动压影响下大巷围岩变形机理与卸压控制研究.pdf

安徽理工大学 硕士学位论文 动压影响下大巷围岩变形机理与卸压控制研究 姓名张向阳 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师涂敏 20070520 中文摘要 摘要 本文基于动压影响下的煤矿巷道及硐室围岩应力分布特点及规律，综合运用 理论分析、计算机数值模拟及现场工业性试验等多种研究方法，对采动影响下的 巷道围岩应力分布、变形规律、影响因素及如何采取钻孔松动爆破卸压技术进行 了系统的研究。得出了采动影响下底板巷道的应力分布特点、变形规律及钻孔松 动爆破的一般技术参数采动影响下前方支承压力传播角为6 5 。，底板巷道经历 压力稳定区、集中区和卸压区，巷道变形破坏的主要原因是由于围岩受到垂直应 力和剪切应力的作用；控制巷道变形可以保留合理的保护煤柱和围岩松动爆破。 通过松动爆破将巷道围岩集中应力向深部转移，从而达到降低围岩应力，保护巷 道的目的。在不增大保护煤柱的前提下，卸压爆破能有效的控制巷道围岩变形， 减小煤炭损失率。本文研究成果对动压影响下的巷道修护具有一定的指导意义和 参考价值。 图K 3 5 】表【6 】参1 5 5 】 关键词采动影响围岩应力数值模拟围岩控制卸压爆破 分类号T D 3 2 5 英文摘要 A B S T R A C T B a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dr u l eo ft h e r o a d w a ya n dc h a m b e r s u r r o u n d i n g r o c ks t r e s sd i s t r i b u t i o nu n d e rt h ed y n a m i cp r e s s u r ei n f l u e n c e ， M u l t i r e s e a r c h m e t h o d s ，s u c h a st h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，t h ec o m p u t e r n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ef i e l dr e s e a r c hw e r es y n t h e t i c a l l yu s e di nt h i sp a p e r ． I t p r o c e s s e dt h es y s t e m i cr e s e a r c ht ot h es u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sd i s t r i b u t i o n ， t h ed i s t o r t i o nr u l e ，t h ei n f l u e n c ef a c t o ra n dt h et e c h n o l o g yo fr e d u c i n gp r e s s u r e ． T h es t r e s sd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed i s t o r t i o nr u l e sa n dt h eg e n e r a l t e c h n i c a lp a r a m e t e r so fr e d u c i n gp r e s s u r ew e r ef o u n d ．T h ef r o n ta b u t m e n t p r e s s u r et r a n s m i t t e da n g l ew a s6 5 。u n d e rt h ed y n a m i cp r e s s u r ei n f l u e n c e ．T h e f l o o rr o a d w a ye x p e r i e n c e dt h r e ep r e s s u r ep r o c e s s e s ，s u c ha st h et r a n q u i l i z a t i o n ， t h eh o i s ta n dt h er e l e a s eo fp r e s s u r e ．