煤巷底鼓破坏特征及支护技术研究.pdf

工矿自动化 In d ustryan d Min eAutomation 第45卷第6期 2019年6月 Vol. 45 No. 6 Jun 92019 文章编号1671-251X201906-0073-08DOI10. 13272/j. issn . 1671251x. 2018120025 煤巷底鼓破坏特征及支护技术研究 张宇旭王科2 1.湖北理工学院 学工部湖北 黄石 435003； 2.中国矿业大学 矿业工程学院％江苏 徐州221116 扫码移动阅读 摘要针对煤层巷道底鼓破坏问题，以某矿53082巷为研究对象，采用UDEC离散元模拟软件对该巷道 掘进期间的围岩应力状态、位移分布及破坏模式进行了分析研究，结果表明在较大的水平构造应力下 53082巷底板软弱煤层成为应力释放的主要区域，破坏特征主要表现为浅部拉伸破坏和深部的剪切破坏％ 针对53082巷原有支护方案无法控制底板位移，造成底鼓比较严重的问题，通过对不同底板支护方案进行支 护效果模拟分析，提出了底板注浆与锚杆锚索联合支护方式，试验结果表明底板注浆与锚杆锚索联合支护 方式优于单一的锚杆锚索支护方式，大大改善了底板应力状态，抑制了底板深部的剪切破坏，顶底板位移量 控制在150 mm以内，两帮位移量控制在60 mm以内，巷道围岩的控制效果较好 关键词沿空留巷；巷道底板；底；变形；拉伸破坏；剪切破坏；巷道支护；UDEC数值模拟 中图分类号TD327 文献标志码A Researc hon failurec harac teristic soffloorheav ean d supporttec hn ologyin c oalroad way ZHANG Yuxu1, WANG Ke2 1. Stud en ts Affairs Div ision , Hubii Polytec hn ic Un iv ersity, Huan gshi 435003 , Chin a ; 2.Sc hoolofMin es,Chin aUn iv ersityofMin in gan d Tec hn ology,Xuz hou221116,Chin a AbstractIn v iew of problem of floor heav e failure in c oal seam road way, takin g 53082 road way of a min e as the researc h objec t, the stress state, d isplac emen t d istribution an d failure ofsurroun d in g roc kd urin gtheroad way exc av ation were an alyzed an d stud ied by UDEC d isc rete elemen tsimulation software. The results show that un d er relativ ely large horizon tal tec ton ic stress, the weakc oalseam of road wayfloor53082 bec omesthe main area ofstressrelease,an d the main failurec harac teristic sare shalowten silefailurean d d eepshearfailure.In v iew ofproblem thattheorigin alsupportsc hemeof road way53082c an n otc on trolthefloord isplac emen tan d c ausesseriousfloorheav e,ac ombin ed support mod eoffloorgroutin gan d an c horboltan d c ablewasputforward throughsimulation an alysisofsupport efec tofd iferen tfloorsupportsc hemes.Thetestresultsshowthatthec ombin ed supportmod