深部煤巷底臌控制机制及应用研究.pdf
第 2 8卷增 1 2 0 0 9年 5月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g V o 1 . 2 8 S u p p . 1 M a y, 2 0 0 9 深部煤巷底臌控制机制及应用研究 何满潮 ,张国锋 ,王桂莲 , 1 . 中国矿业大学 岩土工程研究中心 ,北京1 0 0 0 8 3 2 许运 良 ,吴创周 ,唐强达 徐州矿务集团有限公司 夹河煤矿 ,江苏 徐州2 2 1 1 6 7 摘要以徐卅 I 矿区发生非线性大变形破坏现象的深部煤巷围岩结构体为研究对象,从围岩 3个部位相互作用的角 度提 出有效控制底臌 的新方法 。通过对 围岩物理力学性 能的测试 、理论分析 、数值模拟 、现场试验 的研究,得出 采用锚网索耦合支护技术控制底臌的力学作用机制利用关键部位施加锚索,减小项板松动岩体通过两帮传递到 底板上的压力,有效减小底臌量利用锚网注浆增加两帮岩体强度及减小收缩量,限制两帮对底板两侧形成的固 定约束向深处转移,以减小发生底臌的底板宽度;对底角施加刚性锚杆及注浆,分解来自两帮的挤压应力,提高 底角抵抗剪切滑移破坏的强度,控制底臌。在该原理下提出控制设计,运用到夹河煤矿一8 5 0 1 11 水平煤巷,监测结 果表明基于技术原理下的支护设计可以有效控制深部煤巷大变形和底臌的发生。 关键词采矿工程深部开采煤巷;大变形破坏;底臌控制;数值模拟 中圈分类号;T D 3 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 6 9 1 5 2 0 0 9 增 1 2 5 9 3 0 6 RES EARCH oN M ECHANI S M AND AP P LI CATI oN To F LooR HEAVE CoNTRoL oF DEEP GATEW AY H E Ma n c h a o ,Z H A NG G u o f e n g ,WAN G Gu i l i a n ,XU Y u n l i a n g ,WU C h u a n g z h o u ,T AN G Qi a n g d a 1 . I n s t i t u t e o fG e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g ,C h i n a U n i v e r s i ty o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ,B e o i n g 1 0 0 0 8 3 ,C h i n a ; 2 . J i a h e Co a l M i n e , Xu z h o u Co a l Gr o u p Co m pa n y , Xu z h o u ,J i a n g s u 2 21 1 6 7 , Ch i n a 1 Abs t r a c t Th e r o c k ma s s s t r u c t u r e o f s u r r o u nd i n g r o c ks wi t h n o n l i n e a r l a r g e s c a l e d e f o r m a t i o n i n d e e p e n t r y o f c o a l mi n e s i s s tud i e d . A n e w me t h o d i s p r o p o s e d t o c o n t r o l flo o r h e a v e c o n s i d e r i n g t h e e ffe c t o f t h e r o o f ,s i d e a n d c o m e r o n t he floo r i n d e s i g n. Ba s e d o n t h e mi c r o f a b r i c t e s t , t h e o r e t i c a na l y s i s , n u m e r i c a l s i mu l a t i o n a n d i n . s i tu t e s t ,me c h a ni s m of c o n t r ol l i n g flo or h e a v e wi t h bo l t n e t a nc h or c o u pl i n g s u p po r t t e c h n o l o g y i s d i s c u s s e d . W i t h t h e a n c h o r wi r e a t k e y l o c a t i o n mo bi l i z i n g th e s tre n g t h of d e e p r o c k, t he c o mp