沿空留巷充填体的流变特性分析.pdf

第3 7 卷第5 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 7N o ．5 2 0 0 8 年9 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g yS a p ．2 0 0 8 沿空留巷充填体的流变特性分析 徐金海1 ，付宝杰2 ，周保精1 1 ．中国矿业大学矿业工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ， 2 ．安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 2 3 2 0 0 1 摘要将充填体视为黏弹塑性介质，利用最小势能原理，在分析充填体与顶板的相互关系以及充 填体受力状况后，建立了考虑顶板刚度及充填体软化与流变特性的分析模型．结果表明不考虑 失稳的时间效应，充填体失稳发生的必要条件取决于充填体内部特性，即几何尺寸、材料性质等； 充填体发生流变后其稳定时间随黏滞系数增大而增大，随弹性模量和塑性区宽度的增加而减少． 工程中充填材料配比m 水兄。优碎堆m 水一1 l2 ．3 4 0 ．8 1 ，实测最大载荷7 ．6M P a ，充填体稳定 期为8 个月，与理论预计值基本吻合． 关键词充填体稳定性；流变；最小势能原理；黏弹塑性 中图分类号T D3 2 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 一1 9 6 4 2 0 0 8 0 5 0 5 8 5 一0 5 B a c kF i l lR h e o l o g i c a lP r o p e r t i e sf o rG o b S i d eE n t r yR e t a i n i n g X UJ i n h a i l ，F UB a o - j i e 2 。Z H O UB a o - j i n 9 1 1 ．S c h o o lo fC o a lM i n i n g ，S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fR e s o u r c e sa n dM i n eS a f e t y ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g8 LT e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a 2 ．S c h o o lo fM i n ea n dS a f e t yE n g i n e e r i n g 。A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u a i n a n ，A n h u i2 3 2 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t s T h er e l a t i o n s h i po ft h eb a c kf i l lt ot h er o o fa n df o r c e so nt h eb a c kf i l lw e r ea n a l y z e d ． Am e c h a n i c a lm o d e lo fc o a lp i l l a rs t a b i l i t ya n do fr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft h eb a c kf i l lw a se s t a b l i s h e du s i n gt h ep r i n c i p l eo fm i n i m u mp o t e n t i a le n e r g y ．T h er e s u l t ss h o wt h a tw i t h o u tc o n s i d e r a t i o nf o rt h et i m et oc o l l a p s e ，t h en e c e s s a r yc o n d i t i o n sf o rc o l l a p s eo ft h eb a c kf i l lareg e o m e t r i c a ld i m e n s i o n sa n dm a t e r i a lp r o p e r t i e s ．A f t e rr h e o l o g i c a ld e f o r m a t i o nt h eb a c kf i l l i ss t a b l ef o rat i m et h a ti n c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s i n gv i s c o s i t ya n dd e c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s i n ge l a s t i c m o d u l u sa n dr a n g eo fp l a s t i cd e f o r m a t i o n ．