加固巷道帮,角控制底臌的研究.pdf

7 - 第 2 0卷第 3期 1 9 9 5年 6月 煤 炭 学 报 J OuRNAL OF CHI NA CoAL S OCI ETY Vo1 ． 20 N o．3 J u n e 1 9 9 5 A 加 固巷道帮 、角控制底臌 的研 究 侯朝 炯 何亚男 李 晓 ，一 中国矿 业大学 侯 立 宏／ 姚 国 平 7 煤 炭科学 研究总 院北 京开采 研究所 河南 省地 矿厅 摘要对控制巷道 底臌的基本原理进行 了研 究，提 出 了加 固巷道软 弱国岩帮 、角 主要是 底 角控制底臌 的新方 法 ．计 算机数值模拟度相似材料模 拟试 验研 究表 明 ，加 固不 同部位 对控 制底臌均有一定 效果 ．当裁荷1 - 9 MP a时刺 以加 固两帮控制巷道底 臌的效 果最好 ．这种方法在柳新煤矿 、黄塘岭煤矿进行 了 井 软岩受高地应力或回采 动压影响 的巷道 ，特别是兼 有以上 2种或 3种情况的巷道 ，底臌严重 ，维护 极其 困难 ．国内外研 究 了多种控制巷道底臌 的有效技术措施 ，主要有 各种 型式的可缩性封闭形金属支 架 、金属支架与底 拱、底板 桁架 、底板锚杆 、底板 注浆等相结合 和各种型式 的底板 卸压 等【 ． 归纳起来 ，它们起 的作 用可分为 4类 1 增加底板 围岩 变形 的阻力 ； 2 提 高底板 围岩 的强度 ； 3 降低底板 围岩 浅部 的应力 ，使开巷引起的高地 应力 向围岩深部转移 ； 4 既降低底板 围岩的应力 又提 高底 板围岩的强度 ． 可见 ，迄今所研究 的各种控 制巷道底臌 的措施 都是 围绕 巷道 底板 进行 的，尚未有人研究过加 固巷道 其它部位控制巷道底臌 的技术 ，下面对这种新 方法 进行 深人 的研 究 ． 1控 制巷 道底 臌 的基 本 原 理 煤矿巷道一般是在非均质成层岩层 中开挖 ，大量是沿煤层掘进 ，煤层巷道 两帮围岩 一般是煤 ，其强 度通常较巷道顶、底板岩层强度低 ．有限元数值计算研究表 明 ；开巷后在 2次应力作 用下 ，围岩 塑性 区 首先发生在强度最低的巷道两帮和应力集 中的角部 ，随着帮 、角塑性 区的发展 ，其他部 位的塑性 区也逐 渐发展 ， 但最终仍 以帮、角的塑性 区为最大0 ] ，如图 l所示 ．帮和底围岩塑性区发展愈大 ， 则 因破 裂围岩 塑性变形、粘塑性流动和体积膨胀造成的巷道底臌蠹也愈大 ．此外，因开采工作引起的高地应力会使巷 道 围岩各岩层受到压缩而产 生下沉 ，帮下沉 将促 使底板破裂、滑移 、臌起 更为剧烈 ．两帮 和底 板愈橙 软，巷道底 臌量 就愈大 ．以黄塘 岭煤矿巷道 围岩条 件进行 有 限元 计算 的结果表 明随埋 藏深度增 加 ，则 开巷 引起的巷道 两帮下沉 量和底臌量 亦增加 ，底臌与两帮下沉 的关系如 图 2所示 ． 为了控 { 6 I 巷道底 臌 ，巷道开掘后应尽早加固其软弱 围岩帮和角 主要是底 角 ，作 用是 1 减 弱巷道角部应力集中程度并在两帮和角部形成 自承能力较高 的承载拱 以控{ 6 I 帮和底角塑 性 区 的发 展 ． 本文 1 9 9 4 1 0 - 2 6收翻 ． *爆 炭科学 基金赍 助项 目 维普资讯 2 3 O 煤 炭 学 报 1 9 9 5 年第 2 o 卷 舀 ■ 睚 [ 圈 一 ■ E 幽 l 。～ ■ I 。 l爆 吾页 岩已 砂 岩I l 銮 塑 性 区 圈 1 煤巷 围岩 塑性 区的发展 Fi g ．1 De v e l o p me n t。 f p l a s t i c z o n e i n r o c ks 0 f g a t e w a y a 仅煤巷两帮围岩强度低 b 媒巷帮， 顶围岩强度低 ； c 堞 巷 帮 底 围岩强度低 l d 煤巷 帮、顶 、底 日岩强度 皆低 E ■ 驽 帮下沉量 ／ mm 图 2 黄塘 岭矿 巷道 底臌 与两 帮下沉 的关 系 Fi g 2 Fl o o r h e a v e v s c o n v e r g e nc e o f s i d e wa l l s 0 f ga t ewa y i n Hua ng t a ngl i ng M i ne 2 提高巷道两帮及角部 尤其是底角围岩的自承能力．减少两帮松动破裂围岩压缩下沉造成的 底板滑移臌起 ． 2 模 拟试 验 研 究 按茂 名矿 区黄塘岭矿井下工业性试验 的地质生产条件进行了计算机数值模拟 研究和相似材料模拟试 验研 究 ． 黄塘 岭煤 矿开 采新 生界 第三 系褐煤 ，岩层倾角 7 o ～8 。 ，主采煤层 厚 2 ． 2 m，煤层顶 、底板均 为厚层泥 岩 ，粘土矿物以高岭石 、伊利石 为主 ，节理和裂 隙不太发育 ，含水量较少 ．试 验巷道在标高一1 9 8 r f l 埋 深 2 2 0m实俸煤 中沿顶板掘进 ，顶板 、底板 、煤 层的单轴抗 压强 度分别为 1 9 ． 6 ，1 3 ． 4 ，1 2 ． 1 MP a ；梯 形 断面 ，高 2 ． 2m，上 、下宽 为 2 ． 1 m 和 3 ． 0 m． 2 ． 1 数值模拟研究 采用非线性有限元数值模拟计算 ， 计算所用的岩性力学参数是根据岩块力学性质试验并考虑岩 体与岩块的差异而确定的，具体数值见表 1 ． 表 1 计 算参 数 Ta bl e 1 Ca l c ul a t i on pa r ame t e rs 注E 弹性模量 ； 涫橙比{a ， 屈服函数参数 ，可由牯襄力C、内摩擦角 换算得 ； 抗拉强度 维普资讯 第 3期 侯朝炯 等 加 固巷道 帮 、角控制 底臌 的研 究 为反映巷道的实际受力状况 ，计算采用 先加载 ，后开挖”的方式 ．为研究加固巷道围岩不同部位 时底板的位移量，采用降低塑性区内岩体强度的方法来模拟围岩的松动区“ ，将塑性 区范围作为松动范 围， 将此范围内的岩体强度降低 4 0 ～5 0 ， 使加固区的岩体强度降低 8 ～l o ． 这种方法对于分析相 同条件 的方 案 比较来说 ，可反映出～般 的规律性 ． 研 究了 5种不 同的加固围岩方 案 ，各方 案巷道底板 中心处 的礅起量及底礅相对 降低 率列于表 2中 ． 表 2表明 在黄塘岭矿生产地质条件下， 开巷后围岩塑性区在巷道两帮和底角首先发生和发展， 5种加固 方案中以加固两帮和底角控制底礅的效果最佳 ． 表 2 不同加固方案控制底■效果的比较 Tabl e 2 Co m pa r i s o n o f r e s ul t s o f di f f er e nt met h ods i n f l oo r he av e co nt r o l 图 3 相 似材 料模 拟试 验型 式 Fi g ． 3 S i mu l a t i o n t e s t e q u i v a l e n t r a a t e r i a l s 4 基础 模型 ．不加 固} b 加 固两 帮 F c 加 固顶 板 F d 加固底 板 2 ． 2 相似材料模拟试验研究 甩平面应变 模型 自巷道顶 板方向加载 ，其它方 ． 向均刚性约束 ．几何相似 比 一1 2 0 ，应力相似 比 一1 8 ，模型长宽 厚一7 0 0 m m4 8 0 m m ； 1 6 0 mm， 巷道布置在模型中央， 上底下底高 三 一1 1 0 mm1 5 0 m m1 1 0 mm．模型相似材料单轴 毫 抗 压强度 为 顶板 2 ． 4 1 MP a 、 煤 层 1 ． 4 7 MP a 、 直接 底 1 ． 6 4 MP a 、老底 2 ． 2 MP a ．用模拟 的杆体 可拉伸 锚杆加固围岩 ．为研究加固巷道 不同部位 对底 礅的 影响，试验研究了图 3所示的 4 个模型 ．模型原岩 应力为 0 ． 6 2 5 MP a ， 分级加载至巷道严重破坏 为止 ， 最终加载达 3 ． 4 5 MP a ． 各模型的底臌量与 载荷的关 系如 图 4所示 ． 相似材料模拟 试验 表明 加固不同部位 对控制 底臌均有一定效果 ．当载荷1 ． 9 MP a 后则 以加 固两 帮控制巷道底臌的效果最好 ，这是因 为在高地应力作 用下两帮 围岩压缩下沉导致 的底板 围岩 破裂 、滑 移、臌起会急剧增加 ．因此 ，在高地 应 力 条 件 下 加 固巷 遭 软 弱 帮 对 控 制 底 臌 有 重 要 作 用 ． 3 现场试验研究 3 ． 1 黄塘岭 煤矿现场试验 试 验巷道 用可 伸长锚杆 ≠ 1 4mit t 1 7 0 0ram 与 1 1号 矿用工字钢双 向可缩性支 架联 合支 护 ．为 控制底臌， 采用图 5 加固帮、 角的方式布置锚杆 锚 杆用 2卷 g 3 smmZ O Omm 膨胀水 泥药卷锚 固 ． 锚 固力达 7 0 k N 以上 ． 用水准测量对试验巷道及未加固的 --1 6 3 m 运输巷道底板标高进行 了监 测 ．结果列于表 3中 ．试验 巷道服务期 2 9 1 d ， 巷道顶底、 两帮移近量分别为 4 0 9 r n m和 2 6 0 ram． 