煤层巷道复合顶板结构对其稳定性影响分析.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 顶板厚度和复合顶板综合强度系数为主的新的稳定性分类方法，为今后更复杂结构的复 合顶板巷道稳定性控制提供科学依据。 关 键 词复合顶板；变形破坏；模型试验；围岩稳定性 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 affecting the stability of the composite roof lithology, thickness, location, number of layer structure characteristics. 3 Based on the simplified structural mechanics theory of composite roof composite beams, a simplified mechanical test model of composite beams is established, and the mechanical characteristics of composite beams with different lithology, rock thickness, layer number, rock layer position and interlayer bond force are tested.The test results show thatWhen the thickness of coal roadway composite roof is certain, the stability of the roof increases with the increase of lithology, the thickness of hard rock, the decrease of the distance between the hard and thick strata and the strengthening of the interlayer bonding force, and decreases with the increase of the number of layers. The stability of the roof is less influenced by the number of layers when the number of layers is greater than four layers.The influencing factors areLithology rock thickness Layer rock position interlayer cohesive force. 4 Based on the similarity theory, the similar simulation test is adopted.A test model for the surrounding rock structure of four coal roadway composite roof roadway is established, which is geometrically similar and equal in strength. The stress distribution and failure characteristics of surrounding rock under ground stress are revealed.The test results show that the stability of the composite roof is very important to the stability of the roadway surrounding rock. 5 On the basis of the above research, and combined with the current classification of the stability of the composite roof. A new classification based on composite roof thickness and composite roof strength coefficient has put forward, which will provide a scientific basis for complex structure roof roadway stability control in future. Key wordsComposite roof; deation failure; model test; stability of surrounding rock ThesisApplication Research 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 选题的背景及意义...........................................................................................................1 1.1.1 研究意义....................................................................................................................1 1.1.2 工程背景....................................................................................................................2 1.2 国内外研究现状...............................................................................................................4 1.2.1 复合顶板变形破坏规律研究现状............................................................................4 1.2.2 复合顶板巷道围岩稳定性模拟试验研究现状........................................................6 1.3 主要研究的内容及方法...................................................................................................8 