T h ep r i m a r yc a u s eo fr o a d w a yd i s t o r t i o n w a st h a tt h es u r r o u n d i n gr o c kw a sa f f e c t e db yt h ev e r t i c a ls t r e s sa n ds h e a r s t r e s sf u n c t i o n ．I tc o u l dc o n t r o lt h et u n n e ld y n a m i cr o a d w a yd i s t o r t i o nt or e t a i n t h er e a s o n a b l ep r o t e c t i o nc o a Ip i l l a ra n db e c o m el e s sc r o w d e dd e m o l i t i o n ．T h e r e l a x a t i o nb l a s t i n gc o u l dt r a n s f e rt h es u r r o u n d i n gr o c kc e n t r a l i z e ds t r e s st ot h e d e p t hr o c k ，r e d u c et h es u r r o u n d i n gs t r e s sa n dp r o t e c tr o a d w a y ．T h er e l a x a t i o n b l a s t i n gc o u l do b t a i nt h ee f f e c t i v ec o n t r o lo fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c kd i s t o r t i o n a n dr e d u c et h ec o a ll o s sr a t e ．T h i sa r t i c l er e s e a r c hr e s u l t sh a sc e r t a i ng u i d i n g s e n s ea n dt h e r e f e r e n c ev a l u et o r e p a i ro rp r o t e c tt h er o a d w a yu n d e rt h e d y n a m i cp r e s s u r ei n f l u e n c e ． F i g u r e 【3 5 】T a b l e 【6 】6R e f e r e n c e 【5 5 】 K e y w o r d s M i n i n gd y n a m i cp r e s s u r ei n f l u e n c e ，S u r r o u n d i n gr o c ks t r e s s ． N u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，S u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o l ，R e l a x a t i o nb l a s t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞邀理王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名协卿 签字日期吁石月／／日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位 论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞邀堡王太堂可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密 后适用本授权书 学位论文作者签名Z 农犯伽 导师签名 签字日期Ⅵ哆年／月／／日 签字日期秒 ％月／z 日 I I I 第一章绪论 l 绪论 1 ．