eoffloor groutin gan d an c horboltan d c ableissuperiortothesin glesupport mod eofan c horboltan d c able,an d greatlyimprov esstressstateoffloor,an d restrain stheshearfailureofd eepfloor,thed isplac emen tofroof an d floorisc on troled within 150 mm,thed isplac emen toftwosid esisc on troled within 60 mm,an d the c on trolefec tofsurroun d in groc kofroad wayisbeter. Key words gob-sid e en try retain in g ； road way floor; floor heav e; d eation ； ten sile failure; shear failure]road waysupport]UDECn umeric alsimulation 收稿日期收稿日期018-12-12；修回日期修回日期019-0425；责任编辑张强责任编辑张强。 基金项目基金项目湖北省教育厅科研计划项目B2016275；湖北理工学院科研项目14xjz02A。 作者简介作者简介张宇旭1979 ,男，湖北黄梅人，副教授，硕士，现主要从事土木工程方面的教学与研究工作,E-mail543913570qq. c om。 引用格式引用格式张宇旭，王科煤巷底鼓破坏特征及支护技术研究工矿自动化，2019,4567379. ZHANG Yuxu, WANG Ke. Researc h on failure c harac teristic s of floor heav e an d support tec hn ology in c oal road way[J. In d ustry an d Min eAutomation201945673-79. ・74・ 工矿自动化 2019年第45卷 0引言 巷道作为井下煤矿开采的血脉，承担着运输、行 人、通风等重要作用，良好的巷道是保证工作面安全 生产的重要条件。如果巷道出现严重的大变形，则 会影响矿井的安全生产乃至威胁人身安全。巷道底 鼓是煤矿巷道中常见的大变形动力破坏之一，因其 破坏机理复杂、影响因素较多，有效控制和预防巷道 底鼓难度较大M o 关于巷道底鼓破坏原因及支护技术的研究，国 内研究学者取得了较多的研究成果。姜耀东等⑷对 常见的底鼓类型进行了分类，并提出了影响底鼓的 主要因素，但没有对底鼓破坏模式及范围进行进一 步的研究。邓博团等囚认为水对膨胀性底鼓影响较 大，通过施工下扎锚杆和底板防水可有效降低底鼓， 该控制措施主要适用于遇水膨胀性底鼓，但对于应 力型底鼓控制效果不好。柏建彪等「6）研究了巷道在 采动应力影响下的底板变形破坏机制，将底板破坏 区域沿深度变化划分为“两点三区.并从应力控制 角度提出了巷道布置优化方案，但对于已经完成布 置的工作面难以通过优化方案来解决巷道底鼓问 题。康红普⑺研究了侧压系数、围岩性质对巷道底 的影响， 但 对 支 方 对底 的 控制 作 进行分析。何满潮等囚研究了巷帮、顶板及底板变 形的相互作用关系，认为通过提高巷帮关键部位支 护强度可有效控制底鼓，但对于巷帮和顶板变形不 大、底鼓强烈的巷道适用性不强。王卫军等「9「10）研 究了两帮变形对底鼓的作用，认为两帮收缩会促使 底 ， 帮支 控制底 ， 控制技 术主要适用于因巷帮收缩导致底板隆起的底鼓类 型，而对于应力型底鼓效果不佳。上述研究成果为 解决底鼓问题提供了多种控制方案，但仍存在以下 不足①巷道底鼓的研究主要集中在遇水膨胀性底 鼓和巷帮收缩隆起性底鼓上，而对应力型底鼓研究 较少。②采用FLAC分析底鼓破坏机理时，主要从 应力、变形角度，缺乏从底板裂隙破坏角度的研究 针对以上问题，本文以某煤矿沿空留巷为例，采用 UDEC离散元模拟软件对巷道围岩底鼓破坏特征 及支护方案进行数值模拟研究，对巷道掘进期间的 围岩应力状态、位移分布及破坏模式进行了分析，以 期为同类巷道的围岩支护提供借鉴。 