监测数据表 明 在软弱地层条件下 ， 2次应力造成的各岩层压缩下沉值较大 ， 加固巷道软弱帮、角后 ， 固帮、角的塑性 区发展及两帮松动区围 岩下沉均得到了控制，因而控制住了底臌，水准量测测得底板标i 变化为负值，反映出了各岩屡的压缩 下沉 ． 需说 明的是 ，前述数值模拟仅研究了对不同部位松动区加固的效果而未研究岩层压缩下沉效应，所 以计算结果 只是不同加固方案控制底 臌的相对效果 比较值 ．而不是真实底 板变 形值 ． 表 31 9 8 I 111 与 一1 6 3 m 木 平巷 道底 板测 点标 高变 化值 T a b l e 3 Ch 日 n g e s o f e kv a t i o n o f mm t r ing p o i n t s I n g a t e w a y s a t l e v e l of 一1 9 8 m a n d一1 6 3 m 3 ． 2 柳新煤矿现场试验 试验巷道埋深 4 0 0 m，岩层倾角 5 0 ～6 O 。 ．煤层厚度 0 ． 8 ～1 ． 2 m；顶板为中粒砂岩 ，厚 1 0 m；底板 为泥岩， 厚 8 m．顶板、 底板、 煤屡的单轴抗压强 度分别为 7 4 ． 2 ， 1 3 ． 4 ， 4 MP a ． 巷道在实体煤中沿 煤 层顶板 半煤 岩掘进 ，试验 了图 6中 2 种 加固围 岩的锚杆布置方式 ． 图 6 a 是在 2 架 n 号矿用工字钢梯形刚性 支架间的巷道两 帮下部、底 角及底板打 6 根 杆体 可 伸长锚 杆 ．支 架棚距 0 ． 81T t ，锚 杆 g 1 4mm 1 6 0 0mm，用 2卷 3 8me t 2 0 0 mm 膨胀水泥 药 【 a t b 图 6梆新煤 矿现 场试 验锚 杆布 置方式 Fi g ． 6 Ro c k b o l t s p a t t e r n i n t e s t g a t e wa y i n Li uxi n M i n e 维普资讯 第 3期 侯朝 炯等 加 固巷道 帮 、角控 制底 臌的研 究 卷 锚 固；图 6 b 是在 2架 1 ] 号矿用工字钢梯形 刚性支架 间的巷道一倒软弱围岩 帮及底 角打 3根杆体可 伸长锚杆 ，支架棚距 为0 ． 8m， 锚杆 4 1 4mml 6 0 0mm，用 2卷 ≠ 3 8mm2 0 0 mm 膨胀水泥药卷锚 固；图 6 c 是未打锚杆的巷道 ，用 】 ]号矿用工字钢梯形刚性支架支护 ，支架棚距 0 ． 6 m，巷道净断面积 5 m ． 掘 后 l 5 0d巷道 围岩变形 数据 列于表 4 ． 试验表明，如图 6 a ， b 2 种试验对控制巷道整体变形及底臌的效果均很显著 ，但由于图 6 b 试验加固了关键部位巷道左侧软弱帮及底角，所以能以最少的锚杆数量取得控制巷道变形与底臌的 最佳效果 ． 表 4 巷道 撮后 1 5 0d围岩变 形观 测数 据 Ta bl e 4 M e u r c d da t a of r o ck de f o r m a t i o n a t 1 58 da y s a f t e r de v el o pm e nt of-ga t e wa y 4结 论 1 在 非均 质层状 矿体 中掘进煤层巷道时 ，开巷引起的 2次应力使 围岩塑性 区通常从强度最低和应 力集 中的巷道两 帮及 角部发 生 、 发 展 ；同时 ， 2次应力还会导致巷道 围岩各岩层 压缩下沉 ．因此 ， 掘巷后 应尽早加固巷道软弱围岩 帮和角，以便控制围岩塑性区的发展及减少两帮围岩的下沉 ， 从而控制巷道底 臌 ． 2 有限元数值模拟研究、相似材料模拟试验研究及煤矿井下试验研究都表明；加固巷道软弱围岩 帮、角 主要是底 角是一 种新的控制巷道 底臌的有效方 法 ． 3 用注浆或打锚杆均可实现对巷道软弱 围岩帮、 角加固 ．与全面 加固底板 控制 底臌 的方 法相 比， 这 种 方法不仅控制底臌 的效果 更好 ，而且施工简单 、方便 ，易于推广应用 ． 参考文献 L ／ e pH ／ 4凡 I 1 pE 啊 田【 H雠Ⅱ y H瑚r lot B fa l r o pH t B H呻6 。 E． E融 He xg a， 197 8 奥顿哥 特 M． 巷道底 臌 的防 治 ．北 京 煤 炭工 业 出版 社 ，1 9 8 5 Kome ． e B K B， E l e l p e B O I O A， HO B HK O B A Oxp a l t a 14 MO B T I O [3 Hh [X B Hp a 石 o 1 uK．