煤巷复合顶板稳定机理及控制研究.pdf
万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 numerical simulation software is used to compare the effect of FLAC3D, top bolt support and anchor bolt support, and the results show that “arch-beam“ supporting anchor bolt and cable combined support can control the deation of roadway well. At last, the practical verification of the Dongdong mine has been carried out, through the analysis of monitoring data and on-site observation, the support is very good control of the deation of the roadway, achieved good support effect. Key wordsKey words Compound Roof, Arch Beam Support, Stable mechanism, Support Technology ThesisThesis Applied Research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义 ...................................................................................................... 1 1.2 国内外关于复合顶板的研究现状 .................................................................................. 1 1.2.1 复合顶板变形规律的研究现状 ................................................................................ 2 1.2.2 复合顶板控制技术的研究现状 ................................................................................ 4 1.3 本文的主要研究内容和技术路线 .................................................................................. 6 1.3.1 研究内容 .................................................................................................................... 6 1.3.2 技术路线 .................................................................................................................... 6 2 煤巷复合顶板的变形破坏分析 ............................................................................................. 8 2.1 煤巷复合顶板的特征 ...................................................................................................... 8 2.2 复合顶板巷道围岩破坏类型 .......................................................................................... 9 2.2.1 挠曲离层破坏 ............................................................................................................ 9 2.2.2 剪切破坏 .................................................................................................................. 10 2.2.3 拉断破坏 .................................................................................................................. 11 2.2.4 挤压流动破坏 .......................................................................................................... 11 2.3 巷道复合顶板的离层分析 ............................................................................................ 