回采巷道过断层顶板破坏特征研究.pdf

2 0 0 9 年4月 矿 业安 全 与 环 保 第 3 6 卷第2 期 回采巷道过断层顶板破坏特征研究 晁建伟 ， 余 同勇 ， 韦四江 1 ． 煤炭科 学研 究总院重庆研究院 ， 重庆 4 0 0 0 3 7 ； 2 ． 河南理工大学 ， 河南 焦作 4 5 4 0 0 3 摘要 通过相似材料模拟试验， 建立平面应力模型， 分析研 究直接穿越 断层时断层下盘巷道各 点 超前应力峰值点分布规律和断层上盘超前应力分布特征。试验表明 在断层上盘和下盘都存在 一个最 大超前应力峰值点； 其顶板各点超前应力峰值点变化规律为下盘巷道各点最大超前应力峰值 点先 由开 挖端逐渐增大， 在靠近断层处达到最大值 ， 然后再减小， 直至断层破碎带； 随着远离断层面， 其超前应力 先增大， 再急剧减小， 然后缓慢减小到正常掘进状态。 关键词 回采巷道； 断层； 应力分布； 模拟试验 中图分类号 T D 3 1 l 文献标志码 A 文章编号 i 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 0 9 0 2 0 0 1 3 0 3 在矿井生产过程中， 断层的存在导致初始应力 场的扰动， 局部产生附加应力， 在掘进和采动影响下 断层易于发生“ 活化” ， 从 而可改变顶板垮落的一般 规律 。 。 。目前在回采巷道 中对生产影响最大的是 落差为 3～ 6 m的中小断层构造 。最常用的过断层 方法是后退挑顶 、 后退挖底或直接过断层后再挑顶 等 ， 但其在支护形式上却不能完全满足现场需要。 为解决过断层回采巷道的支护问题 ， 必须 了解 过断层回采巷道顶板应力分布特征。在此 ， 通过相 似材料模拟试验 ， 观测直接穿越断层 的巷道顶板应 力分 布规律及顶板变形特征， 为解决过断层巷道顶 板支护提供理论的切人点。 1 模型试验的地质条件 以某矿过逆断层 回采平巷为模拟对象， 断层落 差为4 ． 5 m， 倾角为 6 0 。 ， 从断层下盘沿顶开挖巷道 ， 其埋深 5 4 8 11 1 ， 煤层厚 3 ． 9 m， 巷道断面为梯形 ， 上宽 3 ． 1 IT I ， 下宽 4 ． 4 3 n 1 ， 高 2 ． 5 5 m。直接顶 为砂 质泥 岩 2 ， 厚 3 ． 7 m， 普 氏系数 ， 。 7 ． 6 。老顶为 中粒 砂 岩 2 ， 以石英为主， 暗黑色矿物次之 ， 具斜层理 ， 钙质 胶结 ， 厚 7 n ， 普 氏系数 厂7 ． 8 。直接底 为砂质泥 岩 2 ， 厚 5 1 T I 。老底为中粒砂岩 2 ， 厚 5 1 T I 。 2 模 型设计 模拟试验采用平 面应力模型 ， 针对相似模型试 验的特点和生产地质条件， 选用几何相似常数 a 收稿 日期 “ 2 0 0 8 0 3 2 0 ； 2 0 0 8 1 2 2 6修订 作者简介- 晁建伟 1 9 r 7 8 一 ， 男， 河南临颍人， 硕士， 从事 矿山压力及 其控 制和 煤矿 瓦斯 灾害 防治 技 术 的研 究工 作。 Em a i l c j w 7 8 6 6 1 6 3 ． e o m。 1 ／ 3 0 ， 密度相似常数 a 0 ． 6 3 ， 则时间相似常数 a ， 0 ． 1 8 3 ， 强度相似 常数为 a 0 ． 0 2 1 ， 外力相似 常数 2 ． 3 3 1 0 ～。