Mo c m He t p a ， 1 990 T B H H c K H r H。 叫 C n o e o 6 o ∞p y 肌 O 6 1T B o r o c B q p e r m． 1 l l a x ,o e 0 T p 。 M T 伽研 B 0 ， 1 9 8 8 2 2 4 2 6 nHD c Ⅻ A A ， CT O B HH HK C H ． Hc 口 r a I | H月 c 口 o c 06 a y 1 哪 既 【 H r 啪Ⅱ A 月 石 o p H c ny aa e M 口 州 B H． ym ymH H H， 1 9 9 0 4 9 ～ 1 1 6 Ca l l i s A V ，Ne w, o n S R．Pr o g r e s s i n t o r o a d wa y r e i n f o r c e me n t t e c h n i q u e s i n t he UK．Th e M i n i n g En gi n e e * ， 1 9 8 7 1 1 2 3 3 ～ 2 4 2 7 Af r o u z A．M e t ho ds t o r e d u c e flo o r h e a v e a n d s i d e s c l o s u r e a l o n g t h e a r c he d g a t e r o a d s ．M i n i n g S c i e n c e a n d Te c h n o l o - g Y1 9 9 0 1 O 2 8 3 2 6 3 8 侯 朝 炯 ，张 辩 东．控制 巷遭 底臌 的 一种新 型 环形支 架．中 国矿业 学院 学报 ，1 9 8 5 3 4 9 5 7 9 Ma Ni a n e ， Ho u C h a o j l o n g ． A r e s e a r c h i n t o p l a s t i c∞n e o f s u r r o u nd i n g s t r a t a o f g a t e wa y a f f e c t e d b y mi n i ng a b u t me n t s t r e s s ．Pr o c e e d i n g s o f t h e 3 1 s t US S y mp os i u m．Ro t t e r d a m Ba l k ma ， 1 9 9 0 ． 2 1 1 2 1 6 l 0 接朝炯，马念杰．回采巷道围岩整体下沉及其力学分析．煤炭学报，1 9 9 3 ，1 8 2 1 l ～1 7 维普资讯 煤 炭 学 报 1 9 9 5 年第2 O 卷 1 1 B a t h e K J ．AD I NA A f i n i t e e l e me n t p r o g r a m f o r a u t o ma t i c d y n a mi c i n c r e me n t a l n o n ] i n e a r a n a l y s i s ．R E P OR T AE 8 l lMIT U S A ． ] 9 8 1 I 2 殷有泉 ．固体 力学 非 线性 有 限元 引论 ．北 京 北 京大 学 、清华 大学 出版社 ，1 9 8 7 ．1 7 2 ～ 1 9 4 1 3 Ba t h e K J ．Fi n i t e e l e me n t p r o c e d u r e s i n e n gi n e e r i n g a n a l y s i s ．Ne w Yo r kPr e nt i c e Ha l l ，I n c，] 9 8 2 l 4 宋 薷彰 ，孙 钧．锚 喷支 护力学 机理 的研 究．岩石 力学 与工 程学报 ，1 9 9 1 ．1 0 2 1 9 7 2 0 4 I 5 何 亚男 ，贺 永年． 双 可缩 联合支 护控 制茂 名软 岩 动压巷 道变 形 与防 治底臌 的研 究．煤 炭学 报 ，1 9 9 2 ，1 7 1 1 6 2 3 作者简介 侯 朝炯 ，男 ，6 2 岁 ，教授 博士 导师 ．1 9 5 5 年 毕业 于北 京矿 业学 院采煤 系 ，现 任 中国矿 业大 学矿 压研 究所 所长 ．在 巷 道 矿压 理论 、巷道 金属 支架 、锚杆支 护 、 采场 与 回采巷 道围 岩稳 定性分 类 、 高 水速 凝材 料等 研 究方 面 获 国家发 明奖 2 项 、省 部 级科 技进 步奖 1 2 项．