加固两帮控制深井巷道底鼓的机理研究.pdf

第 24 卷 第 5期 岩石力学与工程学报 Vol.24 No.5 2005 年3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March 2005 收稿日期2003–10–13修回日期2003–12–10 基金项目湖南省自然科学基金项目04JJ3113 作者简介王卫军1965–男1990 年毕业于贵州工学院采矿工程专业现任教授主要从事巷道围岩控制方面的研究工作E-mailwjwang 加固两帮控制深井巷道底鼓的机理研究 王卫军冯 涛 湖南科技大学 能源与安全工程学院湖南 湘潭 411201 摘要巷道围岩是由顶板底板两帮组成的复合结构体回采巷道两帮为软弱煤体直接影响到底板的稳定性 通过数值计算模拟了两帮煤体强度对底鼓的影响煤体强度越大底鼓量越小反之底鼓量越大因此提 出了加固两帮控制深井巷道底鼓的构想工程实践证明加固两帮可在一定程度上控制深井回采巷道底鼓 关键词采矿工程回采巷道底鼓加固两帮 中图分类号TD 353 文献标识码A 文章编号1000–6915200505–0808–04 STUDY ON MECHANISM OF REINFORCING SIDES TO CONTROL FLOOR HEAVE OF EXTRACTION OPENING WANG Wei-junFENG Tao College of Energy and Safety EngineeringHunan University of Science and TechnologyXiangtan 411201China AbstractThe surrounding rock of roadway is a compound structure consisted of rooffloor and sides. The sides of extraction opening are the weak coal masswhich affect the stability of floor directly. Numerical simulation for influence of the strength of side coal on the floor heave is carried outwhich shows that the higher the strength of sides coal isthe lower the degree of floor heave is. So the of reinforcing sides to control floor heave of extraction opening is proposed in this paper. A practical case proves that the floor heave of deep extraction opening can be controlled to a certain degree by reinforcing sides of roadway. key wordsmining engineeringextraction openingfloor heavereinforcing sides 1 引 言 底鼓是煤矿巷道中经常发生的动力现象长期 以来对底鼓的控制人们只注重对底板岩层的研 究和处理 忽略了处理其他部位对底鼓的控制作用 因此往往难以对底鼓进行有效控制实际上巷道 是由顶板底板两帮组成的复合结构体结构的 各部分在矿山压力作用下受力状态不同其围岩性 质也存在较大差异因而巷道顶底帮的稳定状 态存在明显的结构特征而回采巷道两帮为较软弱 的煤体直接影响到底板的稳定性[1 2]尤其是矿 井进入深部开采后 围岩应力升高底鼓更为强烈 在工程实践中发现高应力回采巷道的底鼓与帮鼓 往往同时发生而两帮支护强度大或本身强度较大 的煤层巷道底鼓量较小反之底鼓量较大因此 加固两帮对底鼓有较好的控制作用 2 回采巷道底鼓的基本规律 在工作面超前支承压力作用下回采巷道底板岩 层中一定深度存在 0 应变点和 0 位移点图 10 应 变点以上的岩层承受拉应变的作用而离层0 应变 点以下的岩层则受到压应变的作用0 位移点以上 万方数据 第 24卷 第 5期 王卫军等. 