T h em a s sr a t i o so fc e m e n t 。c o a la n dw a t e ri nt h e b a c kf i l laree n g i n e e r e dt ob ea b o u t1 2 ．3 4 0 ．8 1 ．T h em a x i m u ml o a di S7 ．6M P aa n dt h e b a c kf i l l i Ss t a b l ef o re i g h tm o n t h s 。w h i c hi Sc l o s et ot h et h e o r e t i c a lv a l u e ． K e yw o r d s s t a b i l i t yo ft h ef i l l i n gb o d y ；r h e o l o g i c a lp r o p e r t y ；t h ep r i n c i p l eo fm i n i m u mp o t e n t i a le n e r g y ；v i s c o e l a s t i cp l a s t i c i t y 沿空留巷，即通过构筑一条人工充填带将上区 段运输平巷保留下来，作为上区段回风尾巷和下区 段回风平巷予以复用．沿空留巷具有煤炭回收率 高、采掘衔接合理、巷道掘进率低等优点，并且有利 于巷道布置改革，多年来一直是国内外煤炭开采的 重要技术发展方向[ 1 ] ．由于要经受上下2 区段工作 面2 次强烈的采动影响，因而沿空留巷围岩活动剧 烈，维护难度较大，充填体的承载能力和稳定性是 保持巷道围岩稳定的关键L 2 。3 J ．沿空留巷巷旁充填 带的主要作用一是控制直接顶的离层和及时切断 采空侧的直接顶和下位基本顶，以减少巷内支护所 受的载荷和巷道围岩的变形；二是及时封闭采空 收稿日期2 0 0 7 一0 9 一0 6 基金项目江苏省自然科学基金项目 B K 2 0 0 6 0 4 0 作者简介徐金海 1 9 6 3 一 ，男，江苏省靖江市人，教授。博士生导师，工学博士，从事采矿工程与矿山工程力学方面的研究． E - m a i l j h x u l l 8 t o m ．c o r n T e l 0 5 1 6 - 8 3 8 8 5 0 5 8 万方数据 5 8 6中国矿业大学学报第3 7 卷 区，防止漏风和浮煤自然发火． 充填体稳定性受多方面因素的影响，如结构尺 寸、充填材料的力学性质及所留巷道的支护方式、 留巷时间等[ 4 - s 3 ．许多学者对充填体的承载能力和 稳定性等进行了深入研究，但对其稳定性与时间相 关的力学分析研究较少．充填体受到较高的支承压 力，可能会进入到黏弹塑性状态，此流变现象的出 现直接影响到巷道围岩稳定性．本文将充填体视为 黏弹塑性介质，利用最小势能原理对其长期变形和 稳定进行分析，以期得到充填体保持长期稳定的必 要条件和参数，并将其结果运用到沿空留巷工程 中，为沿空留巷稳定性控制提供理论依据． 1 工作面顶板破断对充填体施加的载荷 1 ．1 充填体载荷计算的力学模型 长壁工作面自开切眼向前推进一段距离后，采 空区基本顶按断裂线I ，Ⅱ和Ⅲ的顺序形成“口X ” 型破断，产生结构块1 ，2 ，见图1 a ．随着工作面的继 续推进，基本顶周期性垮落，产生新的1 ，3 结构块 图1 b ．2 ，3 结构块位于沿空留巷充填体上方．因 此，它的动力学特征直接影响充填体受力和稳定状 况．将它们简化为图2 所示4 边支承力学模型n ] ． 图2 中h ，a 。分别为顶板来压步距和工作面长度． Ⅱ Ⅱ a 顶初次垮落 b 周期性垮落 图1基本顶破断的基本形态 F i g ．1 B a s i cm o d e lo fm a i nr o o fb r o k e n 斗犁妊_ ABcDEF Q尸s ，l b 单位宽度受力简图 n l 图2 巷旁充填体载荷计算模型 F i g ．2 C a l c u l a t i o nm o d e lo fs u p p o r tr e s i s t a n c e o ng o b - s i d ee n t r yr e t a i n i n g 1 ．2 充填体载荷计算 图2 a 中设顶板均布载荷为q ，按条带分割后， 分割到A D E F 板条上载荷只在A D 和E F 这2 段 上．忽略层面内应力引起的弯矩，若工作面冒落带 有1 ，2 ，3 ⋯埘层岩层，对图2 c 中各段求解支护切 顶阻力F ． 第1 层充填体载荷F 1 F ，c 口 z 。， 笔与≠岽惴一 M A l 一 Q P s z o a 一6 ， 1 式中F N 。为C 点岩层破断产生的向下剪力，F w 。 q 1 L 1 ；9 1 为层自重集度，q 1 7 1 h 1 ；L 1 为岩层破断 特征尺寸；y ，为岩层容重；h 。