1 问题的提出 我国煤炭资源丰富，成煤时期多，赋存条件十分复杂，煤矿绝大多数采用井 工开采，巷道是煤矿生产的命脉，巷道总量近三万公里，是浩大的地下工程。在 煤矿巷道中，7 0 ％～8 0 ％的巷道受到采动影响，到深部后表现明显的软岩特性， 巷道强烈底鼓、围岩难以控制，动压影响的软岩巷道的维护状况己成为制约煤矿 集约化生产的瓶颈，所以煤矿巷道的围岩控制要比般地下工程困难。我国煤矿 巷道不仅要花费巨额的开掘和维护费用，而且巷道围岩控制直接影响井下的生产 和安全，是煤炭工业生产建设中的重大问题。 然而，对于一次性煤炭资源来说，既要合理安全开采，又要尽可能的高效回 采利用，对解决我国资源紧缺危机具有举足轻重的现实意义。因此，许多矿井为 了提高煤炭回采率，就要考虑采取适当的途径减小保护煤柱尺寸，或者对应力集 中区进行卸压开采，这就不可避免的导致了受动压影响下的巷道数量增加。为了 保证煤矿正常生产必须采取一定的措施对巷道围岩进行控制，而且采矿工程学科 的核心理论与关键技术之一就是岩层控制，巷道围岩控制的基本目的和任务在于 提高巷道的稳定性，围岩应力、围岩性质和围岩支护是决定巷道稳定性的基本因 素，巷道的布置、保护、卸压及支护是围岩控制的基本手段。 随着国民经济和现代化科学技术的进步，我国采矿业从过去的分散型小煤矿 逐渐向集约型大煤矿转变，从过去的浅部开采逐渐向深部发展，煤矿开采的科技 含量越来越高，借助于科学技术手段解决煤矿生产中存在的难题也势在必行，而 动压影响下的巷道变形控制技术一直是采矿工程师们的研究的重点，而深部动压 巷道围岩应力分布特点及其变形特征的研究在国内外还没有形成一个完整的理论 体系，因此有必要在这方面作更多的研究工作。 本课题来源于淮南矿业集团张集煤矿，该矿井设计年产量约1 0 0 0 万吨。该矿 井一水平标高为- - 6 0 0 m ，主采煤层为1 3 ．1 和1 1 - 2 煤层，在开采1 3 ．1 煤层中的东 西两翼上下阶段工作面时，对西翼布置在1 3 ．1 煤层底板的岩石回风大巷和1 1 ．2 煤层回风大巷、东翼轨道大巷及其硐室群受到采动影响，巷道变形较大，经多次 锚喷、注浆加固等措施修护后，仍然不能控制其变形，对正常安全生产造成了一 定的影响。因此，提出采动压力影响下的大巷围岩应力分布状况及变形机理，并 如何采取有效合理的途径进行加以控制，减小保护煤柱尺寸。以提高煤炭回收率 安徽理工大学硕士论文 进行研究，对保证矿井的正常生产具有十分重要的意义。而且目前关于这类巷道 的围岩变形机理及控制技术尚未进行全面深入研究。 随着开采深度的增加，巷道围岩力学性质的恶化，巷道变形越来越剧烈，而 对在采动压力影响下巷道围岩变形机理及卸压控制研究成为急待解决的技术难 题。只有正确地了解和分析巷道的破坏机理，才能合理采取适当的控制对策，有 效的控制和维护巷道变形。张集煤矿两翼主要开拓巷道，断面大，受采动影响后 较一般巷道维护更加困难，为了不影响矿井正常生产，达到高产高效的目的，本 课题在借鉴国内外控制巷道变形的先进经验基础上，通过理论分析、数值模拟、 现场实测等多种综合性的研究方法，分析巷道围岩变形机理和应力分布对巷道的 影响，从而提出控制巷道变形合理有效的钻孔爆破卸压方案，为张集煤矿控制巷 道变形，减少经济投入及其它煤矿有类似围岩状况的巷道变形控制提供参考。 1 ．2 国内外研究现状 国内外采矿科研工作者从开始的基础研究到利用各种研究工具和方法，并把 计算机应用软件运用到采矿工程中以后，对矿山压力和围岩控制技术注入了更多 的新鲜血液，使人们更加深入详细地了解制约煤矿生产症结所在。在巷道围岩变 形机理、巷道围岩分类及稳定性方面，巷道开挖前后围岩应力变化特点及规律， 采动影响期间，巷道围岩变化机理以及在卸压控制巷道围岩变形方面都做了大量 的研究，并把内容研究的更深入，更细致化了。 1 ．2 ．1 关于巷道围岩变形机理方面的研究 从2 0 世纪中期，国内外采矿研究人员就开始注重巷道围岩变形机理的研究， 首先从开拓巷道、准备巷道，回采巷道到采场，从静压巷道到动压巷道，再是从 浅部到深部，逐渐深入到煤矿开采中遇到的各种复杂条件下的巷道都做了相应的 研究。 1 ．