模型尺寸确定为 2 ． 5 m0 ． 2 IT I X 1 ． 4 IT I 长 X宽 高 ， 相 当于 实体 原型 的 7 5 m 6 1 1 1 X 4 2 m。 试验以砂子为集料 ， 用石膏 、 水泥为胶结 材料 ， 以硼砂作缓凝剂 ， 通 过调整相似材料配 比试 验 ， 得到所需的材料配比 』 ， 见表 1 。 表 1 模型相似材料配比 断层 面 的模 拟采 用夹 两层 四氟 乙烯 板 共厚 0 ． 6 l T I m 的方法实现， 模型顶部用液压系统加载。 3 模型观测 3 ． 1 应 力分 布观测 应力观测采用 Y J W一1 6数字静态电阻应变仪和 D Y B一1 型电阻应变式土压力计传感器观测系统； 传 感器分别布置在模拟巷道距底板下方 3 c m处 ， 其间 距为 2～2 0 c m， 另布置少量顶板传感器以验证底板 数据。 3 ． 2 几何变 形观测 为了测定巷道 的支护效果， 应对巷道顶底板变 】 3 2 0 0 9 年 4 月 矿 业安 全 与 环 保 第3 6 卷第 2 期 形量进行观测。共在断层下盘布置 4个测站 ， 分别 为测站 1 、 测站 2 、 测站 3和测站 4 ， 其与模型架掘进 端一侧距离分别为 7 1 ． 2 ， 8 1 ． 6 ， 9 2 ． 0 ， 1 0 2 ． 4 c n 3 。每个 观测站设 2个测点， 每个测点位置 固定 ， 按每 1 h观 测1 次。 观测时在巷道垂直位置 的顶 底板设 2个测 点 ， 每次测量用圆规的 2 个头顶住巷道顶底板 ， 再用 游标卡尺测量圆规头距离。 4 锚杆选择及模型采掘 锚杆选择根据文献[ 6 ] ， 选用 1 5 A保 险丝模拟。 为保证锚杆拉拔力相似 ， 试验通过做 相似模块 ， 在模 块上打孔 、 安装锚杆 ， 再进行弹簧拉拔试验。当锚固 剂选用乳胶“ 哥俩好” 时， 其拉拔力为 1 ． 9 N， 换算成 原型力为 8 1 5 4 5 N， 正常情况下 生产现场锚杆 拉拔 力为7 0～1 0 0 k N， 能满足要求。因此 ， 在满足相似 比 的前提下其支护参数 锚杆长为 7 e m， 锚杆排距 为 2 ． 3 e m， 锚杆问距为 3 a m， 每小时掘进 5 ． 2 e m。 模型的采掘从 距模型架 下盘一 侧 4 0 e m处 开 始， 沿水平掘进至断层处 ， 过断层后再沿顶板 以 1 5 。 挑顶起坡掘进至上盘煤层 ； 再沿煤层顶板水平掘进。 5 模拟试验 结果分 析 5 ． 1 过断层前下盘巷道 各点超前应力峰值点应力 集 中分析 试验严格按照比例进行 ， 每小时掘进 5 ． 2 e lT I ， 根 据每个传感器标定方程求出垂直巷道应力 ， 并换算 成应力集中系数 ， 其处理结果见图 1 。 4 ； 斗2 z 距 断 层 距 离／ m 图 1 巷道 各点 超前 应力 峰值点应 力集 中系数变 化曲线 图 由图 1口 ] 知 1 断层下盘巷道各点超前应力峰值点应力集 中系数变化整体趋势为先增大后减小。具体变化过 程为在断层下盘随着 巷道 的掘进 ， 应力集 中系数逐 渐增大， 至顶板发生破坏 ， 随着最大应力的转移 ， 应 力集 中系数又逐渐减小。 2 巷道顶板最大应力集 中在 3 ． 6 m， 最 大应 力 集 中系数为 3 ． 6 2 4 ； 最小应力集 中在距 断层 1 4 ． 7 m 处。