回采巷道底鼓力学原理研究.pdf

文章编号 1003- 5923200304- 0024- 04 回采巷道底鼓力学原理研究 李怀伟1,程建平2,郭仁光3,张道福3 1. 宁夏煤业集团公司 石炭井指挥部通风处,宁夏 石嘴山750000; 2.兖州煤业股份有限公司 济宁三号煤矿,山东 邹县272169; 3.中兴能源股份有限公司 蒋庄煤矿,山东 滕州277519 摘 要分析了回采巷道底鼓的发生、 发展过程和影响因素,认为回采巷道的义鼓不仅与底板岩层的力学 特性有关,还与工作面超前支承压力、 顶板及上覆岩层变形、 两帮变形有关,是这些因素综合作用的结果。 关键词回采巷道;底鼓;支承压力;力学原理 中图分类号 TD824. 7 文献标识码 A 1 掘进对底板岩层的影响 降围压实验表明[1]岩石在不同应力状态下存 储不同的应变能。 应力状态改变时,应变能也必然 随之改变。 在降围压实验中,主动减少围压的同时, 最大主应力也被动减少。 降围压实验较真实地反映 了地下工程的开挖对岩体的影响。 据降围压实验, 只要原岩最大压应力大于围岩的单轴抗压强度,在 人工开挖降低围压过程中,岩石便会破碎。 回采巷道掘进时,若水平地应力大于垂直地应 力,则巷道的开挖对底板岩石来说,是降低了围压, 当水平应力超过底板岩石的单轴抗压强度时,底板 在开掘过程中即遭破坏;反之底板是稳定的。 当垂 直地应力超过水平地应力,巷道的开掘减少了最大 主应力。 此时,若水平地应力小于岩石单轴抗压强 度,底板则是稳定的,底板的变形属应变回弹。 从能量的角度分析,底板岩层处于三向应力状 态时,允许储存很大的应变能。 巷道开掘后,在周围 形成应力集中区,在应力集中区形成能量集聚。 当 围岩最小主应力降低,允许储存的能量随之降低。 如集聚的能量大于该点的极限储存能,多余的能量 将自动向深部转移,转移能量的区域产生塑性变形 或破裂;当围岩最大主应力降低时,集聚的能量小 于该点的极限储存能,因而,岩体是稳定的。 因此,巷道开掘后,底板岩层的破坏与否与岩 体本身的力学特性及应力状态有关,并不是巷道开 掘后底板岩层便立即遭到破坏。 2 超前支承压力对底鼓的影响 2. 1 超前支承压力对底板岩层抗弯刚度的影响 据文献[2],回采期间,工作面超前支承压力通 过两帮传递给底板,巷道底板一定深度的岩层出现 垂直拉伸应变,以下则为压应变。 而回采巷道的底 板岩层一般为层状岩体,其抗拉强度由层间的弱面 所控制,因而抗拉强度很小。 因此,巷道底板岩层将 在支承压力的作用下产生离层,同时大大降低了底 板岩层的抗弯刚度。 层状岩体受纵向应力作用如图1所示。 根据图1可分析层状岩体的抗弯刚度。 若将层 状岩体视为一个整体,厚度L,其纵向方向的弹性 模量以EL表示,岩体在宏观纵向应力 ΡL的作用 下,各分层岩石的纵向应变分别为[3] Εt1 Ρt1 E1 Ε t2 Ρt2 E2 Εti Ρti Ei Ε tn Ρtn En 图1 层状岩体受纵向应力作用示意图 收稿日期 2003- 05- 11 作者简介李怀伟1970- ,宁夏中卫人,工程师, 1992年毕业于西安矿业学院,现在宁夏煤业集团公司石炭井指挥部通风处工作。 42 2003.№4 矿山压力与顶板管理 式中 Ρt1、 Ρt2、 Ρti、 Ρtn各分层实际受到的应力; E1、E2、Ei、En各分层弹性模量; t1、t2、ti、tn各分层厚度。 在未受到支承压力的影响时,底板层状岩层各 分层岩石是紧密粘合在一起的,可将层状岩体视为 一个整体,厚度为L,其纵向方向的弹性模量以EL 表示。 