关于巷道围岩变形基本理论的研究 文献【卜2 l 比较概括地叙述了巷道控制技术的主要发展阶段、成就和研究方向 以及矿山压力与岩层控制的概念，全面介绍了对不同围岩性质和条件下的巷道， 在开挖前、后应力分布特点和变形规律，以及巷道围岩压力的影响因素做了详细 的叙述，并且总结了采场和巷道的矿压显现规律，提出了一系列控制巷道变形的 支护方法与措施，基本上包括了煤矿开采中不同类型巷道与硐室的变形特点与规 律和围岩控制原理，是中国煤炭行业至今为止比较全面细致地叙述了巷道围岩控 2 第一章绪论 制方面的综述。 文献【3 1 1 根据地应力与围岩的相互作用机理提出围岩变形松动圈支护理论， 并且运用该理论得出了巷道围岩松动圈工。随采深Ⅳ的变化规律为 L ， a H 一风 2 ，其中，风为产生松动圈的初始深度，口值与岩性有关；深部 巷道围岩松动圈随地应力的变化规律以及深井动压巷道围岩变形的机理和围岩变 形规律，推导了巷道围岩变形的粘弹性解。 另外根据在巷道矿压理论研究与围岩控制工程实践方面的成果，文献1 8 1 主要 论述了采准巷道围岩结构稳定性亚分类与预测、围岩控制设计决策。其内容包括 采准巷道围岩稳定状态的结构待性，结构稳定性亚分类指标、方法、模式与分类 方案，亚类别的模糊模式识别，矿压显现的定量预测，合理支护形式选择和支护 参数设计体系，支护设计决策支持系统及其应用，高应力巷道卸压保护的研究与 实践等。 2 ．关于巷道压力、开采深度等与围岩变形关系的研究 文献[ 9 1 运用采场岩层控制中的关键层、砌体梁等理论的基本原理和方法对回 采巷道围岩结构特征进行了系统的分析，并对其矿压显现的一般规律进行了全面 论述。文献【1 0 】从控制的角度出发，提出了将整个采场上覆岩层划分为“可控岩层” 与“不可控岩层”等一些新概念。阐明了支承压力成因机制、分类、显现规律及定 量研究；基本顶岩层裂断机理、位置及其来压运动方式；支架工作状态及其对顶 板岩层运动控制效果和工作面推进速度、开采深度对采场矿山压力显现和控制影 响等问题。 文酬1 H 3 1 提出深部巷道围岩在高应力和采动影响下，因围岩弱化导致巷道围 岩变形呈现软岩流变的特征围岩变形是采深、岩性和采动影响共同作用的结果。 并且文献【”l 对受采动影响的深井底板岩石巷道围岩破裂范围进行了模拟试验研 究，获得了破裂带厚度与巷道距煤层底板距离的关系。对于底板软岩动压巷道、 移动压力支承作用下底板巷道和受上部动压影响的穿岩大巷围岩变形方面的研 究，得出了动压影响下的底板巷道围岩变形特点、应力分布规律以及移动支承压 力引起的巷道变形与采深的关系[ 1 4 ～l 习。 3 ．关于巷道围岩破裂机理与破裂范围方面的研究 文献【1 6 l 提出软破岩体的变形破坏机理和机制如下①巷道顶板普遍受拉应力 作用，两帮受压应力，也受拉应力影响。②在承压带中的巷道周围的应力远高于卸 压带下的巷道，导致了它们之间稳定性的巨大差异，在卸压带．无论进路或联巷， 3 安徽理工大学硕士论文 回采期间主要是顶板拉伸破坏；而在承压带内，顶板的拉应力、两帮的压应力均 达到使围岩破坏的水平。③在节理裂隙发育地带，拉应力促使节理弱面张开的趋 势，导致围岩的松脱垮冒，显现为松脱地压的特征。④巷道两帮的压应力达到岩 体的强度极限，通常以剪切破坏的形式出现，同时，被压碎的岩粉从两帮鼓出， 伴随着巷道的宽度变窄，高度变小，有变形在压的特征。 文献【1 7 】考虑了岩石破裂后强度衰减 应变软化 和体积膨胀的重要特性，导 出了巷道围岩破裂区半径、塑性区半径和周边位移的解析计算公式。提出应变软 化程度对围岩破裂范围有直接影响；围岩处于破裂状态时，巷道收敛主要是由于 残余强度状态的破裂区围岩的碎胀变形引起的。 就巷道稳定性研究方面，P a p a n a s t a s i o uPa n dV a r d o u l a k i sI 等学者在文献【1 8 】中 主要用分叉理论分析硬岩巷道破坏的非唯一性和失稳问题，解释了硬岩巷道围岩 破坏形式的多样性现象。并且文献【1 9 l 根据层状煤系地层岩体和巷道围岩复合结构 破坏特征，将巷道围岩分为岩性弱结构、几何弱结构与应力弱结构三大类。提出 弱结构巷道围岩的塑性区、松动圈、重分布应力与原岩应力状态、弱结构类型密 切相关；几何弱结构的承载能力，不仅取决于岩 煤 柱自身的物理力学性质， 还取决于岩 煤 柱的几何尺寸。 4 ．关于采动岩体变形方面的研究 首先钱鸣高院士和缪协兴教授提出采动岩体力学作为一门新的应用力学分支 学科【2 们，对采动岩体的材料本构理论、灰色结构、岩体变形破裂一结构一运动 全过程和采动应力场进行了描述。