沿空留巷整体浇注护巷带主要参数及其适应性.pdf

中国矿业大学学报990 2 0 6 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG e 为老顶岩梁 短边断裂后侧向的跨度 一般情况下，可以近似取为工作面的周期来压步距L1［1，2 ］ ，m ； c 为巷道宽度，m . 老顶岩梁处于极限应力状态时， 2 式中σt为老顶抗拉强度，M Pa ；M m a x 为老顶发生破断时的最大弯矩，M N*m ; h 为老顶厚 度, m ；α1为煤层倾解， . f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 0 6 . h t m （第 2 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 0 4 中国矿业大学学报990 2 0 6 图1 沿空留巷力学模型 Fi g . 1 T h e m e c h a n i c a l m o d e l o f r e t a i n e d g o b -s i d e e n t r y 若将煤层和直接顶视为弹塑性基础，老顶岩梁处于极限应力状态时，M B应当小于 M m a x . 为了简化求M B的推导过程，减少围岩参数，可将老顶岩层上下一定厚度的介质视为 弹性介质，并认为近似满足W i n k l e r 弹性地基假设，即 p -K c y , 3 式中p 为作用在老顶上的由于采动引起的扰动压力，M Pa ；y 为老顶的竖向位移，m ；K c 为 地基系数 与上下夹层的厚度及力学性质有关 ，M N/ m 3. 将老顶视为半无限长梁 如图2 所示 ，受到横向分布载荷p 及轴向力N的作用. 参照 T i m o s h e n k o 解，梁的弯曲变形微分方程可以写成 4 图2 沿空留巷老顶岩梁弹性基础力学模型 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 0 6 . h t m （第 3／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 0 4 中国矿业大学学报990 2 0 6 Fi g . 2 T h e m e c h a n i c a l m o d e l o f m a i n r o o f o n a n e l a s t i c b a s e f o r r e t a i n e d g o b -s i d e e n t r y 边界条件为x 0 时，y y B, y ′ θB y ′B, MB EI y ″B, QB EI yB NyB. 求解微分方程 4 ，得老顶的变形曲线方程为 5 其中 对式 5 逐次求导，便可求出岩层截面转角θ，弯矩M 及剪力Q 的计算公式. 由微分方程 的边界条件可得 6 将式 2 和式 6 代入式 1 ，由于ΔE, ΔD很小，因此可忽略NDΔD和NEΔE项. 于是，求得 巷旁支护体的支护强度 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 0 6 . h t m （第 4／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 0 4 中国矿业大学学报990 2 0 6 7 利用M ′ Q 0 ，可求得老顶在巷道煤帮内断裂的深度 8 3 护巷带支护强度、巷道变形与老顶岩层“第2 次断裂”的关系 当整体浇注护巷带没有能力继续切断顶板岩层时，将会在巷道煤帮一侧发生“第2 次断 裂”. “第2 次断裂”后，老顶岩层必然会向采空区方向回转下沉，直到其在采空区侧形成平 衡结构，这种“回转下沉”才会结束. 在滞后影响阶段，沿空留巷巷道的变形主要是由老顶 岩层的回转下沉引起的，它与老顶岩层在煤层内的断裂深度、老顶岩块侧向跨度、采空区的 充填程度有关，如图3所示. 沿空留巷巷道支护体对老顶岩层的回转下沉所引起的巷道变形是 无能为力的，只得适应之. 图3 巷旁支护强度不足时的老顶岩梁受力 Fi g . 3 M e c h a n i c a l m o d e l o f m a i n r o o f u n d e r s m a l l r o a d s i d e s u p p o r t s t r e n g t h 现场实测和相似材料模拟试验均表明沿空留巷巷道顶板向采空区方向倾斜的角度与老 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 0 6 . h t m （第 5／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 0 4 中国矿业大学学报990 2 0 6 顶岩层在煤层内断裂以后向采空区方向倾斜的角度基本一致［3］. 由此不难得出沿空留巷巷 道在滞后影响阶段顶板下沉率与老顶岩层向采空区方向倾斜的角度之间的几何关系. 巷旁支护体的平均下沉率 9 式中H 为采深，m ；M 1为巷旁支护体的高度，m ；β1为老顶岩层断裂后向采空区倾斜的 角度， . 从图3可知，对沿空留巷的支护强度和变形影响最大的是岩梁2 . 经受力分析得 10 式中K 为采动引起的应力集中系数；σR′为老顶发生第2 次断裂后的巷旁支护强度， M Pa ；其它参数与前面相同. 若按照以上公式计算出的所需要的巷旁支护强度大于巷旁支护体的屈服强度，此时图3 所示的结构就不能形成静力平衡结构，老顶岩梁会继续回转下沉，直到形成新的平衡结构. 此时，巷旁支护体支护强度σR′趋于0 ，可以此条件来计算β1之值. 由式 10 ，可得 11 根据我国沿空留巷实际工程的统计资料，不同围岩条件下沿空留巷支护系统的支护强度 与下沉率如表1所示. 