于是可知底板层状岩体在宏观应力 ΡL的作 用下,具有以下应力和应变关系 Ρt1≠ Ρt2≠ ⋯ ≠ Ρti≠ ⋯ ≠ Ρtn Εt1Εt2⋯Εti⋯Εtn-ΕL 各分层岩石在纵向方向受到的应力之和应等 于层状岩体在该方向所受到的总压力,即 ΡLLΡt1t1Ρt2t2⋯Ρtiti⋯Ρtntn 岩体纵向总应变为 ΕL ΡL EL 将上式经计算整理得 ΕLELLΕt1E1t1Εt2E2t2⋯ ΕtiEiti⋯ΕtnEntn EL2 n i 1E i ti L 抗弯刚度D的计算式为 D E t3 121 -Λ 2 式中 t岩层厚度; Λ岩石泊松比。 则层状底板岩层的抗弯刚度为 D2 n i 1 EitiL 2 121 -Λ 2 当底板岩层在支承压力作用下离层后,底板岩 层不再是一个整体,则单个分层的抗弯刚度为 Di Eit3i 121 -Λ 2 显然,单个分层的抗弯刚度远远小于整个底板 岩层的抗弯刚度。 因此,回采期间底板岩层在水平 应力的作用下,更容易被压曲和破坏。 2. 2 底板岩层的压曲 工作面超前支承压力通过两帮传递给底板的 同时,对两帮煤体的应力和变形也产生重要的影 响。 在支承压力的作用下,形成新的水平应力,我们 称为 “二次水平应力” 。 二次水平应力对底板岩层的 作用过程相当于位移加载过程,使相对完整的底板 岩层产生压曲。 1层状岩体力学模型的建立 图2为回采巷道底板岩层的赋存状况,底鼓在 很大程度上取决于这些岩层t1、t2、 ⋯、tn的稳定性 与位移量。 由于巷道开掘、 工作面超前支承压力和 底板原生节理裂隙的影响,破坏了底板岩层的完整 性。 因此,可将底板简化由四周破坏的矩形板组合 而成。 在这种状态下,t1岩层的压曲计算模型如图3 所示图中,a、b分别为板的长和宽;px、 Αpx分别为 板所受压力。 2临界载荷的计算 薄板压曲微分方程为 D 4Ξ- Nx 5 2Ξ 5x 2 2Nxy 5 2Ξ 5y 2Ny 5 2Ξ 5y 2 0 式中 Nx、Ny分别为板中面内沿x、y方向的 内力; Nxy板中面内的剪力。 图2 底板岩层赋存状况图 图3 底板岩层四边断裂模型 如图3所示,板的中面内力为 Nx -px,Ny -Αpx,Nxy 0 将其代入薄板压曲微分方程得 D 4Ξ Px 5 2Ξ 5x 2Α5 2Ξ 5y 2 0 取挠度表达式为 Ξ2 ∞ m 1 2 ∞ n 1A m nD m 2 a2 n2 b2 2 - Px Π 2 m 2 a2 Αn 2 b2 sin mΠx a sin nΠx b 0 从而可得压曲条件为 Px Π 2D a2 m 2 n2 a2 b2 2 m 2 Αn2 a2 b2 52矿山压力与顶板管理 2003.№4 由上式可知,当m、n增大时,Px增大,所以求 临界载荷时,应取mn 1,则上式简化为 Px Π 2D a2 1 a2 b2 2 1 Αa 2 b2 式中 D E t31 121-Λ 2为底板弯曲刚度。 设abΚ,上式进一步改写成为 Px Π 2E t3 1 Κ 22 12a2 1 - Λ 2 1 Α Κ 2 所以,底板岩层的压曲临界载荷取决于底板分 层厚度t、 弹模E、 长宽比 Κ 。 底板分层厚度t、 弹模E 越大,临界载荷越大。 当二次水平应力满足上式时,底板就产生压 曲,如二次水平应力进一步增大,达到底板岩层的 屈服极限时,底板将产生折曲。 3 煤帮位移对底鼓的影响 3. 1 煤帮位移的估算[4] 在支承压力作用下,巷道应力极限平衡区内的 煤体各点均处于塑性软化状态,体积应变为0。 