1.4 技术路线...........................................................................................................................9 2 煤巷复合顶板的结构特征及变形破坏规律.......................................................................11 2.1 煤巷复合顶板的结构特征.............................................................................................11 2.2 煤巷复合顶板的变形破坏特征.....................................................................................12 2.2.1 顶板受力及变形破坏形式......................................................................................12 2.2.2 帮部受力及变形破坏形式......................................................................................14 2.2.3 顶部与帮部相互作用机理分析..............................................................................15 2.3 煤巷复合顶板变形破坏过程及规律.............................................................................15 2.3.1 复合顶板破坏过程..................................................................................................15 2.3.2 复合顶板变形破坏规律分析..................................................................................16 2.4 煤巷复合顶板稳定性的影响因素分析.........................................................................17 2.4.1 地质方面的因素......................................................................................................18 2.4.2 工程方面的因素......................................................................................................19 2.5 本章小结.........................................................................................................................20 3 基于简化的复合顶板结构对其稳定性的影响试验研究...................................................21 3.1 简化的复合顶板结构力学理论.....................................................................................21 3.1.1 单一均质岩梁受力分析..........................................................................................21 3.1.2 多层复合岩梁受力分析..........................................................................................23 3.2 简化模型试验方案.........................................................................................................26 3.2.1 材料的选取及其主要试验设备..............................................................................26 3.2.2 砂岩的物理力学性能试验......................................................................................27 3.2.3 试验方法及过程......................................................................................................29 3.3 试验结果分析.................................................................................................................30 万方数据 目 录 II 3.3.1 不同结构形式对煤巷复合顶板的影响分析..........................................................30 3.3.2 简化组合梁结构变形破坏规律分析......................................................................34 3.4 本章小结.........................................................................................................................37 4 煤巷复合顶板结构稳定性相似模拟试验研究...................................................................38 4.1 模拟材料的选取及结构模型的制备.............................................................................38 