若由式 10 和 11 计算得出的充填体的下沉率 2小于表1中所列的充填体 的最大下沉率ηm a x，巷旁充填体能够保持稳定. 否则，巷旁充填体不能保持稳定. 表1 不同围岩条件下沿空留巷支护系统的支护强度与变形 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 0 6 . h t m （第 6 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 0 4 中国矿业大学学报990 2 0 6 T a b l e 1 T h e s t r e n g t h a n d d e f o r m a t i o n o f t h e s u p p o r t s y s t e m o f r o a d w a y ’s p a c k -f i l l i n g f o r v a r i o u s s t r a t a 工作面顶板 类 别 采高/ m 巷内支护 方式 巷旁支护 方式 巷旁支护强度/ M Pa 巷旁支护顶底 下沉率ηm a x/ Ⅰ级Ⅰ类、Ⅱ级Ⅱ 类和Ⅲ级Ⅲ类 3. 0 可缩性金 属支架或 锚杆支护 高水材料 充填带 6 15 一般在大于15，小于 2 0 时充填体已经出现明显裂 纹， 大于2 0 时已经被压坏 Ⅰ级Ⅰ类、Ⅱ级Ⅱ 类和Ⅲ级Ⅲ类 3. 0 可缩性金 属支架或 锚杆支护 高水灰渣 充填带 6 Ⅰ级Ⅰ类和 Ⅱ级Ⅱ类 2 . 5 可缩性金 属支架或 锚杆支护 木密集支 柱 6 3 Ⅰ级Ⅰ类、Ⅱ级Ⅱ 类和Ⅲ级Ⅲ类 2 . 0 可缩性金 属支架或 锚杆支护 金属摩擦 密集支柱 3 7 Ⅰ级Ⅰ类、Ⅱ级Ⅱ 类和Ⅲ级Ⅲ类 3. 0 可缩性金 属支架或 锚杆支护 混凝土砌 块墙 10 5 Ⅳ级Ⅳ类 1. 5锚杆支护木垛 0 . 5 40 Ⅳ级Ⅳ类 1. 5锚杆支护矸石带 1 35 4 适应性分析 为了对沿空留巷巷道的适应性进行分析，按照工作面顶板的分类标准，可分为Ⅰ 级Ⅰ类～Ⅳ级Ⅳ类顶板，弹性模量分别为E 7 . 1, 9. 5, 11. 8 , 14. 2 G Pa ，单轴抗压强度 σc 35, 45, 55, 6 5 M Pa ，抗拉强度σt 4, 5, 6 , 7 M Pa ，周期来压步距L1 15, 17 , 2 0 , 2 5m . 为了进 行比较, 取老顶岩层的厚度h 5m ，煤层倾角α1 0 ；巷道宽度c 3m ，高度M 2 m ; 选用 高水充填材料作为护巷带，巷旁支护体宽度d 1. 5m ，高度M 1 2 m . 直接顶-煤层刚度 K c 50 ，10 0 ，150 ，2 0 0 ，2 50 ，30 0 ，350 ，40 0 M N/ m 3. 计算结果如图4所示. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 0 6 . h t m （第 7 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 0 4 中国矿业大学学报990 2 0 6 图4 不同围岩条件下的巷旁支护强度 Fi g . 4 T h e s t r e n g t h o f g a t e -e d g e p a c k -f i l l i n g f o r v a r i o u s s t r a t a 1～4分别代表Ⅰ级Ⅰ类～Ⅳ级Ⅳ类围岩条件 从图4可见，在同样的老顶岩层条件下，所需的巷旁支护强度随着直接顶-煤层刚 度的增大而明显减小；老顶越坚硬，所需的巷旁支护强度越大. 整体浇注护巷带的支护 强度只能达到6 M Pa ，从Ⅰ级Ⅰ类至Ⅳ级Ⅳ类顶板，当直接顶-煤层刚度K c 分别大于 50 ，10 0 ，2 0 0 和32 0 M N/ m 3时，整体浇注护巷带能够切断顶板岩层. 显然，整体浇注护 巷带切断象Ⅳ级Ⅳ类这样的顶板比较困难. 从徐州庞庄矿和夹河矿、邢台显德汪矿以及 新汶瞿镇矿的沿空留巷工程来看，整体浇注护巷带较为适用于Ⅰ级Ⅰ类至Ⅲ级Ⅲ类顶 板围岩条件，而不太适用于Ⅳ级Ⅳ类顶板围岩条件. 5 主要结论 1 统计分析了我国50 年代以来沿空留巷的工程实例，提出了各种围岩条件下沿空 留巷的巷内与巷旁支护的支护参数. 2 应用理论分析法，对沿空留巷的老顶断裂与沿空留巷的支护强度及变形的关系 进行了较为深入的研究. 3 提出了沿空留巷巷旁支护初期 老顶第1次断裂时 支护强度的计算方法. 4 提出了沿空留巷巷旁支护后期 老顶第2 次断裂后 支护强度及巷道变形的计算方 法. 5 整体浇注护巷带较适用于Ⅰ级Ⅰ类～Ⅲ级Ⅲ类顶板围岩条件，而不太适用于Ⅳ 级Ⅳ类顶板围岩条件. 作者简介 漆泰岳，男，1958 年生，高级工程师，工学硕士 作者单位中国矿业大学采矿工程系 徐州 2 2 10 0 8 参考文献 1 钱鸣高, 赵国景. 老顶断裂前后的矿山压力变化. 中国矿业大学学报, 198 6 , 12 4 11～19 2 蒋金泉. 采场围岩应力与运动. 北京 煤炭工业出版社, 1993. 6 2 ～6 7 3 郭育光, 柏建彪, 候朝炯. 沿空留巷巷旁充填体主要参数的研究. 中国矿业大学学 报, 1992 , 2 3 2 1～11 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 0 6 . h t m （第 8 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 0 4 中国矿业大学学报990 2 0 6 收稿日期 1998 －0 3－31 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 0 6 . h t m （第 9／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 0 4