12 2.3.1 复合顶板层间弯曲离层条件 .................................................................................. 13 2.3.2 复合顶板层间剪切错动变形条件 .......................................................................... 13 2.4 煤巷复合顶板无支护下力学状态分析......................................................................... 14 2.4.1 煤巷复合顶板在垂直荷载作用下的力学状态分析 .............................................. 14 2.4.2 煤巷复合顶板在水平荷载和垂直荷载共同作用下的力学状态分析 .................. 21 2.5 本章小结 ........................................................................................................................ 24 3 巷道围岩控制研究 ............................................................................................................... 25 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 II 3.1 复合顶板巷道围岩稳定性控制原则............................................................................. 25 3.2 巷道支护结构建立 ........................................................................................................ 26 3.2.1 各种支护结构的作用 .............................................................................................. 26 3.2.2 巷道支护结构的建立 .............................................................................................. 29 3.3 巷道支护结构力学分析 ................................................................................................ 29 3.3.1 巷道支护结构力学模型的建立 .............................................................................. 29 3.3.2 巷道支护结构的力学分析 ...................................................................................... 30 3.4 巷道支护参数设计 ........................................................................................................ 37 3.4.1 巷道顶板锚索长度的确定 ...................................................................................... 37 3.4.2 巷道顶板锚索间排距的确定 .................................................................................. 37 3.4.3 巷道顶板锚杆长度的确定 ...................................................................................... 38 3.4.4 巷道顶板锚杆间排距的确定 .................................................................................. 38 3.4.5 巷道帮部锚杆长度的确定 ...................................................................................... 38 3.5 本章小结 ........................................................................................................................ 39 4 复合顶板支护效果数值模拟研究 ....................................................................................... 