著 有 巷 道金属 支 架 等书 在 国 内外 刊物 发表论 文 4 0 余篇 ．江苏省 徐 州市 中国矿 业大学 矿 压研 究 所 ，邮 政编 码 2 2 1 0 0 8 ． 何 亚男 ，女 ，6 0 岁 ，教授 ．1 9 5 6 年 毕业 于北京 矿业 学院 采煤 系．现从 事岩 土力学 的教学与 科 研工 作．在巷 道支 护理论 与支护技术方面获省部级科技进步奖l 项．发表论文2 0 余篇．江苏省徐州市中国矿业大学建筑系邮政编码 2 2 1 0 0 8 ． REI NFoRCI NG S I DEW ALLS AND CoRNERS oF GATEW AY To C0NTR0L FL00R HEAVE Ho u C h a o j i o n g He Ya n a n L i Xi a o Ch i n aUn i v e r s i t y o fMi n i n g删 Te c h n o l o g y Ho u Li h o ng BH fin g Re c h I n s t i t u t e o f Co M Mi n i n g， Ce n t r a l C o a l Mi mn g Re s e a r c h I n s t i t u t e Ya o Gu o p i n g 0 y d 肺 n 盯 B u r e a u of H d n Pr o v l n c e Ab s t r a c t Th e b a s i c p r i n c i p l e s f o r c o nt r o l o f f l o o r h e a v e a r e s t u d i e d ．A n e w me t h o d i s p r o p o s e d t o r e i nf o r c e t h e s i d e wa l l s a n d c o r n e r s ma i n l y t h e l o we r c o r n e r s i n s o f t a n d we a k r o c k s i n g a t e wa y f o r c o n t r o l o f flo o r h e a v e ．Nu me r i c a n a l y s i s us i n g c o mp u t e r a n d s i mu l a t i o n t e s t wi t h e qu i v a l e n t ma t e r i a l s s ho w t h a t r e i n f o r c e me n t o f d i f f e r e n t p o s i t i o n s o f t h e g a t e wa y wi l l h e l p t o c o n t r o l t he f l o o r h e a v e ．W he n t h e l o a d i s l e s s t h a n 1 ． 9 M P a．t h e r e s u l t s o f r e i n f o r c e me n t o f r o o f a n d f l o o r a r e g o o d ．An d wh e n t h e l o nd i s g r e a t e r t h a n 1 ． 9 M Pa，t h e r e s u l t s o f r e i n f o r c e me n t o f t he s i d e wa l l s a r e g o o d．U n d e r g r o u n d c o r a e r c l a l t e s t s a r e ma d e i n Li u x i n a n d Hu a n g t a n g l i n g M i n e s ，r e ma r k a b l e r e s u l t s a r e o b t a i n e d i n c o n t r o l o f flo o r h e a v e ． Ke y wo r d s r e i n f o r c e m e n t o f s i d e wa l l s a nd c o r n e r s．s o f t a n d we a k r oc k，c o n t r o l o f f l o o r h e a v e 维普资讯