4.1.1 模拟材料的选取及配比..........................................................................................38 4.1.2 结构模型的设计及制备..........................................................................................39 4.2 结构模型试验方案布置.................................................................................................41 4.2.1 结构模型的物理力学性能试验..............................................................................41 4.2.2 试验方法及过程......................................................................................................43 4.3 不同结构模型的试验结果分析.....................................................................................45 4.3.1 模型的应力-应变曲线分析.....................................................................................45 4.3.2 巷道位移曲线分析..................................................................................................47 4.3.3 结构模型的累积位移对比分析..............................................................................48 4.4 结构模型的局部与整体破坏特征分析.........................................................................49 4.5 本章小结.........................................................................................................................51 5 煤巷复合顶板稳定性分类研究...........................................................................................53 5.1 围岩分类的意义.............................................................................................................53 5.2 工程常用岩体分类方法.................................................................................................53 5.2.1 普氏岩石分级法......................................................................................................53 5.2.2 按岩体特性及变形机理分类..................................................................................54 5.2.3 按煤岩软化程度分类..............................................................................................56 5.3 煤巷复合顶板结构的稳定性分类.................................................................................56 5.3.1 煤巷复合顶板分类的原则......................................................................................57 5.3.2 煤巷复合顶板的分类依据......................................................................................57 5.3.3 煤巷复合顶板的分类方法......................................................................................57 5.4 本章小结.........................................................................................................................59 6 结论与展望...........................................................................................................................61 6.1 主要结论.........................................................................................................................61 6.2 进一步需要研究的问题.................................................................................................62 致谢...................................................................................................................................63 参考文献...................................................................................................................................64 附录...................................................................................................................................68 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景及意义 1.1.1 研究意义 煤炭资源作为中国的主要能源，在其经济建设中具有举足轻重的地位。