构不仅能够通过大变形实现对外层结构的适应 性让压,同时能够在大变形中保持整体稳定性.具 有这种变形让压和整体稳定性特征的层状顶板结 构可以称为预应力承载结构[ 10 | . 2 .1 预应力承载结构对两帮力学效应分析 有无预应力承载结构对煤壁中的支撑压力有 着显著的影响,其结果如图5 .采用锚杆支护的预 应力承载结构具有连续传递应力的效应,相比无锚 杆支护,有锚杆支护的支撑压力峰值位置远离煤 壁,有向煤壁深处转移的趋势,而且支撑压力的峰 值有所降低,煤壁中支撑压力的应力集中程度减 缓,使两帮煤体破坏减弱,改善两帮维护状况,消除 或大大减缓顶板离层,从根本上控制巷道围岩的最 终变形量. £ 蒌 R 出 赫 橄 鞭 窿 捌 辅 距巷道中心线距离/m 图5有无锚杆对煤壁支撑压力的影响 F i g .5 E f f e c to fw a l ls u p p o r t i n gp r e s s u r e b yr a c kb o l t i n go rn o t 2 .2 预应力承载结构对顶板力学效应分析 以全长锚固支护模型为基础,只改变模型的单 项支护参数,分别建立不同的顶板支护模型,对不 同支护方式的数值模型进行模拟计算分析,得到巷 道顶板岩层中部铅垂位移与锚固岩层垂向承载力 的关系曲线 图6 .该曲线反映了顶板岩层变形过 程中载荷变化的规律.分析和比较各曲线的差异, 可以得到如下2 个特征 1 让压作用巷道开挖后,巷道围岩进行剧烈 二次应力重新分布.由图6 顶板岩层的承载特性与 位移曲线可见,初始阶段,各种方式的锚杆支护时 的顶板承载特性几乎相同,不同的支护方式对顶板 载荷的影响并不大,直接顶载荷都表现为急剧降 低.说明在变形初期,预应力承载结构可以适应变 ,形的发展及时调整承载能力,具有让压的作用;结 合上文对关键岩梁载荷分析,当巷道存在关键岩梁 O 8 6 4 2 0 £姜R 馏 岫噼鼙臀 ● 万方数据 第4 期许兴亮巷道覆岩关键岩梁与预应力承载结构力学效应 外层稳定结构时,由于它的骨架效应,承担了应力 调整的大部分载荷.在顶板岩层没产生显著变形 前,预应力承载结构并没有完全发挥其承载能力, 这一特性有利于顶板高应力的释放与转移. 2 高变形阻力当顶板有明显的位移时 垂直 下沉量大于4 5 ~6 0m m 时 ,由于岩石是脆性材 料,无支护顶板载荷经历了上升再下降的过程,很 快达到强度极限破坏,承载能力下降,达到残余强 度阶段,继续变形就会发生失稳破坏.而采用锚杆 支护的巷道顶板载荷保持在较高工作阻力并没有 太大变化,表明锚杆支护形成的预应力承载结构在 巷道变形过程中仍旧可以保持较高的支护阻力,具 有较高的承载能力,从而实现在围岩变形过程中的 可靠控制. - 一锚杆长度1 .6m 一锚杆长度2 .Om 一锚杆长度2 .4m * 一锚杆问距1 .Om 一无帮锚杆 - 一无顶锚杆 无支护 一无预紧力 2 『k 厂弋贮瀚 l 卜f f f 亩1 巷道顶板位移/c m 图6不同锚杆支护条件岩层承载与位移关系曲线 F i g .6R e l a t i o n s h i p so fb e a r i n gl o a da n dd i s p l a c e m e n to f r o c ks t r a t u m su n d e rd i f f e r e n ts u p p o r t i n gc o n d i t i o n s 2 .3 预应力承载结构承载特性 为了分析预应力承载结构承载特性,采用锚固 岩层承载能力与无支护顶板岩层承载能力相比,以 不同支护条件下岩层承载能力的提高幅度来分析 衡量预应力承载结构作用,这个差值反映了锚杆支 护预应力承载结构作用的大小.按照这一衡量方 法,对 图6 中的数据进行处理,得到反映预应力 承载结构支护作用大小曲线 图7 . Z 面 制 魁 窖 柱 辎 蛙 陋 擐 2 .O 锚杆长度l6 “ 一锚杆长度2O “ 锚杆长度24 m _ 一锚杆问距1 .O “ ‘无帮锚杆 。。