为岩层高度；M A ，为层 抗弯弯矩；U p 。为岩层极限弯矩，在极限条件下 M A 。一M p 。；n 为巷道维护宽度；z 。为煤体松动区宽 度；z Q 为松动区中心至A 距离，其值为z 。／2 ；6 为锚 索至巷旁支护中心的距离；P s 为巷旁锚索提供的 支护力；Q 为巷旁煤体对顶板的支承力． 第2 层充填体载荷F 。 F 口 z 。 ∑Y l h ， 口 z 。 ∑h ，t a no t j 2 ／2 f 1 j 0 ∑F N 。 口 z 。 ∑h 』t a na t j f 1j o A 如一≥M A l 一Q z Q P s z o 口一6 ， 2 i l 式中i 为第i 层顶板岩层；歹为第_ 『层顶板岩层；o r 为岩层破断角． 同样第优层，均布载荷的大小用煤体的残余 抗压强度代替，即Q z Q z 5 ／z ．简化后充填 体载荷L 为 F 。 口 X o ∑y l h 。 8 z 。 ∑h j t a nq 2 ／z f 皇1 』 O ∑F N ； 口 z 。 ∑h ，t a nq M 胁一≥M A l 一z ／2 一P s z 。 口一6 ， 3 五 式中m 为冒落带岩层的极限层数，研的计算方法 为冒落带岩层总厚度除以岩石分层垮落平均厚度； 忌为垮落后与残留边界失去力联系的岩层数；M P 埘 为在不同支承条件下具有不同的数值，两端支承 时，M k q 。L L ／4 ，一端支承时，M ‰ q m LZ , , , ／2 ． 2 充填体的流变特性分析 2 ．1 流变力学模型 矸石、煤和水泥混合而成的充填材料，是特殊 的混凝土，充填体具有流变现象n 引．沿空留巷顶板 T f l 万方数据 第5 期徐金海等沿空留巷充填体的流变特性分析5 8 7 与充填体力学模型如图3 ．在煤层上方赋存较坚硬 岩层条件下，顶板完整性好且强度相对较高，而充 填体刚度相对较小，充填体渐近破坏而发生失稳 时，顶板仅参于能量释放并不破坏．为考虑其稳定 性的时间效应，采用图4 的黏弹性模型，来描述充 填体的流变本构特性，其本构关系可写成1 1 0 ] f 盯一上￡ 口≤≤口， ， 1 盯 争毋一地 D d ∽， ’ 式中E 为弹性模量；叩为黏性系数；A 为材料硬化 阶段斜率；D 为与煤体性质有关的一个常数；d ，为 屈服应力；a 为应力率；e 为应变率． 这样就可以将图3 中巷旁充填力学模型中的 充填体采用图4 中的B i n g h a m 黏弹塑性模型来描 述． 1 ．一 图3 巷旁充填体力学模型 F i g ．3 M e c h a n i c sm o d e lo fg o b - s i d i n ge n t r y 图4B i n g h a m 黏弹塑性模型 F i g ．4 M o d e lo fB i n g h a m 2 ．2 保持稳定的必要条件 这里选取充填体变形量U 为状态变量，且假设 E ，A 等不随时间变化．下面计算充填体及顶板系统 的势能Ⅱ．对于图4 所示的力学模型，总势能由应 变能U 和外力势W 组成． 而充填体应变能U 为充填体弹性应变能U e 和塑性势能U r 之和．为计算U ，先求解口，d 的求解 可根据非齐次线性偏微分方程式 4 ，其解为 d e - 鲁叮及 ￡ e 争一丛堕尘 L叩 r f。．1 I ￡ ￡ e 争d t D ￡ l ， 5 J0J 式中 D ￡ 为仅与时间相关的积分常数． r E 由应变能密度公式“， Ia d e ，得应变能密度 U p 为 越r e 一争[ 丢E e 寺留 z 一掣f e 鲁7 e 2 z 出 D ￡ e f D f } ， 6 ～ 式中 2 ￡ 为仅与时间相关的常数． 作为粗略估算，这里取e u ／H u 为充填体 变形量，H 为充填体的高度 ，根据逐步破坏理论， 设充填体塑性区宽度为2 7 p ，则 u r 普e 啼[ 丢蝣∥∽一骂 f ‘e 鲁r “2 ￡ 出 H 西 ￡ “ ￡ H z D ￡ ] ， 弹性核区弹性势能 u 。一丢挈以凯 若P 为上覆岩层对充填体面所施加的力，上覆岩 层的自重势能Ⅳ W 心 ￡ ， 这里不考虑体力作功的影响，由判别准则，系统总 势能为 Ⅱ一鲁e 寺[ 号硝∥∽一笔 f ‘e 鲁z 乱2 f 出 H 西 ￡ 甜 f H 2 D ￡ ] 一1E a - - 2 Y v ．“2 ￡ 一P u ￡ ， 7 2H “、‘7‘7 ’、‘7 对／／进行二阶变分并无量纲化，通过分部积分简 化得 3 2 ／／ 芈一p 学 [ 掣一簪卜nLHHJ ⋯～’ 根据D i r i c h l e t 准则，系统取极大值时失稳即 芈卉p 学蚪 [ 掣一警卜，2 ≤⋯8 ，LHH - J ⋯7 ’”一7 由式 8 可见，如果不考虑时间效应刁一0 ，则式 8 中第一项趋于0 ．要保证该式小于等于0 ，就定有下 式的成立 学一簪≤o ，HH 、一 整理得 诈≥鼎． 9 由式 9 可见，不考虑失稳的时间效应，失稳发 生的必要条件主要取决于系统的内部特性。即几何 万方数据 5 8 8中国矿业大学学报第3 7 卷 尺可、砑科。匪厦寺．_ 任个芍愿町J 日j 牧脱町，赞休让冗 填体的稳定其必要条件是n 瓦可E 干a 两． 