r e s s i o n f o r c e p a s s i n g f r o m t o p o f the b r e a k i n g r o c k s o v e r t h e wa l l i S l e s s e n e d ;wi t h t h e i n t e n s i t y s tre n g t h e n e d a n d d e f o r ma t i o n r e d u c e d ,t h e l e n g t h c o n s t r a i n e d b y s i d e f o r t h e fl o o r h e a v e i s s h o r t e n e d ;wi t h t h e ri g i d b o l t a n d c o me r g r o u t i n g ,t h e p r e s s u r e fro m s i d e d e c r e a s e d a n d the s h e a r r e s i s t a n c e a t c o me r i S i mp r o v e d . T h e r e f o r e ,flo o r h e a v e i S c o n t r o l l e d e f f e c t i v e l y . T h e t h e o r y i s a p p l i e d t o c o n tro l t h e s t a b i l i ty o f d e e p c o a l r o a d wa y i n J i a h e c o a l mi n e a n d i n s i t u me a s u r e me n t s h o ws t h a t t h e l a r g e s c a l e d e f o rm a t i o n a n d flo o r h e a v e are s u c c e s s f u l l y c o n tr o l l e d . Ke y wo r d s mi n i n g e n g i n e e r i n g ;d e e p mi n i n g;c o a l r o a d wa y ;l a r g e s c a l e d e f o rm a t i o n ;c o n t r o l o f fl o o r h e a v e ; n u me fic a l s i mul a t i o n 1 引 言 随着 国内大多数煤矿相继进入深部开采,煤巷 较多出现 了项板下沉量大、两帮收缩严重、支护体 失效数量多,底臌突出等非线性大变形破坏现象, 巷道维护十分困难,尤 以底臌 问题最为突出。研究 表明[ ,进入深部开采后 ,底臌量 已占据巷道变 收藕日期l 2 0 0 8 0 3 2 1 ;惨回 日期t 2 0 0 80 7 2 8 基金项目I国家自然科学基金资助项I 5 0 4 9 0 2 7 0 教育部科学技术研究重大项 目资助 1 0 4 O 5 作者蕾介t何满潮 1 9 5 6一 ,男.1 9 8 2年毕业于长春地质学院工程地质专业,现任教授 、博士生导师,主要从事深部岩石力学与工程方面的教学与研 究工作。E - ma ih z h a n g g f 1 9 8 2 t o m . c o rn 2 5 9 4 岩石力学与工程学报 2 0 0 9伍 形量 的主要部分。因此,深部煤巷底臌的有效控制 成为深井围岩稳定性研究中的难题之一。目前绝大 部分煤巷底臌控制方法都是紧紧 围绕底板进行加 固,未深入研究巷道 其他 部位对底 板的影响,而 研究p 1 J 表明巷道底板稳定是一个 由顶板、两帮、 底板构成的,相互作用的,系统结构的平衡过程, 改变其中任何一部分的力学特性和应力状态,均会 对底板造成影响,所以仅对底板进行加固是难以有 效控制底臌的。本文运用软岩巷道支护理论[ 8 1 3 】 , 从系统角度考虑不同部位对底板的影响,建立了顶 板、两帮、底板 、支护结构一体化的耦合作用力 学系统 ,采用理论分析、数值计算和现场试验 的 方法u 叫 ,研究顶板 、帮部、底角 3个部位与支护 结构相互作用对控制底臌的作用机制 ,实现底臌的 有效控制,并将基于该原理下的围岩稳定控制设计 应用到实践,得到了一些有益的结论。 2 深部煤巷底臌控制原理 底臌三控就是通过对巷道围岩顶板、两帮、底 角 3个部位采取控制措施,改变 3个部位的应力状 态及变形量来实现对底板的控制,以达到减小底臌 量作用的方法。针对煤巷的围岩结构特点并结合深 井支护中的锚网索耦合支护技术,建立 了由 3个部 位 一支护结构 一底板组成的,相互作用的地质力学 模型,并进行了理论上和数值计算上的分析 。 2 . 