加固两帮控制深井巷道底鼓的机理研究 809 的岩层上升以下的岩层则下沉图 1两帮煤体产 生较大的塑性区煤体整体向巷道内移动同时产 生 二次水平应力 作用于巷道底板浅部已离层或 破碎的底板岩层从而产生强烈底鼓 图 1 底板岩层位移实测曲线 Fig.1 Observed displacement of floor strata 图 1 是距工作面距离为 25 m时某矿回采巷道 底板 05 m深度内垂直位移实测曲线 它表明 在 受到本工作面回采动压影响后底板围岩存在一个 垂直位移为 0 的 N0点 它是底板岩层鼓起和下沉的 分界点 N0点以上的围岩发生向上的位移 即底鼓 N0点以下的岩层发生向下的位移即下沉N 为 0 应变点其上为拉应变其下为压应变[3] 3 两帮煤体性质与底鼓关系的数值 模拟 以某矿井开采条件为例开采条件为采深 500 m左右煤层巷道尺寸为 3.5 m 3 m煤层顶 底板岩性如表 1 所示 表1 煤层及顶底板岩石力学性质 Tab.1 Mechanical property of surrounding rock 序号 岩层 厚度 /m 密度 /g cm3 单轴抗压强度 /MPa 弹性模量 /GPa 粘聚力 /MPa 内摩擦角 / 1 细砂岩 3.91 2.60 45.0 15.0 5.0 35 2 砂质泥岩 2.93 2.35 20.0 7.5 3.2 31 3 泥岩 2.15 2.30 18.9 6.5 2.5 30 4 煤层 3.50 1.60 12.5 1.4 1.3 22 5 泥岩 3.40 2.30 17.8 4.5 2.2 28 3.1 煤体强度对底鼓量的影响 从生产现场看到回采巷道两帮煤体的强度与 巷道底鼓成正增长关系两帮变形越大底鼓越强 烈两帮变形越小底鼓量越小煤体强度对底鼓 量影响的数值模拟结果如图 2 所示图中 2 个方案 只有煤层力学参数不同第 1 方案即矿井现有条 件软煤单轴抗压强度 12.5 MPa第 2 方案中 硬煤单轴抗压强度 25 MPa其他条件完全相同 从图 2 可知 在顶底板及其他条件均相同的条件下 软煤巷道底鼓量为 516.4 mm 大大高于中硬煤巷道 底鼓量 351.8 mm 图 2 煤层强度对底鼓量的影响 Fig.2 Relationship between coal strength and floor heave 3.2 巷道围岩塑性区分布 图 3 4 分别为中硬煤 软煤巷道围岩塑性区分 布的数值模拟结果 图 3 中硬煤巷道围岩塑性区分布 Fig.3 Plastic area of medium hard coal roadway 图 4 软煤巷道塑性区分布 Fig.4 Plastic area of soft coal roadway 从图 3 4 看出 软煤巷道围岩塑性区大于中硬 煤巷道尤其是两帮和底板软煤巷道底板 3 m深 的岩层和两帮 1.5 m 左右的煤体受到剪切破坏顶 0 100 200 300 400 500 600 1 2 3 4 5 6 7 8 底板岩层深度/m 底鼓量/mm 中硬煤 软煤 250 底鼓/mm 500 750 深度/m 4 3 下沉/mm 2 1 N N0 0 250 5 810 岩石力学与工程学报 2005 年 板中较大区域内岩体也被剪切破坏而中硬煤巷道 只有顶板中较小的区域内岩体受到剪切破坏 3.3 围岩水平位移分布 底板岩层水平位移是巷道底鼓的影响因素之 一不同的煤层强度围岩的水平位移不同如 图 5 所示图中的水平位移是距巷帮表面 1.5 m深 处的煤岩垂直截面上岩体的水平位移其中5 0 m为底板03.5 m为煤层3.57.5 m为顶板 岩层 图 5 煤层强度与两帮水平位移分布 Fig.5 Relationship between side horizontal displacement and coal strength 从图 5 中看到无论顶板两帮或底板软煤 巷道围岩的水平位移均大于中硬煤巷道软煤巷道 两帮最大位移为 595 mm中硬煤巷道为 232 mm 底板表面位移软煤巷道为 237 mm中硬煤巷道为 180 mm而距底板表面 1 m深处岩层软煤巷道水 平位移为 253 mm中硬煤巷道只有 21.4 mm 3.4 两帮煤体下底板岩层垂直位移分布 当两帮为强度较高的岩体时在支承压力的作 用下两帮岩体下的底板会产生下沉而当两帮岩 体强度较小或被破坏时底板岩层将在水平应力的 作用下产生向上的位移图 6 为中硬煤和软煤巷道 一定范围内底板的位移曲线 图 6 两帮煤体下底板垂直位移分布 