文献【2 1 q 5 1 分别对采动岩体的关键层理论新进 展、受动压影响巷道围岩稳定性、动压巷道的矿压显现与控制、软岩动压巷道围 岩稳定性原理及控制技术和深井动压巷道围岩变形机理及支护技术都做了研究， 其中文献【2 1 】论述了有关关键层复合效应对采场矿压与岩层移动的影响，以及综述 了关键层理论在采场矿压控制、岩层移动与地表沉陷控制和煤层瓦斯抽放等应用 研究方面的最新进展。 文献／2 2 粕】分析了静压及动压作用下巷道围岩的稳定性特点，并论述了动压作 用下巷道围岩控制原理与技术。文献【2 5 】研究了采动支承应力作用下的软岩巷道， 其围岩破碎区、塑性区的范围，巷道变形与破碎围岩塑性区范围、峰后强度、支 护的关系，研究动压软岩巷道围岩变形机理、软岩巷道围岩流动规律，提出了深 井巷道围岩控制的“内、外结构”稳定性原理，以及软岩动压巷道围岩变形机理、 软岩动压巷道底鼓力学原理和软岩动压巷道围岩稳定性控制技术。 综上所述，国内外关于巷道围岩的变形机理方面的研究归纳起来有巷道围 4 第一章绪论 岩变形基本理论、回采巷道和采场围岩变形机理和深部巷道围岩变形机理。对巷 道围岩更进一步的研究有巷道围岩松动圈理论研究、巷道围岩破裂机理和破裂 范围研究和采动岩体及动压巷道围岩变形的研究。但总体来说，对基本巷道的研 究还较全面，尤其在采准巷道和采场围岩方面的研究较多，提出了一系列较成熟 的理论。对特殊条件下的巷道也有研究，但过于针对性和片面化。对采场和巷道 相互作用的研究，也只限制在采场和回采巷道围岩的相互作用机理研究。而采动 压力影响下的大巷围岩变形机理的研究相对较少。 1 ．2 ．2 关于巷道围岩控制变形方面的研究 对于煤矿开采来说，巷道是其整个生产系统的命脉，巷道受到各种应力的作 用，其围岩变形是煤矿时常发生的现象，为了保证矿井正常安全生产，必须确保 其命脉的畅通和完好状态，这就要不断的研究如何控制巷道变形，以改善井下的 劳动条件和作业环境。在控制巷道变形方面国内外采矿研究人员也做了大量的研 究。 1 ．关于巷道围岩控制的基本理论和发展方向 钱鸣高院士等通过对岩层控制的关键层理论分析【2 踟，提出了采场上覆岩层存 在有关键层，并在其上覆岩层垮落沉陷过程中起主导作用，论述了关键层的破断 规律及其复合效应等。 文献‘2 9 1 简要介绍煤矿开采中岩层控制问题的工程特点、研究重点及以岩层运 动为中心的矿压理论与体系。从煤矿开采中岩层控制的现实状况和现代高新技术 迅猛发展的实际出发，提出应用高新技术研究煤矿岩层控制问题的主要发展方 向。 2 ．加固法 加固法控制巷道变形主要有注浆、锚杆、封闭式支架、砌碹、混凝土反拱及 二次支护等。 其中文献‘3 0 1 针对我国目前锚杆支护技术推广过程中存在的问题，总结了各位 作者多年研究成果，基本反映了煤炭系统锚杆支护研究理论和实践经验的最新成 就，把锚杆支护机理及施工工艺作了详细叙述。文献1 3 u 针对软岩动压巷道中围岩 的松动范围较大、岩体强度较低的特点，提出使用锚杆支护难以使破碎岩块完全 处于受压状态而形成组合拱，采用锚杆支护与注浆加固相结合的方法，充分调动 围岩的承载能力，保证巷道围岩稳定。 对受构造和动压影响的复杂软岩特性巷道，文献[ 3 2 - 3 3 1 提出高阻力的u 型钢可 安徽理工大学硕士论文 缩性支架和低阻力端锚和高阻力全锚锚杆，具有较好的维护效果。文献【3 4 】通过对 大雁二矿巷道变形破坏研究，认为软岩成分、水和变形破坏的力学因素是导致巷 道变形的原因，提出了先治水。再进行二次支护并对围岩进行卸压保护的防治措 施。 3 ．卸压法 控制巷道变形的卸压法主要有切缝、卸压槽、钻孔、爆破、开卸压巷和留卸 压煤柱等。其中在爆破卸压方面的研究多半是松动爆破，钻孔爆破等，以及爆破 卸压和其他卸压方法的结合应用。 文献f “ 1 提出综放沿空巷道上方煤体中沿煤层顶板开掘卸压平巷和实施松动 爆破可显著降低沿空风巷围岩应力。通过分析巷道顶部和两帮两种掘巷卸压法的 机理和参数，经过顶部卸压法的工业性试验，在维护岩石巷道和跨采巷道方面取 得了良好的技术和经济效益，并推广到受动压强烈影响的松软巷道或硐室围岩控 制加固方面【3 6 ～3 们。 文献【3 8 1 依据爆破理论，设计了在巷道围岩中进行松动爆破的有关参数。通过 声波测试，证明了松动爆破有调整围岩应力分布的作用，即不仅降低了围岩应力 峰值，且使集中应力移向深部围岩。 巷道严重变形的实质就是其处于高应力区中，并积聚大量的弹性变形能。