1 一控顶板作用机制 巷道顶板的强度对巷道底臌可产生明显影响, 当巷道顶板得到加固后,其承载能力提高,应力均 不同程度地 向顶板集中,降低了底板岩层的应力集 中程度,即顶板对底板起到一定的保护作用。顶板 加固强度越大,对底板的保护作用越明显 ,底板承 受的作用力越小,底板塑性区也就越小,进而起到 减小底板位移量的作用。在锚 网索梁联合支护下的 巷道中,锚索通过锚固作用调动深部坚硬岩层的强 度,来实现对浅部破碎岩层的挤压作用 ,增加了松 动岩体的强度,同时悬吊效应又减小了松动岩体通 过两帮传递到底板上的压力,并且沿巷道纵轴线形 成连续支撑点,减小 了顶板岩层跨度 ,限制了顶板 挠 曲变形 。 而锚杆则增加了顶板岩层间的抗剪强度, 阻止因离层而引起的水平错动,锚杆锚固范围的薄 层叠合梁则变成加强的组合梁,增加了顶板岩梁的 厚度。较高刚度的平网和钢带梁与锚杆锚索连接成 整体 , 限制了杆体问围岩的变形, 这样顶板岩梁的抗 弯刚度和弹性模量大大提高。综合作用下项板强度 得 以提高,并且底板应力集 中减小,顶板应力集中 增大,起到限制底板变形破坏 的效果。 2 . 2 二控两帮作用机制 巷道两帮的煤体强度和变形对底臌的发生有 明 显的影响,一方面加固两帮后, 岩体强度明显提高, 松动圈向深部两侧的扩散明显减小,应力峰值 向帮 侧靠近,因而底板两侧的固定约束端也 向开挖临空 区方向收缩,相当于减小了发生底臌岩层的实际宽 度 ,而通过底臌岩层板的力学推导发现底臌高增量 与底臌岩层板宽度增量 △ , 成 A h c , c A / 关系。 二是帮侧应力集中提高后,相应减小底板岩层浅部 的应力集中,增大深部岩层的应力集中程度 ,而浅 部岩层在开挖卸荷后岩体强度降低,不利于力的承 载,深部岩层的岩体强度较高有利于力的承载,帮 部的加固则利用 了这种结构特点。在实践中对两帮 实施锚网注浆耦合加固,实施刚性网,可以提高煤 体强度,限制两帮变形量 ,减小松动圈及应力集中 向两侧转移,抑制 了底板固定约束 的偏移,减小底 臌岩层的宽度 , 从而减小挠 曲效应引起 的臌高增量 。 2 . 3 三控底角作用机制 煤巷底板岩体强度普遍偏低,多为含泥质成 份的灰岩、泥岩等,在两帮高应力的挤压下,很 容易产生向开挖临空区的塑性流动,形成多条剪 切滑移线。通过对底角施加刚性注浆锚杆,可以 起到加固巷道底角减小底臌量的效果,其对底板 产生的力学效应主要有两方面一是巷道开挖卸 荷后,在底角易形成剪应力集中,通过施加刚性 注浆锚杆,可以提高底角的剪切强度,增加抵御 塑性剪切滑移破坏 的能力 ;二是通过在角部施加 4 5 。 的刚性锚杆 ,能将两帮传递到底板上 的压应力 沿分解为沿锚杆轴向和垂直锚杆的径 向分力,削弱 两帮应力集中传递到底板上的作用力,从而起到减 小底臌量的作用。 3 深部煤巷底臌控制的数值分析 数值计算采用 F L AC D软件进行,对深部煤巷 底臌三控下底板 的应力、位移、塑性区变化进行模 拟分析,研究揭示底臌三控的作用机制和规律 。 3 . 1 工程地质条件 研究 以徐州矿区夹河煤矿一 8 0 0水平 2 4 4 2工作 第2 8卷增 1 何满潮,等.深部煤巷底臌控制机制及应用研究 2 5 9 5 面材料道的具体工程地质条件进行。该巷道工程最 大埋深达 8 5 0 m,为首采工作面第一条煤巷 ,无临 近采动压力的影响,巷道设计断面为 4 . 2 mx 2 . 6 m 宽 高 ,巷道沿主采煤层顶板掘进。主采煤层为古 生界二叠系下石盒子组 2 煤,煤层倾角近水平,碎 块状,内生裂隙发育 ,松散易碎,厚度为 2 . 4 m直 接顶为泥页岩,裂隙发育,多为泥质胶结,局部赋 存煤层 ,厚度为 2 . 6 m;老顶含有碳质软弱夹层,之 上为中砂岩层;直接底为灰黑色泥质页岩,裂隙发 育,厚度为 1 . 7 t l l ;老底为砂岩,厚度为 1 0m。 3 . 2 计算模型及参数 根据实测地应力数据,垂直应力为 2 0 MP a , 水 平应力为 2 2 . 8 MP a ,计算范围取 3 0 mx 3 0 m,模型 上边界模拟上覆岩体的重量;模型两侧限制水平移 动,底面限制水平垂直移动。采用莫尔 一库仑破坏 准则,锚索锚杆按杆单元考虑,钢筋网及钢带梁简 化为铰接在杆上的小段梁单元 ,采用大应变模式计 算,建立如下的数值模拟计算模型见图 1 ;模型计 算参数见表 l 。 图 1 计算模型示意 图 F i g . 1 S k e t c h o f c o mp u t i n g mo d e l 表 l 岩石物理力学参数表 T a b l e 1 P h y s i c o me c h a n i c a l p a r a me t e r s o f r ock 3 .3 数值模拟计算方案 本次研究以夹河煤矿深部煤巷为模型,分别对 顶板、两帮、底角 3个部位采取不同的支护形式, 模拟方案为 1 原始 自重应力场平衡后初始化位移; 2 一控顶板模拟全锚索支护、锚 网支护、锚 网索耦合支护下,底板的应力变化和位移量; 3 1二控两帮模拟锚杆柔性 网、锚杆刚性网、 锚网注浆支护下 ,底板的变形破坏情况; 4 三控底角模拟底角锚杆 、底角注浆锚杆支 护下,底板的变形破坏情况。 