40 4.1 数值模拟模型建立 ........................................................................................................ 40 4.2 无支护下数值模拟结果分析 ........................................................................................ 42 4.3 顶帮锚杆支护下数值模拟结果分析............................................................................. 43 4.4 锚索锚杆支护下数值模拟结果分析 ......................................................................... 44 4.5 三种支护方案效果对比 ................................................................................................ 45 4.6 本章小结 ........................................................................................................................ 47 5 工程应用研究 ....................................................................................................................... 49 5.1 工程概况 ........................................................................................................................ 49 5.2 巷道支护参数的计算 .................................................................................................... 49 5.2.1 巷道顶板自稳隐形拱方程计算 .............................................................................. 49 万方数据 目录 III 5.2.2 巷道顶板锚索参数计算 .......................................................................................... 50 5.2.3 巷道顶板锚杆参数计算 .......................................................................................... 50 5.2.4 巷道帮部锚杆参数计算 .......................................................................................... 51 5.3 工程监测与稳定性评价 ................................................................................................ 52 5.3.1 监测目的及意义 ...................................................................................................... 52 5.3.2 监测内容 .................................................................................................................. 52 5.3.3 测站布置 .................................................................................................................. 53 5.3.4 巷道稳定性分析 ...................................................................................................... 53 5.4 本章小结 ........................................................................................................................ 55 6 结论与展望 ........................................................................................................................... 56 6.1 结论 ................................................................................................................................ 