可 知 ， 过 逆断 层 巷道最 大 应力 点应在 距 断层 3 ． 6 左右， 同时能推出过逆断层下盘巷道最大应力 1 4 点 即失稳点 的存在 。 3 从 曲线斜率可 以推知整个模拟过程 中应力 转化规律 当巷道初始掘进时 ， 受掘进影响和应力转 移 ， 其值逐渐增大 ， 变化速率开始为每米 0 ． 0 9 6个应 力集中系数 ， 之后随着 向前掘进逐渐变化速率增为 每米 0 ． 1 7 5 个应力集 中系数 ， 随着断层影响的加剧其 速率增大到每米 0 ． 2 6 1 个应力集中系数 ， 当达到最大应 力后， 随着应力向前后的转移 ， 引起巷道顶板破坏， 变化 速率逐渐减小到每米 0 ． 1 2 5 个应力集中系数。 5 ． 2 过断层前上盘超前应力分析 在巷道过断层前下盘掘进时 ， 必然发生应力 的 转移 ， 由于断层弱面的存在和掘进 的影响， 断层上盘 的垂直应力会在挤压作用下在断层下盘产生较大的 超前应力集 中， 同时上盘应力将发生变化。其上盘 超前应力集 中系数变化见图 2 。 一 1 ．O 0 5 l 0 1 5 2 O 2 5 距 断层 距 离／ m 图2 超前应力集中系数变化曲线 由 图 2可 以推知 1 在巷道未穿过断层前 ， 靠近断层至超前应力 峰值点处于塑性状态 ， 其位置大致离断层 3 I n ； 在此 期间 ， 岩体在断层面和掘进影响下 ， 应力集中系数增 大 ， 并逐渐 由单 向受力状态 向两向甚至三向受 力状 态过渡， 直至达到超前应力峰值点 ， 使煤体处于塑性 状 态 中。 2 从超前应力 峰值 点处 沿巷道方 向深入煤体 深部 ， 岩体逐渐过渡到原岩应力状态 ， 此 区域岩体处 于弹性状态。在此区域超前应力逐渐减小直至达到 原岩应力状 态； 其区域大致 为 2 1 1T I 左右 ， 可见断层 的存在对上盘影响范 围之大。 3 从超前应力峰值 点数值可以看 出， 由于断层 的存在造成其超前应力集中系数达到 3 ． 0 9 8 ， 正常掘 进超前应力点大致为 1 ． 6 6 4 ， 由于断层破碎带处其应 力集中较小 ， 因此可推知 ， 在断层上盘必然也存在最 大应力集中点。 5 ． 3 过 断层 前下 盘巷 道顶 板移 近 量分 析 由于实验支护采用的是锚杆支护， 而锚杆支护 是一种具有隐蔽性的支护方 式 ， 为 了观测其支护效 果 ， 提 出合理的支护方案 ， 有必要对其实验巷道进行 观测 。对于该次研究 ， 主要考虑其顶板垂直应力， 因 2 0 0 9 年4月 矿 业 安 全 与环 保 第3 6 卷第 2 期 此监测的内容为顶板下沉量。 根据实验现场观测及整理 ， 观测期间巷道顶板 各测点表面收 敛 曲线 见 图 3 ， 其特 征数据 汇总 见 表 2 ～ 表 2 各测站收敛特征数据表 窨 督 掘进头距 断层距 离／ m 图3 巷道各测站顶板位移变化曲线图 由监测结果及图 3可知 1 该次实验锚杆支护不能有效控制顶板变形。顶 板最大变形量达 5 6 C I T I ． 最小 为 2 9 e m； 平均移近 速度最 大为 7 ． 0 7 c m ／ m i n ； 平均最大移近速度为l 2 ． 9 9 c m ／ m i n 。 2 从曲线移近速度来看 ， 在巷道掘进到断层处 4 ． 8 6 m时其变化速率达到最大 ， 此点为应力突变点 ， 这时巷道所受应力急剧增加 ， 容易发生 冒顶 ， 断层掘 进进人危险区。 