3 . 4 数值模拟结果分析 3 . 4 . 1一控顶板对巷道底板的作用 1 围岩塑性区分布 如图 2所示, 巷道开挖后采取锚索加固项板后, 两帮塑性区明显减小,顶板拉破坏单元消失的同时 塑性区增大,底板塑性区减小,反映了对顶板的加固 可以让应力向顶板集中,对底板起到减压的作用。 a 项板无支护巷道 一- ■ 一、 t j _ l 簟 曩 l l 1 . - - 叠 曩 . 。 童 ’ l l _ l l 毒 一 ≤ ≯ 曩 b 顶板全锚索支护巷道 图 2 项板加固前后巷道 围岩塑性区分布 F i g . 2 Di s t r i b u t i o n o f p l a s t i c y i e l d i n g a r e a o f s u r r o u n d in g r o c k s b e f o r e a n d a f t e r r e i n f o r c e me n t o f r o o f 2 底臌位移量分布 顶板控制对底臌位移量的影响如图 3所示,采 取全锚索支护顶板 的强度最高,底臌量最小 ,锚网 譬, 一 ~ 多 0 0一 j暑l ~ 一 ~ 一 ⋯ ≥0 ,0 一 0 . . . 。 .⋯ 一簟 第 2 8 卷增 l 何满潮,等.深部煤巷底臌控制机制及应用研究 2 5 9 7 。 、 、 、 . 、 。 鬟 譬 ≤ 譬 譬 一 。 t一 一 0 曩营 曩 譬 。 墨 ≥。 毒 ⋯; 。 篝蓦i j 蠹至曩i 毒 囊 雾 一 ■ 薯 ∞ t ’ 一 图7 底角加固后巷道围岩塑性区分布 F i g . 7 Di s t r i b u t i o n o f p l a s ti c y i e l d i n g a r e a o f s u r r o u n d in g r o c k s a t e r r e in f o r c e me n t o f c o me r 时减小两帮和底板的塑性破坏区范围。 2 底臌位移量分布 对底角的加固,可 以明显减小底臌位移量的发 生,由图 8可知,采用底角注浆锚杆后,底臌位移 量由无支护作用下的 6 1 . 0 c m减小到 3 9 . 8 c m。 毫 ■6 饕 誉 避 底板岩层深度/ m 图 8 底角控制对底臌位移量的影响 F i g . 8 Ef f e c t s o f c o me r c o n t r o l o n fl o o r h e a v e 从上述数值计算结果的分析,通过对顶板、两 帮、底角 3个部位的支护控制,可分别在不同的力 学作用下,改善底板的受力状况,均起到减小底臌 量的作用。可见,底臌的控制不仅仅是围绕底板进 行 ,对其他部位的控制也会对底臌产生明显影响, 所 以对于防治底臌应当从围岩整体相互作用的角度 实现底臌控制。 4 工程应用 夹河煤矿埋深 8 5 0 m 的 2 4 4 2工作面煤巷,掘 进初期采用锚 网索支护 ,顶锚杆020 minx 2 4 0 0 mm,帮锚杆0 2 0 mmx 2 2 0 0 mm,间排距为 7 0 0 m m 7 0 0 mm。锚索采用矿 l 5 . 2 4 minx 7 3 0 0 mm的高 弹性低松弛钢绞线, 间排距为 l 2 0 0 mm 1 4 0 0 mm, 采用 2 1 2布置见图 9 ,顶板采用0 1 2 m m菱形 铁丝网,帮部用塑料网。巷道在掘进初期 7 5 d内, 图 9 原巷道支护布置设计 单位 mm F i g . 9 L a y o u t o f o l d s u p p o r t d e s i g n u n i t mm 矿压显现极为强烈,1 0 0 m 范围内锚杆断裂 3 9根, 菱形网多处撕裂,托盘弯 曲变形严重,钢筋梯梁多 处拉断; 2 / 3以上顶板网兜现象突出, 顶板下沉最大 4 2 0 mm,两帮收缩最大 5 6 0 mm,端头最大底臌量 7 5 0 mm,巷道平均累计底臌量 8 5 0 mm,巷道底臌 严重段 曾先后卧底 2次,仍无法控制底臌。 为控制底臌,新设计考虑了巷道顶板、两帮 、 底角部位的支护。一控顶板提高强度,通过顶板围 岩结构优化,去掉软弱伪顶 ,提高持力层强度,锚 索直径增加为 1 8 . 9 m mx 7 3 0 0 m m,22 2布置见 图 1 0 ,锚索间用 2 0 槽钢连接,锚索预紧力提高至 1 5 0 k N,顶锚杆为高强左旋螺纹钢锚杆 2 minx 2 4 0 0 mm, 钢筋梯换成 w 型钢带。二控两帮限制变 形,采用020 mmx 2 2 0 0 m m 高强左旋螺纹钢锚杆, mm 电焊平钢筋网,采用异型复合托盘,增加锚 图 1 0 试验巷道支护布置设计 单位mm F i g . 1 0 L a y o u t o f n e w s u p p o r t d e s i gn uni t mm 2 5 9 8 岩石力学与工程学报 2 0 0 9钜 头摩阻力。