随着煤炭资 源的进一步开发利用，我国煤炭开采已逐步向深部地质条件较复杂的煤层转移，随之而 来的是煤炭开采难度的进一步增大，安全生产的问题越来越严重，特别是顶板冒落事故 越来越突出；据不完全统计，自 2005 年至 2009 年煤矿顶板垮落破坏的事故发生频率占 煤矿总事故次数的 43，伤亡人数也较多，占总伤亡人数的 20左右[1]，其中复合顶板 冒落导致冒顶事故占相当大的比例。 我国大约三分之一的煤层顶板属于复合顶板，其覆盖面广。煤巷复合顶板一般为软 硬岩层互相间隔或为多层软弱岩层构成的复合结构。由于地质构造作用，煤巷复合顶板 岩体结构特征常常表现为层状结构形式，岩层层理、节理、裂隙等地质结构弱面发育， 顶板内部多数岩层厚度偏薄或者顶板分层数偏多且各个单一岩层厚度较小，岩层间粘结 力相对较小，容易离层、冒落，很难形成整体组合结构共同承载的岩梁顶板，且垂直于 层状岩层方向的抗拉强度基本为零， 然而与裂隙不太发育的岩石对比， 部分结构弱面 （层 理、节理）的抗剪强度非常低。在煤层巷道复合顶板中，结构性较差的直接顶结构作为 垂直荷载的主要支撑体，在垂直地应力作用下顶板结构易离层破碎和失稳冒落[2-3]，这是 导致煤层巷道复合顶板结构稳定性较差的主要原因之一。 一般来说，煤层巷道复合顶板围岩的稳定性受岩块特性、岩体结构构造、地应力、 水文条件及巷道方位、断面形状等因素的影响。且复合顶板结构自身的稳定性对巷道围 岩的稳定性至关重要并相互影响，但在不考虑巷道围岩工程、地质条件等外界因素时， 影响复合顶板自身稳定性的主要因素是岩性、厚度、位置、层数等结构特征。同时复合 顶板结构又可以简化为组合梁力学模型，其组合梁的受力变形与内部各层板的弹性模量 （岩性）、惯性矩（厚度、跨度）及所处在组合梁结构中的位置等因素有关，从而进一 步说明在复合顶板煤巷跨度不变的情况下，影响复合顶板结构稳定性的主要因素是直接 顶内部各岩层的岩性、厚度、位置及层数等。然而本文提到的复合顶板结构是指岩层岩 性、厚度、位置及分层数等主要影响因素的不同组合的结构形式。 目前，许多学者从顶板岩性、厚度、地应力等影响因素对复合顶板的稳定性进行了 研究与探讨[4-7]，形成了一些围岩稳定性分析及分类方法。例如课题组根据澄合矿区典 型的复合顶板结构，提出的以复合顶板厚度和复合顶板综合强度系数为依据的稳定性分 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 类方法，来评价煤巷复合顶板结构的稳定性，但由于此分类方法没有通过试验验证，且 没有充分考虑岩层的岩性、厚度、位置及层数等自身主要因素对其稳定性的影响。因此， 从复合顶板结构的结构特征出发，进一步对煤巷复合顶板稳定性进行详细分析是一个势 在必行的研究课题，同时提出一套科学、合理的复合顶板稳定性分类方法，对今后煤巷 复合顶板的稳定性评价及控制具有十分重要的工程应用价值。 1.1.2 工程背景 （1）澄合矿区基本概况 澄合二矿位于澄合矿区的西部，地质构造形态基本上为一走向 EW，倾向 N，并呈波 状起伏的单斜构造。其中内部的地层倾角大多在 20150 区间之内，煤矿地层较深的部 位倾角略小，大致在 80 左右浮动，而煤矿地层较浅的部位倾角略大，大致在 100 左右浮 动。 澄合二矿位于渭北黄土台塬沟壑区，矿权范围内沟谷发育，最大切深大约 80m，且 有部分基岩露出。塬面较宽广，上部多被黄土笼盖，黄土层厚度 0～107m。平均海拔标 高约＋550～＋658m，而且地势南低北高。 几经改扩建的澄合二矿，现已具备完善的生产系统和基础安全设施，符合行业技术 规范及标准。 煤矿生产已全面形成了采掘机械化的格局， 近年来被陕煤集团总部评为 “标 准化煤矿”和“优秀煤矿”。 2006 年煤矿审定产煤能力为 69 万吨，而现实产煤能力 65～68 万吨。现生产采区有 二水平三采区和四采区，三采区尚可服务 2～3 年，四采区可服务 8～9 年。根据矿务局 振兴澄合老区的发展规划， 二矿于 09 年后半年开拓三水平 （马家河断层以西及矿井现北 部边界以北至西河井田北部边界），预计可延长矿井寿命 50 年。 （2）煤层巷道围岩地质条件 ①煤层 井田中 5 号煤层为主要的采掘层，3 号煤及 10 号煤为部分采掘层，这三层煤的物理 性质和煤岩特征基本相近。5 号煤厚度为 3.7～5.3m，平均厚度为 4.26m，亮黑色，块体 结构，受力易破碎成粉状，结构面裂隙发育，有的被方解石装填；煤质较软，普氏系数 9 . 08 . 0f ，煤层内有夹矸 2-3 层，本煤层分为稍煤、中煤、底煤三个自然层，结构为 0.2（0.34），0.8（0.2），0.6（0.2）2.0。 ②顶板 直接顶复合顶板直接顶板结构多为黑色炭质泥岩（俗名五尺渣），厚度 0～4.4m， 内含少量黄铁矿，节理裂隙较发育，内有多层夹矸，岩体较软 5 . 22 . 1f 。炭质泥岩 上赋存 5 号煤层，厚度为 0～1.2m，块状，结构为 0.2（0.15）0.4，质较软，普氏系数 5 . 10 . 1f 。由于沉积冲刷关系，冲刷掉大部分“五尺渣”，在井田较浅部位形成 5 万方数据 1 绪论 3 号煤层 K4 直接顶。 老顶为 K4 灰色砂岩胶结坚硬，厚度基本在 4.8～16.5m 之间，且平均厚度大约为 11.0m，岩质较硬 5 . 30 . 2f ，含有大量细小云母片和黄铁矿结核，层理裂隙不发育， 能够作为巷道支护的稳定层。 附图2 地层综合柱状图 层层 号号 5 6 7 8 9 10 柱柱状状 1 1 2 20 00 0 厚厚度度 M M 岩岩石石名名称称岩岩 性性 特特 征征 描描 述述 4.8-16.5 11.0 粉砂岩 细粒砂岩 5上 煤 砂质泥岩 5 煤 泥 岩 粉砂岩 灰至灰黑色，层面含大量细小白云母片和黄铁矿结核，具 有斜层理或缓波状层理。 黑色，块状，结构0.20.150.4，质软f1.0-1.5。 灰黑色，含黄铁矿结核，水平层理，质较软。局部相变为 粉砂岩。 黑色，块状，较软f0.8-0.9 结构0.250.210.90.10.70.12.0。 块状，含丰富植物根部化石，遇水易膨胀 f1.0-2.0，遇水时f 0.07。 块状，钙质或硅质胶结，夹石英砂岩薄层， 坚硬，f6.0-9.0。 