56 6.2 展望 ................................................................................................................................ 56 致 谢 ........................................................................................................................................ 57 参考文献 .................................................................................................................................. 58 附 录 ........................................................................................................................................ 61 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 IV 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 从 2010 年开始基于能源结构调整和环境治理方面的要求,我国煤炭行业进入需求 增速放缓、产能过剩和库存消化的过程。在这种去产能和绿色环保的要求下,煤炭资源 在我国能源消费结构中的占比逐年降低。据有关数据统计 2018 年我国煤炭产量控制在 37 亿吨左右,煤炭消费比重下降到 59左右。虽然煤炭产量逐渐降低,但其在我国能源 结构中占比依旧很大并且可能在较长的一段时间内依旧保持超过 50的占比。由于煤炭 在我国能源消费结构中所起到的重要作用,保证其安全生产对于相关的下游产业都具有 很重要的意义,可是煤矿事故在我国六大安全事故中占比超过了 60。因此要想保证能 源供给的稳定性和持续性,首先要解决煤矿安全事故。虽然我国每年的煤矿事故数和事 故死亡人数都在逐渐降低,但是与国外的一些主要产煤国家相比还是有很大的差距,因 此我国煤矿安全建设仍然任重道远。 由于煤系地层为层状沉积岩层,且受到沉积环境变化的影响,造成了煤层顶板岩性 绝不会是单一的。特别是煤层群,经常会含有数量不等的薄煤层或泥质页岩,如渭北煤 田,主要开采煤层为 5 号煤层,而顶板中分别存在一层厚度为 0.41m 的砂质泥岩和厚度 为 0.45m 的 4 号煤。不仅是渭北煤田在开采过程会遇到复合顶板,据相关数据统计[1]我 国有超过三分之一的煤巷属于复合顶板煤巷。而由于复合顶板岩层在种类、岩性和裂隙 发育程度上都有很大差别,很容易造成巷道顶板的地应力和构造应力有很大的差别。软 弱夹层的存在以及产生的局部应力集中现象使得巷道支护效果往往很不理想,巷道围岩 变形大,严重情况下甚至可能发生冒顶事故。在主要的煤矿事故中,顶板事故是发生比 重较大 超过 50以上 的事故,每年顶板事故造成的人员死亡占所有煤炭事故死亡人 数的 30以上, 造成的煤炭资源损失占煤炭总产量的 5左右[2]。 因此研究复合顶板的变 形机理并提出合理的支护参数设计方案,可以有效的提高复合顶板巷道掘进速度,降低 后期巷道维护费用,减少巷道使用期间进行补强和起底等工作,保证施工人员的生命安 全,对煤矿安全高效生产具有重要的意义。 1.2 国内外关于复合顶板的研究现状 巷道顶板围岩是否能保持稳定对于煤矿施工人员的生命安全、巷道的正常使用和煤 矿的正常开采都具有重要的意义。国外的一些主要产煤国家如英国、澳大利亚和美国的 学者研究了煤巷复合顶板的变形机理并提出了相应的控制措施,在实践中取得不错的效 果[3-8]。对于复合顶板巷道的控制方面国外学者主要采用锚索进行加固,增大支护的锚固 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 区范围,使得顶板的破碎围岩形成一个整体来达到控制巷道顶板稳定的目的。复合顶板 巷道在我国具有占比大、分布范围广、破碎问题严重等特点,因此国内学者从上世纪七 八十年代就开始对煤巷复合顶板的变形机理和控制技术进行了大量的研究,依据理论研 究结果,在实际工程中进行了现场检验往往都可以很好的控制围岩的变形。 1.2.1 复合顶板变形规律的研究现状 目前国内外一些煤矿类高校和科研单位的人员对于复合顶板破坏机理的研究主要是 从复合顶板的力学模型简化、受力分析、发生离层条件、破坏类型和影响因素几个方面 进行的,取得的一些研究成果如下 林崇德、孙同迟[9]通过数值模拟方法以及结合现场顶板的破坏过程,认为不能用承 载梁的结构来解释复合顶板巷道的破坏机理及锚杆支护作用,并认为巷道顶板发生的离 层挠曲是由于在水平方向的构造应力导致的,与垂直方向的自重应力无关。 王俊,钱坤[10]等人通过数值模拟的方法揭示了含软弱夹层的复合顶板巷道变形和破 断规律。认为导致顶板变形破坏的主要原因是复合顶板中的软弱夹层,并将复合顶板的 破坏过程归纳为“嵌固梁叠加组合梁形成组合三铰拱形成”三个阶段。 郜进海[11]通过相似模拟试验,研究了复合顶板的巷道在不进行任何加固措施的情况 下其顶板破坏规律,认为复合顶板巷道的顶板破坏形式主要为双支点梁式拉剪破坏,导 致双支点梁式拉剪破坏主要原因是在外荷载作用下由于各岩层的力学参数不同,导致各 岩层会产生挠度差。随着巷道围岩应力的逐渐调整,巷帮的变形破坏范围增大,顶板会 产生由下向上并向外扩展的拉剪破坏,形成多层叠加的破断拱,拱的内部为双支点梁式 破坏。 