6 结论 1 过断层巷道顶板超前应力峰值点分布规律 随着巷道向断层掘进， 巷道各点超前应力峰值点逐 渐增大， 在靠近断层附近达到最大值 ， 在断层处达到 最小值 ； 穿越断层后 ， 其超前应力峰值点又逐渐增大 到最大值 ， 然后再逐渐减小到正常开挖状态。 2 在掘进过程 中断层上盘和下盘都存在一个 最大应力点 ， 即断层面失稳点； 失稳点的出现为解决 过断层巷道顶板支护理论分析提供 了思路 。 参考文献 [ 1 ]宋卫东 ， 赵增 山， 王浩． 断层破碎带与 采准 巷道 围岩作用 机理模拟研究[ J ] ． 金属矿山， 2 0 0 4 2 1 1 一l 3 ． [ 2 ]孙启 生． 浅谈 断层对巷道掘进 的影响及 对策[ J ] ． 煤 炭技 术， 2 0 0 3 ， 2 2 1 2 3 8 ． [ 3 ]王玉珏 ， 王元 明． 断 层破 碎带 的围岩应 力对巷道 的影 响 与控制 [ J ] ． 煤炭科技 ， 1 9 9 9 2 3 5 3 7 ． [ 4 ]孙玉宁． 周建荣， 韩春晓， 等 ． 回采巷道顶板事故浅 析[ J ] ． 矿山压 力与顶板管理 ， 2 0 0 5 ， 2 2 1 3 6 3 8 ． [ 5 ]李鸿 昌． 矿山压 力的相似模 拟试验[ M ． 伶州 中国矿 业 大学出版社 ． 1 9 8 7 ． [ 6 ]勾攀 峰． 巷道 锚杆 支护提 高 围岩 强度和 稳 定性 的研 究 [ D] ． 徐州 t 中国矿业大学， 1 9 9 8 ． 责任编辑 卫蓉 上接 第 1 2页 从表 1 可以看出， 3 个通风系统方案的供风量均 能满足设计要求 ， 但方案一的通风效果最优 ， 且从根 本上解决了工作面风量不足 、 分风困难 、 通风构筑物 的位置设置等实际问题。 6 结语 以 V B为开发工具 ， 以 S o 1 i d wo r k S 为图形平 台， 以 F O R T R A N程序为支持， 以 S Q L S e r v e r 为后台数据 库 ， 开发了一套矿井通用 的通风系统仿真与优化软 件， 实现了矿井通风网络的信息管理 、 通风系统方案 优化、 通风网络三维仿真等功能。系统界面友好， 操 作方便， 已在国内多个金属矿山应用 ， 为矿山企业提 供了安全技术支撑和现代化通风管理手段 。该系统 对提高矿山的通风管理水平和生产效率 ， 促进矿井 的安全生产等具有重要的意义， 有 良好的实用价值 和推广应用前景。 参考文献 [ 1 ]林建广 ， 赵恩 平， 蒋 伸安 ， 等． 矿井通风 网络 图绘制 与解 算一体化系统的研制[ J ] ． 矿业工程 ， 2 0 0 6 6 5 6 5 8 ． [ 2 ]沈 凄， 王海宁， 黄国平． 基于 S o l id Wo r k s的矿井通风系统 三维仿真模 型[ J ] ． 矿业安全 与环保， 2 0 0 7 6 4 0 4 2 ． [ 3 ] 美 S o l i d Wo r k s公司． S o l i d Wo r k s A P I二次开发[ M] ． 生信 实维公司， 编译 ． 北京 机槭工业出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ]王海宁， 吴超． 矿井通风网络优化软件及其应用[ J ] ． 金属 矿 山， 2 0 0 4 7 6 2 6 4 ． 责任编辑 吴 自立 l 5