一无顶锚杆 一无预紧力 2 4 68l O1 2 顶板垂向位移,c m 图7顶板岩层锚杆支护的作用 F i g .7S u p p o r t i n ga c t i o no fb o l ti nr o c ks t r a t u mo fr o o f 由图7 可见,围岩变形初期,主要承载能力来 自岩层自身的强度;在第一个承载峰值阶段,预应 力承载结构支护作用是在岩层产生显著变形后才 充分得到发挥;当岩层发生显著变形后 大于6 0 m m 即第二个承载峰值阶段,不同支护方式,在不 同时机、不同程度参与巷道支护,发挥不同的支护 效用.在模拟的几种不同支护方式中,随着锚杆长 度的增加对后期残余强度的提高幅度有所增加,而 且强化时机有延迟的趋势.顶板岩层由脆性破坏体 变为柔性支护体,它使得围岩变形较大时仍具有可 靠的承载能力,这一特性有利于保持顶板的稳定. 预应力锚杆支护体系可使锚固岩层形成较可 靠的预应力承载结构,约束深部岩体的位移和破 裂,提高锚固岩层的残余承载能力,它可以允许巷 道围岩有一定的变形,而支护结构不失效,既利于 高应力的释放又保持围岩的稳定,从而有效地控制 巷道围岩的变形. 3结 论 1 巷道覆岩外层关键岩梁对巷道内层围岩起 到屏蔽保护作用.外层关键岩梁的存在,使得巷道 跨度范围内垂向应力的传递发生阻断,上部岩层载 荷不能向关键岩梁下位岩层传递;关键岩梁对巷道 顶板岩层的水平应力具有骨架支撑作用,承担了开 挖引起的应力重分布中的大部分水平应力. 2 锚杆支护形成的内层预应力承载结构,具 有连续传递应力的效应应力匀化使垂向应力集中 减缓,应力转移使支撑压力峰值向煤壁深处转移. 预应力承载结构能够通过柔性变形实现对外层结 构的适应性让压,既允许巷道顶板有一定的变形 让压作用 ,又可在变形过程中保持较高支护阻力 高变形阻力 . 致谢本文得到中国矿业大学青年科研基金项目 2 0 0 7 A 0 0 6 的资助,特此感谢. 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高,缪协兴,许家林,等.岩层控制的关键层理 论[ M ] .徐州中国矿业大学出版社,2 0 0 0 . 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Z h A N GN o n g ,H O UC h a o - j i o n g ,Y A N GM H i a ,e t a 1 .L a wo fr o c ks t r e n g t hw e a k e n i n ga r o u n dr o a d w a y a n di t sa p p l i c a t i o n [ J ] .J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n g T e c h n o l o g y ,1 9 9 9 ,2 8 2 1 3 3 1 3 5 . 侯朝炯,郭励生,勾攀峰.煤巷锚杆支护[ M ] .徐州 中国矿业大学出版社,1 9 9 9 . Z H O UY e ,L I NG e ,G o N GF a - x i o n g ,e ta 1 .N u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fs t r u c t u r a ld e f o r m a t i o na n df l u i d f l o wi nX i a n g s h a nd e p o s i t [ J ] .J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ,2 0 0 6 ,1 6 4 4 0 4 4 0 8 . 上接第5 5 9 页 [ 7 ] [ 8 ] 周元福,王汝传,刘丽.基于0 b j e c t A R X 建筑构 件中圆管相贯算法研究与实现[ J ] .南京邮电学院学 报,2 0 0 4 ,2 4 3 7 0 一7 3 . 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