Fig.6 Vertical displacement of floor strata under side coal mass 从图 6 可知由于两帮煤体的破坏在水平应 力的作用下回采巷道两帮煤体下一定范围内底板 发生向上的位移由于煤体的强度不同位移的大 小也不同向上鼓起的范围也不一样中硬煤巷道 煤体内 1.8 m 的底板向上鼓起最大位移量 61.4 mm软煤巷道煤体内 4.2 m的底板向上鼓起最大 位移量 120.9 mm不论位移量或鼓起范围中硬煤 巷道均远远小于软煤巷道 然而 文[4 5]认为 1 由于中硬煤的强度大 更容易产生压模效应而压入底板 造成底鼓 2 中 硬煤巷道两帮煤体内支承压力峰值大于软煤巷道 并且靠近巷道更易使底板产生塑性滑移因此两 帮强度较大的回采巷道更容易产生底鼓但事实证 明软煤巷道比中硬煤巷道更容易产生底鼓主要是 因为在支承压力作用下两帮被破坏相当于巷道 宽度加大即底板暴露的宽度加大中硬煤巷 道比软煤巷道底鼓量小主要是由于中硬煤巷道两帮 煤体强度较大在支承压力的作用下两帮破碎区和 塑性区较小底板暴露的宽度较小因而使 底板可承受较大的水平应力从而使底鼓量减小 而软煤巷道由于两帮破碎区和塑性区较大底板暴 露宽度较大在水平应力的作用下产生剪切破坏 或压曲从而底板水平位移增大底鼓量增大 从上述分析可知通过两帮加强支护可提高 两帮煤体的强度减少两帮塑性区范围从而起到 控制底鼓的作用 4 工程试验 山西王庄矿 14 采区为准备采区[4]回风上山采 用锚网支护两帮为 4根φ 20 mm L2 100 mm圆钢锚 杆顶板为 5 根φ 20 mm L2 400 mm螺纹钢锚杆 排距 800 mm采用φ 15.24 mm的小孔径预应力锚 索加强支护每排 1 根排距 2.4 m 开掘 6 个月严 60 20 20 60 100 140 1 2 3 4 5 6 7 8 9 距巷帮距离/m 垂直位移/mm 软煤 中硬煤 0 100300 500700 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 距巷道底板距离/m 水平位移/mm 中硬煤 软煤 万方数据 第 24卷 第 5期 王卫军等. 加固两帮控制深井巷道底鼓的机理研究 811 重底鼓 而在运输上山的掘进过程中 为控制底鼓 修改了支护方案由于巷道底板为软弱泥岩施工 非常困难因此施工方案的修改重点考虑两帮的 支护 两帮改为5根φ 20 mm L 2 400 mm螺纹钢锚杆 其中 1 根为底角锚杆并且对两帮和底角注浆注 浆深度 3.5 m顶板支护与回风上山相同支护方 案如图 78 所示两条巷道围岩控制效果如表 2 所示 图 7 回风上山支护方案 Fig.7 Supporting scheme of air rise 图 8 运输上山支护方案 Fig.8 Supporting scheme of transport rise 表2 围岩控制效果对比 Table 2 Comparison of results of surrounding rock control 底鼓量/mm 两帮移近量/mm 顶板下沉量/mm 巷道名称 3 个月 6 个月 3 个月 6 个月 3 个月 6 个月 回风下山 286 532 245 402 118 189 运输下山 52 102 38 119 78 116 从表 2 可以看出相同围岩条件的巷道两帮 支护强度不同底鼓量有较大的差别运输上山两 帮多布置 1 根锚杆同时加强底角支护其底鼓量 比回风上山大为减少可见加强巷帮支护的底鼓控 制效果 5 结 论 1 回采巷道两帮煤体的强度对巷道底鼓产生 重要影响煤体强度较大的回采巷道两帮破坏范围 较小 底板鼓起的范围随之减小 因而底鼓量较小 反之底鼓量较大 2 从工程试验中看到加固两帮可较大幅度 减少巷道底鼓巷道掘出 6 个月后运输上山的底鼓 量只有回风上山的 29.6 参考文献References [1] 王卫军. 回采巷道底鼓力学原理及控制技术研究[博士学位论 文][D]. 徐州中国矿业大学2002.Wang Weijun. 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Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 2002 2111 1 590–1 593.in Chinese 单位mm 单位mm 万方数据