王卫军、李树清等[12]研究了深埋煤巷围岩变形特征和支护失效的原因,认为此类巷 道的变形主要原因是煤帮具有较低的强度,在荷载作用下很容易发生挤出破坏,从而导 致顶底板的发生更大范围的塑性破坏。因此作者提出了内外结构耦合平衡支护,即支护 结构必须既有足够的强度能是的围岩尽快形成稳定的承载结构,其次支护结构也应具有 一定的柔性。 李东印、张瑞林等人[13]对高应力软弱复合顶板的变形机理进入了深入研究,通过材 料力学相关知识建立力学模型,从而推导出了该类复合顶板变形的的力学方程,研究认 为水平应力是影响复合顶板变形破坏的主要原因,研究结果表明当巷道顶板岩层所受水 平应力大于顶板临界抗压强度的 0.8 倍时,巷道顶板的下沉量会明显增大,严重时可能 导致冒顶事故。 谷拴成[14]将复合顶板假设为简支的叠合梁考虑,认为在巷道临界状态之前各岩层具 有相同的挠度,分析了各岩层在受垂直均布荷载作用下的受力情况,分析认为顶板中含 有的软弱夹层是导致巷道顶板变形破坏的主要影响因素。进一步提出了复合顶板的变形 万方数据 1 绪论 3 破坏规律结构承载调整结构刚度弱化结构失稳。 薛亚东、康天合等[15]研究了煤矿巷道岩性和层次结构特征,认为巷帮煤体的强度对 巷道的受力形式和破坏规律会产生很大影响。通过现场观测和相似模拟实验研究表明 当巷帮煤体的强度较低时,此时巷帮会发生楔形或倒楔形破坏,相当于增大了巷道的宽 度,那么此时顶极易形成大块状垮落体;当巷帮煤层的强度较高时,巷帮一般只表现为 鼓形破坏,破坏范围较小,此时顶板易形成单抛物拱垮落体。 吴德义[16][17]通过数值模拟的研究方法发现 复合顶板中含有的结构面在拉应力和剪 应力作用下极易使得巷道顶板发生离层现象。在上覆荷载的作用下发现巷道顶板中部范 围内围岩会受到拉应力作用,而范围之外围岩受到压应力作用下。由于结构面本来的力 学性能就较差,如果受到拉应力的话基本都会超过其抗拉强度,从而使得结构面发生局 部破坏,导致岩层形成离层;而在范围以外围岩受到压应力作用,极易发生剪切破坏, 由于结构面的凹凸不平,在剪应力的作用下使得结构面在垂直方向发生截切膨胀,导致 岩层发生离层现象。 杨峰、王连国等[18]为解决现场实际遇到的复合顶板巷道围岩变形较大的问题,采用 室内试验和现场实践相结合的方法,具体的研究了导致复合巷道顶板发生离层破坏的原 因,通过研究其认为巷道围岩发生较大变形破坏的主要是由于巷道开挖后,空顶时间过 程和给锚杆锚索等支护构件施加的预应力过小,从而导致巷道顶板应力较大,围岩发生 塑性破坏较为严重,进而表现为巷道收缩严重和顶板沉降较大,由于复合巷道顶板岩层 具有受扰动后其力学性能会急剧下降的特性, 因此当开挖初期施加的主动支护力不足时, 很容易导致顶板岩层节理裂隙发育较好,强度降低较快,且各岩层间黏结力逐渐降低甚 至完全无黏结力的情况,发生挤压破坏。 刘生龙[19]将复合顶板岩层简化为两端固支的弹性梁,运用能量平衡原理进行了力学 分析,给出了复合顶板岩层破坏的临界应力和临界厚宽比,认为只有当垂直应力超过临 界应力以后,顶板才会发生离层,垮落现象。而水平荷载只会增加挠度值,不会直接导 致顶板发生垮落破坏。 段红民[20]为优化复合顶板巷道的支护方案,对复合顶板巷道围岩失稳过程进行了理 论分析,认为巷道开挖后,巷道顶板应力转移到两帮,由于此时围岩应力已由三向应力 状态转变为单向应力状态,围岩的力学性能大幅度降低,两帮极易发生塑性破坏。两帮 的破坏进一步加大巷道的宽度,从而使得顶板发生破裂失稳现象。 余伟健、王卫军[21-23]等,为解决复合顶板巷道在高应力作用下产生的大变形问题, 分析了巷道围岩力学机理。 认为巷道开挖使处于高应力下的巷道不断地释放能量和应力, 进而产生弯曲、离层和垮落。并在高应力作用下,不断形成了“顶板-两帮”和“顶板-小 煤柱”的不稳定的循环作用系统。 何满潮等[24]通过对深部软岩巷道的变形破坏机理研究,认为巷道围岩自身较差的力 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 学性能和开挖后支护措施的不合理是导致巷道变形破坏的主要原因,并将巷道变形破坏 归纳为巷道开挖围岩应力状态改变塑性松动圈扩大顶板块体开始滑移帮部变 形剧增底边加速臌起顶板加速失衡的过程,并提出了巷道锚网索耦合支护思想,即 实现锚杆、锚索、网片和围岩之间在强度、结构和刚度上耦合,充分利用围岩的自承能 力。 曹俊才[25]通过理论分析和数值模拟研究复合顶板岩梁的破坏规律。作者认为复合顶 板首先由岩梁的两端开始发生破坏,然后才是巷道中间,而且认为巷道顶板发生破坏是 有岩梁上端开始,即认为顶板破坏是由上到下,只是在岩体内部发生破坏不宜观察。 刘亚明, 高明仕等[26]将复合顶板简化为固支梁模型, 认为复合顶板破坏后会形成 “一 横五纵”的 6 条宏观主控裂隙,分别是岩梁上层面一条横向离层开裂缝、岩梁中部及 端部三条纵向拉裂缝和巷道肩角处两条倾斜裂隙。并提出“顶部高强桁架锚索顶角斜 锚杆跨中长锚索”对符合顶板进行结构性联控补强支护措施,从而来提高岩梁的承载 和变形能力。达到控制裂隙发育,防止顶板失稳的目的。 美国学者 S.S 彭[27], 巷道顶板的应力分布状态会形成一个压力拱, 压力拱可以认为 是巷道顶板中的一个稳定截面,拱内的岩体由于受到上方拱的支持作用,此时其所受的 荷载只有自身的重量,不受上覆岩层的影响。拱内的岩体此时处于卸压状态,受到自身 重量的影响,拱内岩体会发生下沉和离层现象。 通过总结其他学者的研究成果,可以将目前国内外关于复合顶板变形机理归纳为以 下几个方面 (1) 在力学模型简化方面基本都认同将复合顶板简化为板梁结构,只是在选取边 界条件上有所不同; (2) 复合顶板发生破坏的主要原因是在垂直荷载和水平荷载共同作用下产生的拉 剪破坏,可目前对于那种一个荷载起主导因素没有统一的定论; (3) 复合顶板各岩层的力学性质和巷帮的稳定性对于复合顶板发生离层挠曲具有 很大的影响。 