1 工程概况 某矿是隶属于山西晋城煤业集团的一座现代化 矿井，井田位于沁水煤田南端，晋城市西北20 km 处，跨泽州和沁水两县。目前该矿井实际生产能力 为6. 0Mt/a,井下地质条件中等复杂。该矿5308 工作面巷道平面布置如图1所示。5308工作面为 五盘区大采高接替工作面，工作面长度为221 m,推 进长度为2 748. 1 mo 53082巷既为相邻5306综放 工作面的副巷，将来又为5308工作面服务，属于沿 空留巷 53082巷沿煤层顶板掘进，巷道断面均为 矩形。 图1 5308工作面巷道平面布置 Fig. 1 Road way layout d iagram of 5308 workin g fac e 5308工作面开采3号煤层，煤层平均厚度为 6.07 m,平均倾角为5,平均埋深为472 m。煤层直 接顶为泥岩，单轴抗压强度为35. 9〜65. 8 MPa,平 均厚度为2. 89 m；基本顶为中粒砂岩，成分以石英、 长石为主，含泥质条带，单轴抗压强度为79. 9〜 91.2 MPa,平均厚度为4. 8 m；直接底和基本底均 质 岩 单轴 36 7 MPa 总厚度为5. 83 m。煤层顶底板岩性见表1 , 表1煤层顶底板岩性 5306工作面 5211 巷 53082 巷 1 1 1 1 11 11 11 11 1 H K 53083 巷 卵 口 D 5308 X作面 为 二 g 5310 X作面 Table 1Lithologyofc oalroofan d floor 岩层名称埋深/m 层厚/ m 岩性描述 灰黑色薄层状，上部含泥质较 砂质泥岩458.5012. 20多，下部含砂质较多，含大量植 物化石 中粒砂岩 463 30 4. 80 浅灰色，中厚层状，成分以石英、 长石为主，含泥质条带，岩芯完整 砂质泥岩 466 192.89 灰黑色，薄层状，含大量植物化 石，岩芯完整，不坚硬 3号煤 472 26 6. 07 黑色，条带状结构，似金属光泽， 芯 灰黑色，中厚层状，含植物化石， 质岩 478 09 5.83 质较 岩 状 部 薄 岩 岩480.992. 90 灰黑色，薄层状，风化易碎，局部 含钙质结构，见细小方解石脉 质岩494.40 13.42 灰黑色，中厚层状，含植物化石， 易碎 53082巷在掘进过程中产生了明显底鼓现象, 巷道全长底板均有不同程度的底鼓，局部最严重处 位移量达到1 200 mm左右；帮部围岩变形相对底 板情况较好，局部最大两帮位移量达到500 mm。 2019年第6期张宇旭等煤巷底鼓破坏特征及支护技术研究・75・ 因此，该煤层巷道大变形破坏已经严重影响了巷道 的正 安 ，深 53082 程中底鼓的 机理对于提出合理的支护方案、保 证 期限内的安全具有重要意义。 2底鼓破坏底鼓破坏特征的数值模拟征的数值模拟 为进一步研究53082巷掘进过程中围岩的底鼓 破坏机制, 元 UDEC 值 Z 研究。 2. 1 数值模型的构建 元概念中，将研究对象视为许多较小块 体的集合体，这些 刚 通过定 之间的力学接触 集 合体的受力、运动 程。 UDEC三角 岩石破裂相较于随 机多边形（Voron oi）块体具有明显的优势（1「12）。本 文中，首先基于UDEC中内置Voron oi模型，生成 机 边 ，然后通过自定义的FISH 亍， UDEC中自带的随机多边 切 角形 一步划分单元。三角 、单元 触 面 图2所示。 中，三角形块体采用考虑抗拉强度的 摩 ，所需 的参 、体积 图2三角形块体、单元及接触面模型 Fig. 2 Trian gle bloc k，zon e an d c on tac t mod els 模量K、剪切模量K；接触面采用“库伦滑移模型.， 所需参数为法向刚度检、剪切刚度々、黏聚力芒、内 摩擦角及抗拉强度H（上标j表示接触面，以此与 常用的岩石力学参数（，％）进行区分）o UDEC中 触面的 参数见表2。其中,n及总可 通 （1）、式（2）「13「⑷计算得出 -n 10 3 K 1 -s 0. 4-n （2） 式中GNmin为块体节点距 触面的最小宽度。 表2 UDEC中块体及接触面的模型参数 Table2 Mod elparametersofbloc kan d c on tac tsurfac ein UDEC 岩性 参触面参 “kg ・ m-3K K/GPa K K/GPa - -n/GPa ・ m-1 - -s/GPa・ m-1 c cj / MPa / -t/MPa 砂质泥岩2 5005. 