2 ．3 保持稳定的最小时间 若考虑时间效应，为求得流变体稳定的最小时 间则有 掣e 寺p 学 [ 型H一塑H ] ㈨2 ≤0 ． 1 0 Lj ⋯7 、～⋯7 通过分部积分不等式可以看出式 1 0 有这样 的关系存在即』。te 导f 坐害兰d ￡≥ a ” 2 ，则有 塾掣f 铀“ z H [ 型H一型H 卜 2 ≤L．J ⋯7 ’ 芈一p 学 [ 刿H一型H 卜 2 ≤o ， 1 1 LJ ⋯7 、一⋯7 对式 1 1 中re 争坐豢兰出进行分部积分，简 J 0 u ‘ 化后有 ￡≥詈l n 玩2 面7 p 瓢E F A 瓦． 1 2 3影响在擅佐稳定时闻的因素 充填体稳定的最小时间为t 嘶。一告l n 石灭2 7 F p 干E 两- I - 面A ，因此，若沿空留巷服务期限在时 段E o ，t r a i n ] 内，则整个服务期充填体没有失稳危 险．充填体稳定性的影响因素有 1 由式 9 可见，当诈 2 E 。WA 7 ，，充填体才不会发生黏塑性变形． 2 ∥E 为充填体的蠕变延迟时间，根据式 1 2 ，充填体的稳定时间正比于其蠕变延迟时间． 3 当充填体的弹性模量、软化参数及黏滞系 数固定时，充填体的稳定时间随塑性区范围增大而 减小．当E 2G P a ，A 一2 ．5G P a ，叩 1 0G P a m 时，充填体的稳定时间与塑性区宽度关系曲线如图 5 所示．由图5 知，充填体产生流变后其稳定时间 随黏滞系数增大而增大，随弹性模量增大而减小， 随塑性区的宽度增加而减小n 1 。．为避免充填体在 留巷服务期内失稳，可调整上述参数．对于某种充 填材料，通过改变材料配比来实现弹性模量及黏滞 系数大范围的变化实为不易，而且会引起充填成本 的增加．由逐步破坏理论可知，减小充填体周围应 力场，可使充填体塑性区宽度减小而充填体的稳定 时间增加． 塑性区占总宽度比率 图5 稳定时间随塑性区宽度变化曲线 F i g ．5R e l a t i o n s h i po ft h es t a b l et i m e a n dt h ep l a s t i cs e c t o rw i d t h 4 工程应用 小宝鼎矿将8 3 2 2 - 3 工作面运输平巷留巷后作 为8 3 2 2 - 4 工作面的回风平巷，如图6 ．巷道宽3 ．5 m ，高2 ．5m ．煤层厚度1 ．8 ～2 ．0m ，局部2 ．5m ， 倾角0 ～6 。，平均4 。，工作面正常推进速度1 ．6 ～ 2 ．0m ／d ．选用充填材料为水泥、碎煤、水混合凝固 物，m 水泥m 碎爆；m 水 1 l 2 ．3 4 0 ．8 1 ．根据本文 分析，充填体高2 ．5m 时宽度应为1 ．5m 以上，考 虑到将巷旁充填体断面设计为上窄下宽的梯形更 有利于其受力和现场施工，因此充填体实际尺寸为 上宽1 ．5m ，下宽2m ． 图6 测区布置 F i g ．6 M e a s u r ea r e aa r r a n g e m e n t 8 3 2 2 3 工作面从2 0 0 4 年2 月份开始回采，到 8 3 2 2 4 工作面2 0 0 4 年1 0 月份回采结束历时8 个 月．一、二采动影响期间实测充填体的载荷为7 ．6 M P a ，所留巷道顶底板累计移近量为3 6 6m m ，两 帮累计移近量为2 6 6m m ．充填体在8 个月的服务 万方数据 第5 期徐金海等沿空留巷充填体的流变特性分析5 8 9 期内虽有流变但没有发生破坏，与理论预计稳定时 间最低7 ．6 个月基本吻合． 5 结论 1 充填体的时间稳定性与煤体的蠕变延迟时 间成正比．在一定的条件下，流变可增长充填体的 长期稳定时间． 2 顶板刚度、充填体高度与其稳定时间成反 比，而充填体的横截面积与其的稳定时间成正比． 3 工程中充填材料配比m 水泥优碎煤m 水一l 2 ．3 4 0 ．8 1 ，实测最大载荷7 ．6M P a ，充填体稳定 期8 个月，理论分析的预测结果与工程现场实测具 有较好的一致性． 4 工程实践表明，通过选材和配比，可使充填 体的承载能力和稳定时间达到工程设计要求．空留 巷技术的成功应用，解决了小宝鼎煤矿采掘接替紧 张的问题，提高了采出率，产生了明显的社会经济 效益． 参考文献 [ 1 ] 付宝杰．巷旁充填充填体稳定性分析及应用[ D ] ．徐 州中国矿业大学理学院，2 0 0 7 ． [ 2 3 漆泰岳．沿空留巷整体浇注护巷带主要参数及其适 应性[ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 9 ，2 8 2 1 2 2 1 2 5 ． Q IT a i - y u e ．M a i np a r a m e t e r so fp a c kf i l l i n g i n gf o r r e t a i n e dg o bs i d ee n t r ya n di t sa d a p t a b i l i t y [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ． 