所以 认为顶板下沉时将煤体挤入巷道。 从巷道横截面 看,挤入巷道的面积应等于顶板下沉煤体减少的面 积S。 S∫ x0 0 Λydx 式中 Λy为顶板下沉量,m。 根据文献[5], ΛyM e 2x0tgΩ0 M A -e 2xtgΩ0 M A e 2x0tgΩ0 M A -1 Ε0-Εc Εc 式中 M为煤层厚度,m; A侧压系数; x0巷旁极限平衡区的宽度,m; Ω0煤层内摩擦角 , ; Ε0煤体残余强度对应的应变; Εc煤体极限强度对应的应变。 SM x0 1 -e - 2x0tgΩ0 M A - M A 2tgΩ0 Ε0-Εc M x0Εc 则煤帮向巷道内平均移近量为 Λx S M′ 式中 M′M 1- Ε0 因此, Λx Ε0-Εc 1 -Ε0 x0 1 -e - 2x0tgΩ0 M A - M A 2tgΩ0 x0Εc 1 -Ε0 3. 2 底板岩层折曲位移的估算 从现场看到,回采巷道的底鼓量一般以巷道中 部最大,因此,可假设底板岩层的折曲发生在巷道 的中部。 根据这一情况,可以图4估计底板岩层的折 曲位移。 图4 底板岩层折曲模型 则底板岩层折曲位移为 Λz[bΛx1Λx2-2Λx1Λx2 - Λ 2 x1Λ 2 x2] 1 2 式中 Λz底板岩层折曲位移,m; Λx1、 Λx2巷道两帮的水平位移,m; b巷道宽度 ,m 。 4 回采巷道底鼓过程及力学原理 根据上述分析和计算,可得回采巷道底鼓的力 学原理如下 巷道掘进期间根据巷道底板岩层的应力状况 水平应力与垂直应力分布和岩层本身的力学特 性,巷道的开掘对底板岩层的影响程度是不同的。 当水平应力较大且超过岩石的单轴极限抗压强度 时,巷道开掘后底板岩层将遭破坏。 当垂直应力较 大,水平应力较小时,巷道的掘进一般只使底板岩 层发生应变回弹而不被破坏。 掘进稳定期间不管底板岩层被破坏还是应变 回弹,均不是在瞬间发生的,一般需要一段时间,几 天到十几天不等。 这一过程完成后,巷道底板和围 岩的变形便进入相对稳定阶段。 这一阶段,发生应 变回弹的底板岩层变形趋近于0。 而破裂的底板岩 层将继续峰后蠕变,底板将继续向上移动,但速度 很小,底板及整个巷道围岩基本处于稳定状态。 回采期间由于超前支承压力的作用,巷道底 板岩层的两侧作用有较大的剪应力,底板一定深度 的岩层承受拉应变的作用,以下则为压应变。 受拉 岩层的深度与支承压力的大小及巷道的宽度有关, 支承压力越大,受拉岩层的深度越大。 由于底板岩层一般为层状岩体,而层状岩体的 横向抗拉强度受层理等弱面控制,抗拉强度很小。 因此,在拉应变的作用下岩层极易被破坏,底板岩 62 2003.№4 矿山压力与顶板管理 层在拉应变作用下主要破坏形式是离层。 底板岩层离层后,抗弯刚度大大降低,同时,在 支承压力的作用下,巷道两帮岩层被压缩下沉,并 向巷道内移动,形成二次水平应力。 在二次水平应 力的作用下底板岩层发生压曲破坏,产生底鼓。 破 碎底板岩层在二次水平应力的作用下,发生折曲并 沿原生节理或新生破裂面滑动而产生剪胀变形,底 板岩层向巷道内臌出。 回采巷道底鼓主要来自二次水平应力的作用, 与两帮移近量密切相关,而两帮移近量又决定于两 帮压缩量,此压缩量不但与煤层本身的力学性质有 关,且决定于上覆岩层的力学特性。 老顶和直接顶 的弹性模量越大,巷道两帮支承压力越大,极限平 衡区越宽,两帮煤体向巷道内的移进量越大,底鼓 越剧烈,反之,底鼓量越小;煤层的强度越大,顶板 下沉量越小,两帮煤体向巷道内的移进量越小,底 鼓量越小。 