8 2.6802.5321 1. 3 340.4 中粒砂岩2 6008 0 4.8 1 160 4643.3300.8 3号煤1 4002.01.2 290.5 1160.8230.2 岩2 6006. 7 3.1 902.5 3613.5330.6 模型赋予的初始地应力场采用该煤矿井下实测 数据。 值 中 与53082巷最 点的 岩应力测量 采用水压致裂法测得的最大主 应力为水平主应力（属于构造应力）h 16. 6 MPa， 最小主应力-V 9. 4 MPa,整体上属于中等地应力 矿井。根据 底板岩层分布状况， 分为 7层，划分了 3 430 同尺寸的矩 角 f 。其中，为了 研 岩应力 移分 布情况，在以巷道为中心的9 mX15 m范围内划分 了 边 0.25 m 的 角 。 的 尺寸为长X高75 mX47 m,本文建立的UDEC数 值 图3所示。 2.2 巷道围岩应力分析 了 53082巷开挖过程中围岩应力的演 图 3 UDEC 值 Fig.3 UDECn umeric almod el 化过程， 开挖引起的围岩应力按5个阶段进 行释放，应力释放系数分别为0. 2,0. 4,0. 6,0. 8, 1. 0o当1. 0时，表示巷道开挖后围岩应力已全 部 ，围岩运动趋 定。 开 程中 的围岩最大主应力-max的分布情况如图4所示。从 ・・76・ ・ 工矿自动化 2019年第45卷 图4可看出，随着围岩应力的不断释放，巷道围岩的 力 断扩大。应力 的围岩 表现为松动 ，并由表 深部扩展。其中，当 力 系 0. 4时, , 帮尤 左帮表 现出较明显的 ；而当应力 系 1过 0.4后，巷道两帮破坏趋于稳定，底板破坏开始加 剧。当围岩应力 ，底 现出了大深度 的应力 ，底 重。。而 力 最小，破坏程 最小，巷道两帮次之。这 与现场 岩的 情况 一致，如图5所示。 a 0. 2b 0. 4c 0. 6 d 0. 8 诳 0 “ max/Pa * -2.000e07 ■ -1.600e07 -1.200e07 ■ -8.000e06 -4.000e06 e1 0 图4巷道围岩内的最大主应力分布 Fig. 4 Maximum prin c ipal stress d istribution in surroun d in g roc k of road way a现场 b模拟 图5现场与模拟的巷道底鼓破坏 Fig. 5 Field an d simulated road way floor heav e failure 2.3 巷道围岩位移分析 的 岩位移监测曲线如图6所示。。图 中01 04分别为顶板监测点、底板监测点、左帮监 测点及右帮监测点。由图6可看出，初始开挖之后， 帮位移 速度最大，底 之，顶板最小o 当应力 系 0. 4时，两帮与底 同 的位移，大约为0. 2 m。应力释放系数超过0.4后， 岩 移 定 ， ， 底 移 增长速率大 帮位移； ；当围岩应力 ，底 板最大位移量可达0. 45 m,而两帮约0. 3 m,顶板 位移量最小，约为0. 1 mo ，通 底板一定深度内的位移分 布, 底板深部的位移 情况。 。 的 底板深度9 m范 的位移情况如图7所示， ， 可以看出底板的破坏深度在3 m左右。也就是说, 底 发生了一定程度的 移，深度越 深，位移越小。。而深度3 m之外的 底及基本底 岩 移则 小，并且位移随深 似线 性减小，说明 底及基本底岩层仍处 性 〕， 图6模拟的巷道围岩位移监测曲线 Fig. 6 Simulated c urv es of d isplac emen t mon itorin g of roa*waysurroun *in groc k 图7不同底板深度处的位移变化曲线 Fig. 7 Displac emen t c han ge c urv e at d ifferen t floor d epth 发 性破坏。 2. 4 巷道围岩破坏模式分析 了进一步分析 开 岩的变形及破坏 特征，本文 了围岩 切裂纹的分布 程，如图8所示。从图8 ，巷道开挖 后围岩的破坏既有拉伸破坏，又有剪切破坏,并且剪 2019年第6期张宇旭等煤巷底鼓破坏特征及支护技术研究・・77・ ・ 切破坏往往位于围岩深部破坏区，而拉伸破坏则主 要发 岩浅部。