1.2.2 复合顶板控制技术的研究现状 目前国内外主要有以下几大关于复合顶板巷道支护的理论。其中组合梁理论、悬吊 理论、巷道围岩强化理论主要侧重于阐述支护构件支护后与围岩共同作用后,支护构件 所起到的作用,从力学状态方面分析了支护构件的作用原理;而松动圈支护理论、巷道 围岩强化理论更多的是探讨巷道围岩的破坏机理,更加强调工程实施应用的科学性。 雅各宾等于 1952 年提出组合梁作用理论, 其认为锚杆支护作用是 通过锚杆提供的 径向力作用将多层岩梁挤紧在一起,保持变形耦合。锚杆提供的径向力增大各岩层接触 面的正应力,从而增大了接触面的抗剪能力,其次垂直布置的锚杆可以将其视为箍筋, 万方数据 1 绪论 5 具有一定的抗剪能力。通过锚杆的作用将多层叠加在一起的岩层固定形成了一个整体。 美国学者 S.S 彭通过材料力学方面相关知识解释了锚杆支护组合梁力学机理[27], 从而给 出了锚杆支护组合梁最大弯曲应变计算公式。通过对计算公式研究表明梁的厚度与梁内 最大弯曲应变成反比,即厚度越大,应变越小,反之亦然。学者 Snyder 在 1982 年研究 了采用锚杆支护前后复合顶板之间承载的不同作用,研究结果表明两种状态之间在承受 相同荷载时, 其最大应力是不同的[28], 并指出全长锚固锚是通过 “锚杆一锚固剂一岩层” 体系来传递预紧力对岩层的作用的;Krohn, Jeffrey 和 Daemen 通过实验研究了锚杆的支 护效果,实验研究表明[29][30],全长锚固无预紧力锚杆可以有效的减少巷道顶板的最大挠 曲变形,当复合顶板各岩层之间发生滑移和离层时,锚杆可以提供一个抵抗力,有效防 止发生变形。如果锚固剂的强度足够大,可以使得各层之间变形能完全协同时,巷道顶 板的弯曲主要发生在锚杆形成的组合梁的中性轴,如果各岩层之间变形不能充分协同的 话,弯曲变形即会发生在组合梁的中性轴也会发生在各岩层的中性轴。 2000 年, 西安科技大学惠兴田教授提出自稳隐形拱理论[31][32][33], 自稳隐形拱理论全 面研究围岩稳定和锚杆作用基础上, 解释了巷道顶板稳定机理并划定巷道围岩稳定界面, 给出了确定围岩潜在危害范围的计算方法和几何画法。 张国华[34][35]通过对顶板内含有超薄分子层的复合顶板移动规律研究, 认为控制此类 顶板的关键技术是在时间上减小空顶时间,进行及时支护,在空间上提高锚杆的预紧力 和减小空顶循环进尺和循环次数来减小空顶距离, 从而增加层间结合力、 阻止层间错动。 张俊文[36]根据现场检测和理论计算分析得出了复杂应力条件下厚泥岩顶板巷道破 坏主要分为拉剪破坏、膨胀破坏和松动破坏。并提出了“预应力锚杆锚索原生裂隙区 域注浆加固”的支护方案。 何满潮[37]等提出了深部复合顶板煤巷的耦合支护理论。利用长短不同的支护结构将 巷道直接顶的破碎岩体与深部未受扰动的岩体相互连接到一起,充分的利用了围岩的自 承能力, 避免了巷道出现应力集中现象, 使得围岩之间, 围岩与支护结构之间变形耦合, 进而使巷道围岩达到稳定的目的。 柏建彪、侯朝炯[38]等,分析了复合顶板中含有极软煤层的巷道变形破坏特点,提出 了保持巷道稳定的方法,其主要思想是充分利用围岩的自承能力,基于这个思想提出了 在巷道顶板采用全长锚固高强锚杆配合预应力进行支护,在巷道帮部采用全长锚固锚杆 支护和高水速凝材料注浆加固的支护方法。 张国华、张雪峰[39]等,通过理论分析给出了复合巷道顶板发生离层所需要具备的荷 载、跨度和挠度条件。并根据假设条件巷道顶板各岩层在荷载作用下产生的变形量是相 同,同时结合其他相关支护理论给出了复合顶板巷道支护参数设计的具体方法,最后通 过现场实践验证了所提供的参数设计方法是可行和有效的。 高峰、张树祥[40],通过现场监测和数值模拟相结合,发现仅进行锚杆支护的复合顶 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 6 板巷道由于锚杆支护所能提供的预应力和主动作用力较, 围岩一般都会产生较大的变形。 由于其不能提供较大的支撑力,从而导致顶板自身的节理裂隙进一步发育、结构更加不 稳定,直观变形就是巷道开挖后可以明显的看到顶板会产生较大的沉降量,甚至受到后 期的继续施工影响,有可能导致巷道顶板的垮落。因此,要想有效的控制复合巷道的顶 板产生下沉现场,建议必须提高锚杆的预紧力或者采用可以提供更大支护力的锚索,如 果围岩条件特别破碎的情况下,甚至需要增加钢筋网和钢带。 高明仕、郭春声[41],针对大埋深厚层软弱复合顶板巷道围岩变形问题,提出了阶梯 层次支护方案,分析了其力学原理。同时提出阶梯级数应等于巷道上赋岩层中间夹煤线 或软弱岩层层数。 苏学贵、宋选民[42][43][44],结合典型的工程实例,采用原位实测、物理模拟与数值计 算手段, 分析特厚复合顶板的受力特征和变形破坏规律, 并提出了拱–梁耦合作用理论 即在巷道顶板浅部锚杆支护形成组合梁,而锚索在巷道深部形成稳定的挤压承载拱。 1.3 本文的主要研究内容和技术路线 1.3.1 研究内容 本论文采用理论分析、数值模拟及工程实践等方法,分析了复合顶板的变形特征、 受力状态和不同支护巷道的受力特征,并进一步提出了复合顶板巷道稳定控制技术。主 要包括以下内容 (1)利用弹性力学、材料力学等相关理论,研究了复合顶板巷道受力特征。分析复 合顶板变形特征,得出复合顶板发生离层的破坏条件。对复合顶板考虑不同的受力情况 下,分析巷道顶板单一岩层和整体的受力状态; (2)复合顶板的稳定机理研究理论分析顶板在不同的支护条件下(无支护、锚杆 支护)考虑不同的应力条件(只考虑垂直应力、同时考虑垂直应力和水平应力)下变