综上所述,掘进及掘后稳定期间回采巷道底板 浅部岩层发生向上的位移,但位移速度很小,较深 部岩层则基本没有位移。 回采期间,在支承压力的 作用下,底板岩层受力是回采期间2～3倍,巷道底 板浅部岩层受到拉应变的作用被破坏,由于两帮 的挤压而向巷道内鼓起;而较深部岩层受到压缩而 发生向下位移,这是回采巷道底鼓过程与一般软岩 巷道的显著差别。 参考文献 [ 1] 华安增,孔圆波,李世平.岩块降压破碎的能量分析 [J ].煤炭学报, 1995, 204 389- 392. [2] 康红普.软岩巷道底鼓的机理及防治[M ].北京煤炭 工业出版社, 1993. [3] 谭学术,鲜学福,郑道访,等.复合岩体力学理论及其 应用[M ].北京煤炭工业出版社, 1994. [ 4] 马念杰,侯朝炯.采准巷道矿压理论及应用[M ].北 京煤炭工业出版社, 1995. 上接第21页 2围岩性质不同,保持巷道稳定所需垂距有 区别。 两巷测站G2、Y1,围岩是S9砂岩,垂距11 m , 巷道即保持稳定;而轨巷测站G4围岩是砂岩,垂距 29 m ,减少了采动影响,巷道才保持基本稳定。 当 巷道围岩属 及以下类型,垂距又偏小时,如测站 G1、Y2、Y4及G3、Y3的两帮与底板,均受到了移动支 承压力严重影响,变形较大,巷道难以保持稳定。 3. 3 巷道锚网喷支护适应性分析 监测发现[4],锚网喷支护巷道围岩移近30～50 mm ,喷层发生明显裂缝;超过100 mm 左右,喷层 出现开裂剥落;超过200 mm左右,喷层大面积剥 落,锚杆失效,围岩会发生离层松动。 1两巷基本稳定的测站G2、G4、Y1,仅喷层 局部发生裂缝或少量开裂剥落,但不影响安全生 产,表明采用的锚网喷支护适宜。 2稳定性较差的测站G3、Y3,巷道顶板保持 完好,但两帮喷层较大片落、 底臌较严重,后采用拉 底处理,架矿工钢棚维修。 反映出巷道两帮支护强 度偏低,特别是底板未支护处是薄弱部位。 3失稳的测站G1、Y2、Y4,巷道片帮、 掉顶尤 其是底臌非常严重,危及安全生产,后采用扩帮、 拉 底,架U型钢棚维修。 反映出锚网喷支护抗力严重 偏低,不能抵抗强大移动支承压力影响。 4 结论 1影响跨采巷道稳定的主要因素是围岩性 质,因此岩巷布置应尽量选择属˚ 类围岩的S9砂 岩,既缩小垂距,减少开拓工程量,又能降低支护及 维护费用。 2应针对跨采巷道不同围岩条件,合理选择 锚喷支护参数。 当围岩属 类以下类型,垂距又偏 小时,会受移动支承压力严重影响,常规锚网喷支 护无法保证巷道稳定,应提高巷道支护强度及适应 变形能力,工程应采用全封闭支护,以减少底臌。 3受跨采影响时,巷道围岩变形一般两帮小 于顶底板,顶底板变形以底臌为主。 4跨采影响巷道需要加强支护时,应在受移 动支承压力影响之前完成;加强方法除常用的U 型钢支架外,建议选择补打锚杆或补喷等主动加固 方式。 参考文献 [1] 钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制[M ].北京煤炭工业出 版社, 1991. [2] 王焕文,王继良.锚喷支护[M ].北京煤炭工业出版社, 1989. [3] 陆士良.岩巷的矿压显现与合理位置[M ].北京煤炭工业出 版社, 1984. [4] 陆士良,汤雷.提高锚固力扩大锚杆应用范围[J ].矿山压力 与顶板管理, 1996, 增刊 95- 100. 72矿山压力与顶板管理 2003.№4