当围岩应力 ，底板 呈现出大深度的 一定深度的剪切 亠 底 纹发育密集，产生的碎 碎 ； 力使得底 碎围岩向开挖空 重 。。底板的 剪切裂纹带厚度较小，仅分布在底板煤层内，并未向 底泥质砂岩延伸。这 地 了 底 岩层的 性，说明了 底板的 主要 弱 的 ，并没有 底及基本底的 。 。 图8围岩裂纹分布及演化过程 Fig. 8 Crac ks d istribution an d ev olution of surroun d in g roc k 2. 5 巷道底鼓破坏原因分析 基于以上对巷道围岩应力状态、位移分布及破 坏模式的分析，并结合53082巷所处的实际地质条 件埋深较大，局部 处于构造带附近，水平构 造应力大可以看出，53082巷处于高应力集中区 ，巷道开 地应力的 ，由［层 底 性好、强度较高的砂质泥岩，所 ； 主要的应力 。由 的宽 较 大，水平应力的释放并未引起太严重的两帮破坏，巷 底 较大的水 力下容易 、挠曲，从 而 重的 空 。 3支护方案的数值模拟支护方案的数值模拟 3.1 支护 53082巷沿用原有的锚网支护方案对巷道顶板 及两帮进行支护。 左旋无纵筋锚杆，直 径为22 mm,长度为2 400 mm；帮部锚杆为全螺纹 钢锚杆，直径为20 mm,长度为2 000 mm；锚杆间排 距为0. 8 mX 0. 8 m。本文采用UDEC中的Cable 单元模拟锚杆支护作用，相应参数见表3。原支护 方案下的数值 图9所示。从图9 ，看 出，原支护方案下围岩应力释放区与未支护时相差 不大，顶板及两帮应力情况有所改善,但底板仍是应 力 的主要部位和大深度的 切 区。 有支 条 下与 支 条 下的 岩 移对 表3 UDEC中锚杆支护单元参数 Table 3 Parameters of an c hor bolt support in UDEC 性 量 / GPa 拉伸强 度/kN 胶结面刚 度/N ・ m-2 面 聚力/N・m 预紧 力/kN 2001202X1094X10550 a围岩最大主应力 b围岩裂纹分布 图9原支护条件下的模拟结果 F2g.9 S2mulat2on resultsun d erpr2marysupportc on d t2on 图10所示，从图10 ，原有的支护方案 对 的 沉 帮位移具有良好的控制作 ， ， 但底 移 而有所 ， ， 底 现 重。。这说明原有支护方案 无法控制底 移， ， 反而 岩应力在底 的 ，造成 ・78・ 工矿自动化2019年第45卷 Fig.10 Comparison c urv esofsurroun d in groc k d isplac emen tun d erthec on d ition oforigin al support an d n on -support 3.2 支护方案的优化 基 有支护方案下的情况分析，提出了针对 底板的锚杆、锚索联合支护，以及底 注浆联合 锚杆、锚索支护2种方案。本文对这2种支护方案 分 了 ，并与原支护方案一同 了分析。 ，本文对底板注浆的 主要是基于注浆对底 板岩 力学性能的提升实现的。考虑 碎岩 块之间的 了岩块之间的胶结，提高了岩块 之间节理面的 力、内摩擦角 ，苴 底板注浆范 触面 参数的 力、内摩擦 角 提升30， 注 的加 效果。 图11和12所示。 由图11和12 ， 索支护巷 道底板时,底板围岩应力 与原支护方案相 有减小，但底 碎程 范 没有发生显 著改善。而在底板注浆与 索联合支护作用 下，巷道底板应力释放区域明显减小，底板破坏深 、范 大大 ，尤 明显抑制了底板深处的 剪切破坏。 a原支护 图11 b底板锚杆锚索支护 不同支护方案下的围岩最大主应力分布 Fig. 11 Maximum prin c ipal stress d istribution un d er d ifferen t support sc hemes c 底板注浆与锚杆锚索联合支护 a 支b底板锚杆锚索支护 图12不同支护方案下的围岩裂纹分布 Fig. 12 Crac ks d istribution un d er d ifferen t support sc hemes c 底板注浆与锚杆锚索联合支护 不同支护方案下的底板围岩位移对比如图13 所示，由图13 ， 支护方案， 索 支护下的位移量 了 25.5，而底板注浆与锚 索联合支护下的位移量则 支护减少了 60。