1 9 9 9 ，2 8 2 1 2 2 - 1 2 5 ． [ 3 ] 张东升，马立强，缪协兴，等．综放沿空留巷围岩变 形影响因素的分析[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 6 ，3 5 1 1 - 6 ． Z H A N GD o n g - s h e n g ，M AL i q i a n g ，M I A OX i e - x i n g 。e ta 1 ．F a c t o ra n a l y s i so nd e f o r m a t i o no fg o b - s i d ee n t r yr e t a i n i n gw i t he n t r y - i np a c k i n gi nt o p - c o a l c a v i n gm i n i n gf a c e [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ，3 5 1 I - 6 ． [ 4 ] 李化敏．沿空留巷顶板岩层控制设计[ J ] ．岩石力学 与工程学报，2 0 0 0 ，1 9 5 6 5 1 - 6 5 4 ． L IH u a - m i n ．C o n t r o ld e s i g no f r o o fr o c k sf o rg o b s i d ee n t r y [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c s a n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 ，1 9 5 6 5 1 6 5 4 ． [ 5 ] 苏清政，郝海金．巷旁充填体可缩性对沿空留巷顶 板运动的适应性分析口] ．焦作工学院学报，2 0 0 2 ，2 1 5 3 2 1 - 3 2 3 ． S UQ i n g - z h e n g ，H A OH a i - j i n ．‘R e s e a r c ho na d a p t a b i l i t yo fd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr o o fa n dp a c k i n gc o m p r e s s i b i l i t y [ J ] ．J o u r n a lo fJ i a o z u oI n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y ，2 0 0 2 。2 1 5 3 2 1 3 2 3 ． [ 6 ] 黄玉诚，孙恒虎．沿空留巷护巷带参数的设计方法 [ J ] ．煤炭学报，1 9 9 7 ，2 2 2 1 2 7 - 1 3 1 ． H U A N GY u - c h e n g ，S U NH e n g - h u ．D e s i g no fg o b s i d ep a c k i n gp a r a m e t e r s f o rg a t e w a y sm a i n t a i n e da l o n g t h eg o a l [ j ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，1 9 9 7 ，2 2 2 1 2 7 - 1 3 1 ． [ 7 ] 冯明珲，吕和祥，林皋，等．黏弹塑性理论在混凝 土变形中的应用[ J ] ．工程力学，2 0 0 2 ，1 9 2 i - 6 ． F E N GM i n g h u i ，L UH e - x i a n g ，L I NG a o ，e ta 1 ．A u n i f i e dv i s c o - e l a s t i c - p l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e lf o r c o n c r e t ed e f o r m a t i o n [ J ] ．E n g i n e e r i n gM e c h a n i c s ． 2 0 0 2 ，1 9 2 1 - 6 ． [ 8 ] 赵才智，周华强，瞿群迪，等．膏体充填料浆流变性 能的实验研究口] ．煤炭科学技术，2 0 0 6 ，3 4 8 5 4 - 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f a ．T i m ed e p e n d e n tb e h a v i o u r so fs t r e n g - t ha n de l a s t i c i t ym o d u l u so fw e a kr o c k [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，1 9 9 7 ， 1 6 3 2 4 6 2 5 1 ． 责任编辑王继红 万方数据