文 献[ 3 9 1 在分析了卸压爆破控制围岩及巷道变形机理的基础上，通过合理的卸压爆破 参数，在神火集团葛店矿高地压南3 1 0 2 2 机巷进行了卸压实践，证实了卸压爆破能 够很好的控制高地压、变形严重的巷道。 文献[ 4 0 l 应用二维元与边界元相结合，对爆破卸压巷道围岩的卸压效果进行了 分析和计算，得出了巷道围岩运动趋向及巷道周边应力升高区向巷道围岩深部转 移的规律。 文献1 4 1 1 分析了高应力软岩巷道基角爆破卸压的原理及参数确定方法，对比峰 峰集团万年矿现场试验表明，高应力软岩巷道基角卸压在巷道掘进初期对围岩变 形速度、变形量及稳定时间具有很好的控制作用。深部爆破卸压及浅部加强支护 可以充分改变围岩应力状态。 文献‘4 2 1 分析了切缝、爆破和掘巷卸压机理，提出了巷道围岩侧下角卸压法的 卸压机理、合理参数及适用范围。 4 ．联合支护法 联合支护法是指将两种或多种基本支护方法联合起来，选用合适的支护参数 加以耦合，以起到控制巷道变形的目的‘4 3 4 6 1 。 6 第一章绪论 文献【4 7 1 在分析锚杆及锚索支护机理的基础上，对其支护参数及动压煤巷二次 支护时间进行了优化。并结合注浆技术，对动压煤层巷道进行了锚注技术的实验研 究。 5 ．其他支护方法 主要是考虑到巷道复杂的地质和构造条件，针对不同用途的巷道提出的不同 于以上支护方式的支护方法。其中文献【4 8 1 通过对回采巷道的研究，提出选择合理 的掘进时间、留设合理的煤柱宽度和巷道内维护的控制巷道变形的技术方法。 综上所述，关于巷道围岩变形控制方面，国内外研究人员从认识巷道围岩变 形机理着手，提出了相应的控制方法，加固法和联合支护主要从支护体与围岩的 相互作用原理提出的支护方式。而卸压法则主要是从改变巷道的围岩应力分布状 态，使集中应力向深部转移，从而减弱围岩应力对巷道变形的影响。在卸压控制 巷道变形的研究中，爆破卸压技术多应用在控制高应力、且服务年限较长的巷道 变形方面。 1 ．3 存在的问题 从国内外的研究现状可知对巷道围岩变形机理及卸压控制方面的研究已经 取得了大量的成果，由于煤矿巷道的复杂性和多样性，虽然一些成果表述了巷道 围岩变形的基本机理，但太过于概括和笼统。还有一些成果研究下特殊条件的巷 道变形机理，但仅限于研究某一类问题，而对采动压力影响下的大巷围岩变形机 理、围岩应力运移规律以及如何对其应力传播加以控制的研究还需要深入。因此， 总结以上论述，结合采动压力影响下大巷围岩变形机理及其卸压控制研究课题概 括起来其不足之处有以下三个方面 1 ．对动压影响下的主要巷道围岩变形机理及其应力运移规律认识还不足，如 何对其应力传播加以阻断缺乏深入研究。 2 ．动压影响深部两种围岩性质的同类巷道，缺少把它们放在共饲的应力场中 加以区别研究，还需要加以补充和完善。 3 ．爆破与钻孔相结合的卸压方式对动压影响下的大巷围岩变形进行控制还 不够成熟，技术参数还有待深入研究。 1 ．4 论文研究的主要内容 本论文拟在广泛收集资料及大量调研的基础上，针对张集矿1 2 1 8 3 面采 动影响下的1 3 1 岩层回风大巷和1 1 ．2 煤层回风大巷及东翼受1 1 2 1 ’ 3 面回采影 安徽理工大学硕士论文 响的轨道大巷、回风大巷及其硐室，采用理论分析、F L A C 2 D 数值模拟与现场实 测研究相结合的综合研究方法，对下面五个方面内容，进行系统研究。 1 ．采动影响下大巷围岩变形机理数值模拟分析。 2 ．采动底板岩层应力分布、大巷受力及应力运移特征。 3 ．底板大巷围岩稳定性控制对策及钻孔爆破卸压方案。 4 ．1 3 ．1 煤层工作面停采线合理煤柱尺寸的留设。 5 ．底板大巷围岩变形现场监测。 1 ．5 解决的主要技术问题 1 ．未受采动影响巷道围岩变形研究 建立未受采动影响巷道的力学模型，对围岩分别进行力学和数值模拟分析， 从而总结出巷道围岩应力分布特征及其变形机理。 2 ．动压作用下大巷围岩变形机理研究 通过回采工作面底板围岩应力传播规律和围岩活动规律的研究，从而确定动 压影响下大巷围岩变形机理。 3 ．采动压力影响下大巷围岩数值模型的建立 通过模拟留设不同煤柱尺寸，采动对煤层底扳大巷的影响，分析出采动造成 的围岩应力变化规律。 4 ．大巷围岩变形的控制对策及卸压方案 通过对巷道围岩卸压方案的分析，确定钻孔爆破卸压的技术参数。 1 ．