底 索支护作用下底 深度与原 支护相同，仍为3 m,而底板注浆则大大提高了底板 煤层的力学性能，底板破坏深度减小为1. 5 m,破坏 的 范围之内。通 对 以 ， 底 索支 改善底 岩的破碎情况，对底鼓的控制作 有限的。而 底板注浆与 索联合支护由于大大提高了底板 岩层的力学性能，提高了底板岩层的完整性，明显抑 制了 底板的破碎、鼓起。 0 1 2 3 4 5 底板深度/m 图13不同支护方案下的底板围岩位移 Fig.13 Floor*isplac emen tofsurroun *in groc kun *er *iferen tsupportsc hemes 2019年第6期张宇旭等煤巷底鼓破坏特征及支护技术研究・79・ 4现场试验现场试验 对某煤矿53082巷底板采用注浆与锚杆锚索联 合支护方案进行现场试验验证。帮顶支护与原支护 参数保持一致，巷道底板注浆水灰比为21,注浆压 力为2〜5 MPa；底板锚索长度为6 m,预紧力为 200 kN。对巷道断面进行围岩位移监测，结果如 图14所示。从图14可以看出，该支护方案下的顶 底板位移量控制在150 mm以内，两帮位移量控制 在60 mm以内。巷道围岩的控制效果非常好。 0 20 40 60 80 底板深度/m 图14底板注浆与锚杆锚索联合支护后的围岩位移 Fig.14 Displac emen tofsurroun d in groc kun d erthe c ombin ation supportoffloorgroutin gan d boltan d an c horc able 5结论结论 1 巷道开挖后巷道底板围岩的应力释放是造 成巷道围岩破坏的主要原因。在较大的水平应力作 用下，软弱的煤层底板成为应力释放的主要区域，底 板的破坏特征主要表现为浅部的拉伸破坏及深部的 剪切破坏。 2 采用底板锚杆锚索支护方式并不能提高底 板岩体的承载能力，无法改善底板的破碎情况，因 此，无法充分发挥锚杆及锚索的支护作用。底板注 浆从本质上提高了底板煤层的力学性能，在与锚杆 锚索联合支护作用下明显降低了巷道底板的破坏深 度，大大抑制了深部剪切裂纹的发育。现场试验证 明 ， 底 注 与 索 联 合 支 方 明 显改善底板应力状态，底板位移量达到控制要求。 参考文献References 1 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，199313. 2 贺永年，韩立军，邵鹏，等.深部巷道稳定的若干岩石 力学问题［J.岩石力学与工程学报，2006,25 3 288295. 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Computers j Geotec hn ic s2014 55 448-460 [12 LISJAK AGRASSELLI G A rev iew of d isc rete mod elin g tec hn iques for frac turin g proc esses in d isc on tin uous roc k masses [J Journ al of Roc k Mec han ic s j Geotec hn ic al En gin eerin g20146 301-314 c haotic timeseriesofgasemission based on improv ed extremelearn in g mac hin e [J Chin a Safety Sc ien c e Journ al2012 221258-63 0刘利强基于IABC-RBF算法和小波分析的瓦斯时间 序列优化预测[D阜新辽宁工程技术大学2015. 1邢浩然，杨应迪.基于ARIMA与BP组合模型的煤矿 量 [J 201717 3-6 [12 吴兵，郭志国，王紫薇.基于ARIMA-GM模型的采掘 工作面 [J 矿安 20154611 152-155 WU Bin gGUO ZhiguoWANG Ziwei Gasemission forec astin g at head in g fac e based on ARIMA-GM mod el[J Safety in Coal