三控底角剪切强度,采用 3 mmx 1 6 0 0 mm管缝式锚杆,插入 2 mm钢筋后,高压注浆。 从表 2可以看出,采用新设计后,顶板、两帮、 底角得到明显的控制 ,底臌量也大大减小 ,由原支 护下的平均累计底臌量 8 5 0 mm减小为新设计下的 平均底臌量 2 5 6 mm,并且围岩保持稳定,底臌得到 有效控制。 表 2围岩控制效果对 比 T a b l e 2 C o mp a r i s o n o f r e s u l t s o f s u r r o u n d i n g r o c k c o n t r o l 5 结论 f 1 巷道底板的稳定是一个受顶板 、两帮、底 角共同影响的过程,其 中顶板关键部位锚索加强支 护可 以将帮底应力集中向顶板转移,减小顶板松动 岩体传递到底板上的压力;锚网注耦合作用,提高 两帮强度,减小两帮收缩量 ,起到减小底板鼓起实 际宽度的作用,最终减小挠 曲效应;对底角施加刚 性锚杆和注浆,分解垂直压力,提高剪切强度 ,抑 制塑性剪切滑移;从而实现 3个部位对底臌量的控 制。 2 在对深部煤巷围岩稳定性控制时,考虑顶 板、两帮、底角对底臌的影响,建立顶板,两帮 , 底板,支护结构一体化设计方法,可以有效控制底 臌量。 本文提出的一种一体化控制底臌的方法 ,可以 作为同类巷道借鉴,但仍需要针对各种类型巷道进 一 步作大量系统深入的研究。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 2 】 【 3 】 何满潮, 谢和平,彭苏萍,等.深部开采岩体力学研究[ J ] l 岩石力 学与工程学报,2 0 0 5 ,2 4 1 6 2 8 0 3 2 8 1 3 . 【 HE Ma n c h a o ,XI E He p i n g , P ENG Su p i n g , e t a 1 .S md y o n r o c k me c h a n i c s i n d e e p mi n i n g e n g i n e e ri n g [ J ] .C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e ri n g ,2 0 0 5 ,2 4 1 6 2 8 0 3 2 8 1 3 . i n C h i n e s e 姜耀东,赵毅鑫,刘文岗,等. 深部开采中巷道底鼓问题的研究[ J ] . 岩 石力学与工 程学报 ,2 0 0 4 ,2 3 1 4 2 3 9 62 4 0 1 . 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F l o o r b o lt i n g for c o n tr o l o f mi n e fl o o r h e a v e [ J ] .I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f R o c k Me c h ani c s a n d Mi n i n g S c i e n c e s and Ge o me c h a n i c s Ab s t r a c t s ,1 9 9 4 ,3 2 3 1 2 3 . 【 1 4 】 K AI S E R P K,MO R GE NS T E R N N R . P h e n o me n o l o g i c a l mo d e l for r o c k w i t h t i me d e pen d e n t s t r e n g t h [ J ] . I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f R o c k Mech a n i c s o f Min i n gS c ie n ce andG e o me c h a n i c s A b s l r a c t , 1 9 8 l , l 8 1 l 5 31 6 5 . [ 1 5 】 李宁,赵彦辉,韩垣. 单锚的力学模型与数值仿真试验分析【 J ] . 西安理工大学学报,1 9 9 7 ,1 3 1 6 1 I L I N i n g ,Z H AO Y a n h u i , HAN Xu a n . An an a l y s i s o f s i n g l e b o l t me c h a n i c a l mo d e l an d n u me ri c a l s i mu l a t i o n t e s t [ J ] .J o u r n a l o f X i a l l U n i v e r s i t y o f T e c hno l o g y ,1 9 9 7 ,1 3 1 1 6一l 1 .