3.7-5.3 4.26 3.0-6.2 4.0 0.2 1 2 3 4 4.4-14.5 8.2 1.8-4.5 3.5 7.0 0.24-0.70 0.5 3 煤 粉砂岩 中-细粒 砂岩 粉砂岩 黑色，光亮型，较轻，f0.8-0.9。 浅灰至黑灰色，块状结构，不显层理，含较多黄铁矿结核， 含白云母片和植物化石，硬度中等，f4.0-7.0。 上部粒度较粗，为中粒结构，下部粒度较细，为细粒结构， 成份以长石、石英为主，较坚硬，f6.0-8.0。 灰黑色、块状、夹细砂岩薄层，层面分布较多星点状白云 母，含植物茎叶化石，硬度中等，f4.0-7.0。 水 0-1.2 0.75 0-1.8 0.70 图 1.1 澄合二矿地质柱状图 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 ③底板 大部分底板为灰黑色块状石英砂岩（K3），局部变相为砂质泥岩（ 0 . 20 . 1f ， 遇水时 07. 0f ），可塑性较强，遇水易膨胀和发生底鼓，层理裂隙不发育，岩体坚硬， 普氏系数为 0 . 90 . 6f 。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 复合顶板变形破坏规律研究现状 层状岩体因分布广泛，各层岩性差异较大且具有变形和强度各向异性特征，同时会 受煤层及附近软弱夹层等因素影响，与其他地下工程相比而言，它具有一定的复杂性和 特殊性[8-11]。因此，大多数学者运用多种力学理论方法对其进行了深入的研究。 赵一超，高明仕，刘昂[12]建立了复合顶板巷道的力学模型，分析了巷道围岩的应力 分布规律及变形破坏特性，得出了巷道顶角、顶板跨中为应力集中部位，并提出了煤巷 复合顶板顶帮兼治的支护理论。 谷拴成[13]依据板的弯曲理论，并结合层状顶板岩层的变形破坏机理，针对层状顶板 结构的受力变形条件及顶板岩层稳定性的主要影响因素进行总结分析，并提出了层状顶 板结构的支护技术。 侯公羽[14]采用力学分析方法，研究了复合层状岩体施加拉锚支护的受力状态，试验 中的水平横向荷载由万能压力机提供，表明了破断后的“铰接拱结构”岩层，应利用弹 性稳定性理论去深入研究其分叉行为。 谷拴成，史向东等人[15]在考虑层状顶板中不同岩层的物理力学性质及岩梁两端摩阻 力的基础上，采用弹性力学理论对组合岩梁力学模型进行受力分析，得出了平衡拱高度 及每一层岩层破坏面与铅垂方向的夹角。 谷拴成，樊琦等人[16]针对层状顶板结构冒落拱高度计算的问题，并结合普氏理论计 算方法，提出了较科学、合理的冒落拱高度分层计算法，并试着将该计算方法推广到复 杂结构的倾斜层状岩体中去。。 鞠文君[17]对层状顶板离层理论、顶板离层界限值及顶板离层极限值概念进行划分， 提出“广义顶板离层”概念及确定层状顶板离层界限值的八项指标和施工现场采值的方 法。并说明抑制层状顶板挠曲离层、失稳垮落最主要的方法是对各岩层层间离层进行有 效测量和监测。 杨逾，冯国才[18]等人根据板理论知识，建立了多个叠合梁力学模型并分别对其进行 受力分析，研究了两层及多层坚硬叠合梁的受力特征，在此基础上，给出了垂直地应力 下作用下叠合梁的沉降位移计算方法，并确定了叠合梁的挠曲变形公式及最大挠度计算 公式。 万方数据 1 绪论 5 美国学者 Syd S.Peng[19]著的煤矿地层控制中，根据压力拱理论解释了巷道顶部 的直接顶属于卸压状态，同时顶板岩层会产生滑移、挠曲和离层现象，并认为顶板中发 生离层和断裂岩层位于裂缝带。 蔡庆生[20]建立了简化的力学模型，研究了复合顶板的应力分布规律及变形破坏特 征，得出了复合顶板巷道顶角及顶部跨中部位容易产生应力集中现象。并结合工程实例 提出了对应的支护措施。 李鹏[21]总结了煤巷复合顶板的变形破坏特征及稳定性影响因素，分析了复合顶板煤 巷的受力状态及复合顶板围岩的支护方法，提出了煤层巷道复合顶板的主要支护方法是 动态信息设计法。 孙广忠[22-23]将复合顶板中的岩层简化成两端固定支座的弹性梁力学模型，并利用能 量平衡原理进行受力状态分析，得出单一岩层失稳的临界水平荷载公式 s aq s EI Pcr 2 sinπ4 2 2  其中，E、I、s 分别为岩梁的弹性模量、惯性矩、跨度；q，为梁的横向荷载和倾 角。 朱涛[24]等建立了“散体－块体”顶板结构力学模型，研究了距离极近的煤层采区的 顶板岩层的结构特征与支护，揭示了工作面端面顶板冒落的机理和动态过程及复杂特厚 煤层应力演变机理。 王成帅，康天合等人[25]通过实验室试验、理论分析及数值模拟等研究方法，对复合 顶板煤巷受力特性、变形破坏过程、失稳破坏特征及围岩支护技术进行了系统的研究， 得出了煤层巷道顶角部位以剪切压应力为主，应当及时采用倾斜度约为 20的锚杆、锚 索进行加强支护，从而使锚固后的组合梁具有足够的支护约束力。 崔希鹏， 谷拴成等人[26]运用材料力学、 工程力学及工程地质学等多种力学理论方法， 结合复合顶板巷道的受力变形规律得出了某煤矿复合顶板煤层巷道的破坏失稳的主要原 因。并通过顶板岩层受力状态、岩层层间挠曲离层、巷道围岩变形及支护体的现场监测 数据等信息，得出了复合顶板结构应力调整岩体结构刚度弱化应力再调整顶板结 构稳定（或失稳）的变形破坏机理。 余为[27]等人在研究采煤工作面上方承载岩体力学及结构性质过程中，利用理论推 导，计算出承载体具有的不同变形关系方程式，并得出了复合顶板关键层在不同开采参 数下拉伸变形数值，还总结了可以防止承载岩层发生沉降的办法。 黄庆享等人[28-30]根据开采浅藏煤岩体的工程实践，把工作面老顶发生周期性来压时 的顶板作为短砌体梁及台阶岩梁，构造出力学分析模型，并讨论了关键层不发生破坏的 条件，提出了工作面顶板受压明显和沉降主要由于关键层的不稳定造成的，以及工作面 覆岩关键层断裂前后关键块体所受压力的演化特征；针对压力在岩层间进行转移的机理 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 6 第一次定义了压力转移因子， 推导了压力拱外形曲线的方程式以及压力转移因子的数值， 解决关键块体上应力分布问题。 李凤仪，王继仁等人[31]按照传统的浅藏煤岩体上覆岩体所具有的物理力学性质，创 建了适用于上述赋存条件的覆岩梯度复合板模型，还根据傅里叶转换方程式求解出煤体 上方关键层的位置和上覆岩体的离层情况。 孙振武，缪协兴等人[32]按照经典力学方法，计算得到当存在一层薄弱夹层位于相邻 的两层厚硬岩体中间时，可以构成组合关键层的前提，然后建立能形成组合岩层的判定 方程式，并将该方法推广为复合关键层的判别方法。 张蕾，张志明等人[33]结合复合泥岩顶板巷道常遇到的失稳冒落等影响工程安全生产 的问题，根据复合顶板岩层中泥岩的厚度及位置对复合泥岩顶板巷道进行分类，并采用 力学理论的分析方法，研究引起复合泥岩顶板变形破坏及失稳冒落的根本原因，提出了 “高预应力锚杆索索析架体”联合支护措施。 北京交通大学的刘开云，乔春生，滕文彦等人[34]视采场工作面上方岩体的组合效应 为复合单一关键层的活动过程，分别把该关键层结构采用弹性力学中薄板力学解法以