6 研究的技术措施与技术路线 本课题本着发现问题，分析问题，解决问题的原则，以现场调查提出问题为 前提，接着查阅、收集资料和岩石物理力学参数测定，通过理论分析、数值模拟 和工程实践相结合的途径，分析总结出未受采动影响大巷围岩变形规律，采动压 力作用下大巷围岩变形规律和采取合理卸压控制方法后的巷道变形情况，最终得 出采动压力影响下大巷围岩变形机理及卸压控制研究结论。 技术路线为 第一章绪论 I 现场调查提出问题I l 查阅、收集资料|I 岩石物理力学参数测定l 豳啦囱 未受采动影响大lI 采动压力作用下大1 恰理巷道卸压控I } 巷围岩变形规律lI 巷围岩变形规律lI 制后的围岩变形I 采动压力影响下大巷围岩变l 形机理及卸压控制研究结论J 1 ．7 理论和应用方面的意义 本论文主要针对受动压影响下大巷围岩变形机理的研究，分析围岩的应力分 布活动规律及留设不同煤柱尺寸对巷道变形的影响程度，建立巷道变形的数值模 型，总结出巷道围岩应力分布特点，从而确定使围岩集中应力向深部转移的钻孔 爆破卸压方法，有效地控制大巷的围岩变形。此方法的应用，能有效阻断动压下 应力的传播，对于减少巷道维护工作量，增加矿井产量、提高矿井的技术经济效 益、改善矿井安全生产环境具有重要的现实意义。同时为其它煤矿有类似围岩状 况的巷道维护提供参考。 9 第二章动压巷道围岩应力分布规律及破裂范围分析 2 动压巷道围岩应力分布规律及破裂范围分析 在一定地质条件下，动压巷道的稳定性取决于采动引起的围岩应力的分布范 围和集中程度，本章主要分析巷道在动压影响下其围岩的受力状态，计算巷道围 岩的塑性区范围大小、周边位移及破裂范围，总结出围岩运动特点、应力分布规 律。从而得出煤层开采过程中采场前方的支承压力分布，应力增高系数大小及其 采动状况与巷道围岩变形的关系。 2 。l 动压巷道围岩应力分布规律 2 ．1 ．1 未受采动影响的巷道围岩变形及应力分布规律 未经采动的岩体，在巷道开掘以前通常处于弹性变形状态，岩体的原始铅直 应力P 等于上部覆盖岩层的重量，好。巷道开掘后，巷道围岩应力要发生重新分布 并同时作用于巷道围岩，巷道围岩内部出现应力集中。当集中应力小于围岩极限 强度时，巷道围岩处于弹性状态；大于极限强度时，围岩处于塑性状态甚至破裂 松动状态，此时巷道围岩中形成弹性区、塑性区和破裂斟M 】。 运用极限平衡理论，在各向等压状态下巷道围岩应力分布如图l 所示。 P ；lII { IIII ， 图1 圆形巷道围岩的弹塑性变形区及应力分布 F i g ．1E l a s t i ca n df l e x i b l er a n g ea n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no f c i r c u l a rr o a d w a y p 一原始应力；吼一切向应力；O “ r 径向应力；P ，支护阻力；口一巷道半径； R 一塑性区半径；彳破裂区；曰一塑性区C 弹性区；D 一原岩应力区 在塑性区内圈 A 围岩强度明显削弱，低于原始应力，Ⅳ，围岩发生破裂和 位移称为破裂区，也叫卸载和应力降低区。塑性区外圈 B 的应力高于原始应 安徽理工大学硕士论文 咿慨 c 叫书面一伊 协t ， 叫”c c o ㈣善 爿而- c c o t 矿 c 2 艺， 盯k p 一笋 [ p ， c c o t 攻昙 等一c c 。t 刁享； c 2 - s ， 盯。 p - 一享； [ p ， c c o t 攻詈 等一c c o t 司享； c 2 4 ， 吼[ 譬鬻] 詈 协s ， 第二章动压巷道围岩虑力分布规律及破裂范围分析 l - 上 型 甜r os i n ‘o 。 翌2 二 堡翌2 2 ．6 ￡ C c o t e ⋯9 式中 p 一原岩应力 阢一支护阻力； r o 一圆形巷道半径； 妒一围岩的内摩擦角； C 一围岩的粘聚力； G 一围岩的剪切弹性模数。 由式 2 ．5 、 2 ．6 可知，巷道的稳定性和周边位移主要取决于岩层原岩应 力P ，反映岩石强度性质的内摩擦角舻和粘聚力C 等。它们之间的关系为 1 巷道的周边位移随巷道所在位置原岩应力的增大，呈指数函数关系迅速增 长；指数的大小取决于妒的变化，妒值越小，指数越大，“值增长愈迅速。 2 巷道的塑性区半径R 和周边位移u 随内摩擦角p 和粘聚力C 的减小，即围 岩强度降低而显著增大。 2 ．1 ．2 采动影响下巷道围岩变形及应力分布规律 煤层开采过程中，采场周围的岩体应力分布发生变化，围岩应力的动态变化 导致采场围岩出现应力集中区与降低区，从而引起采场附近的巷道围岩发生不同 程度的变形和应力再分布。 煤层开采后，采空区上部岩层重量将向采空区周围新的支承点转移，从而在 采空区四周形成支承压力带，分别为移动性支承压力或临时支承压力、固定支承 压力或残余支承压力和采空区支承压力。工作面前方形成超前支承压力，它随着 工作面的推进向前移动，在煤层顶板和底板形成一定程度的应力升高区和应力降 低区。支承压力的显现特征通常用支承压力分布范围、分布形式和应力峰值来表 示。 回采工作面的移动性支承压力不仅在前方煤体上造成应力集中，而且还会向 煤层底板深部传递，在底板岩层一定范围内重新分布应力，成为影响底板巷道布 置和维护的重要因素。 按着在集中载荷、均布载荷、三角形载荷作用下，计算半无限平面体内应力 的有关公式，计算在三种典型的载荷作用下底板岩层的应力分布如图2 所示。由 图可知 安徽理工大学硕士论文 1 ．底板岩层内任一点 z ，x 的应力，主要取决于上部煤柱的载荷、该点在底 板岩层内的深度及该点与上部煤柱边缘或中心线的水平距离。 2 ．一侧采空及两侧采空、宽度较大的煤柱载荷的最大传递深度约为1 ．5 ～2 B ， 而两侧采空、宽度较小的煤柱载荷的最大传递深度约达3 ～4 B 。在底板岩层位于 同一深度处，如z B 处，前者上部煤柱的影响己不太明显，而后者受到上部煤 柱强烈影响。 这是布置在两侧采空，宽度较小煤柱下的底板岩巷和邻近煤层巷道维护十分 困难的主要原因。 面辅抖斗斟淞而王 髫镧螭 缸下赤陌啦 k F 开再南再醉F F F 一 100 ； 0 l Jr 10 底扳岩层至{ 鬟拄中心距离B L O‘b 匿L i 二hIrf Ir rf 7 T 丁rII _ fr rIrT } 毒出醛 亍i 曼矿} 、丑请千1 帮i 醚_’i ≈’孓孑r 【 ，掰酮 F 阿兀而羽寸一升新 | 3 b＼， 弩h 麻珂释膏鬲请砰于阿丁j 肾 。寸f f r r rml { 开干f f 于刊 r T T F 『ft 异骨千斤秆下玎 i 耐几一 图 上部煤层开采后煤柱载荷在底板岩层不同深处的垂直应力盯分布 a 一侧采空 b 两侧采空 煤柱宽B ，均布载荷； c 两侧采空 煤柱宽 ，马鞍} I 载荷 ∞_班榔宅噬毯话叫僦噬孤蟮世 ，舀5 o 5 o C 0 0 ● 、 己 0 n ● ● 己血＼骚晰譬蓍f耧箍叫M琶f弧蟮世 第二章动压巷道围岩应力分布规律及破裂范围分析 3 ．两侧已采，宽度较小的煤柱下，在同一水平截面上的底板岩层应力盯， 以煤柱中心线处为最大，并随着与煤柱中心线的水平距离的增加呈正态分布衰减。 一侧己采煤柱下，在同一水平截面上的底板岩层应力盯，的最大值不是在煤柱边缘 处，而是在煤柱下方，距采空区边缘数米处，随着与该处之间的水平距离的增加 也近似呈正态分布衰减。两侧已采，宽度较大的煤柱下，在同一水平截面上的底 板岩层应力盯，，以煤柱中线处较小，靠近煤柱边缘处出现两个峰值。因此，布置 在煤住下方的巷道，为了减轻煤柱影响，不仅需正确选择Z 值，还应注意选择x 值。 4 ．无论何种煤柱载荷下，在底板岩层内的应力分布都呈扩展状态。盯，，，行为 l 的曲线即为煤柱在底扳岩层内的影响范围，该线与煤柱边缘铅垂线之间的夹角 即为煤住载荷在底板岩层内的影响角，通常为3 0 。～4 0 。。因此，布置在采空区 下方的底扳岩巷或邻近煤层巷道，务必与煤柱边缘保持一定的水平距离，否则巷 道仍然位于高应力区内。 2 ．2 动压巷道围岩运动规律及破裂范围 采动影响下的巷道围岩应力重新分布，出现一定的应力集中，导致巷道围岩 发生不同程度的变形。巷道围岩变形主要是由处于破裂松动状态的破裂区围岩的 破裂膨胀引起的。巷道围岩状态参数变化是围岩应力和围岩强度共同作用的结果， 是二者的综合反映。 2 ．2 ．1 巷道围岩运动规律 由本章第一节得知，在巷道围岩中形成弹性区、塑性区和破裂区。弹性区围 岩处于弹性状态，塑性区围岩处于塑性应变软化状态，破裂区围岩处于残余强度 状态。 当巷道围岩处于弹、塑性状态时，支护问题比较简单。然而，当巷道围岩处 于破裂松动状态 残余强度状态 时，由于这部分围岩己失去自承能力，围岩稳定 性差，巷道变形量大，因此支护将变得困难。巷道围岩破裂范围越大，围岩稳定 性越差，支护也越困难。 巷道围岩运动引起围岩变形，表示巷