深部开采煤巷复合顶板层间离层确定.pdf

第 3 5卷 第 6期 2 0 1 0年 1 2月 广西大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f Gu a n g x i Un i v e r s i t y Na t S c i Ed Vo 1 ． 3 5 No ． 6 De c． 2 01 0 文章编号 1 0 0 1 _ 7 4 4 5 2 0 1 0 0 6 - 0 9 1 4 - 0 6 深部开采煤巷复合顶板层 间离层确定 郝英奇 ， 王爱兰 ， 吴德义 安徽建筑工业学院 土木 学院 ， 安徽 合肥 2 3 0 0 2 2 摘要 为 了判断深部开采煤巷复合 顶板离层稳定性 ， 分析 了层 间离层 和塑性变形 随时间不 同特点 以及 多点位 移计测得 的深部开采煤巷复合顶板离层随时间变化信号特征 。结果表 明 反映塑性变形 随时间衰减快慢系数 一 般大于 0 ． 0 4 ， 大小 为 1 0 a m量 级 ， 2 5 d后变形 达到稳 定 ； 反映层 间离 层速度 随时 间变化快 慢系数 一般 为 0 ． O 1 左右 ， 大小 为 c m量级 ； 多点位移计工程实测值包括塑性变形和层问离层 ， 可 以对工程实测 的复合 顶板 初 期 0 2 5 d 离层随时间变化进行回归分析估算塑性变形大小 ， 用工程实测值和塑性变形差值表示层间离层 大小。最后对工程实测新集一矿 1 6 0 6煤巷复合顶板离层进行分析， 从工程实测中分离出层间离层， 为复合顶 板离层稳定分析提供依据 。 关键词 深部开采； 复合顶板； 工程实测； 塑性变形； 层间离层分离 中图分类号 T D 3 5 3 文献标识码 A De t e r mi n a t i o n o f t h e i nt e r l a y e r s e p a r a t i o n o f c o mpl e x r o o f i n de e p c o a l t un n e l HA0 Yi n g q i ， W ANG Ai l a n， W U De y i A n h u i I n s t i t u t i o n o f A r c h i t e c t u r e a n d I n d u s t r y，H e l e i 2 3 0 0 2 2 ， C h i n a Abs t r a c t I n o r d e r t o d e t e r mi n e t h e s t a b i l i t y o f t h e c o mp l e x r o o f s i n de e p c o a l mi n e t u n n e l s ，t h e t i me v a r y i n g s i g na l s o f c o mp l e x r o o f s e p a r a t i o n o b t a i n e d b y t h e mu hi p o i n t d i s p l a c e me n t me t e r a n d t h e v a r y i n g r e l a t i o n b e t we e n i n t e r l a y e r s e pa r a t i o n a n d p l a s t i c d e f o r ma t i o n we r e a na l y z e d ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a t t e n u a t i o n c o e ffic i e n t o f p l a s t i c d e f o r ma t i o n i s g r e a t t h a n 0． 0 4 a nd t h e c o e ffi c i e n t t h a t d e n o t e t h e i n t e r l a y e r s e pa r a t i o n s p e e d i s a b o u t 0． 0 1；t h e t o t a l p l a s t i c d e f o r ma t i o n i s 1 0 c m a n d t h e i n t e r l a y e r s e p a r a t i o n i s a r o un d 1 c m ；t h e p l a s t i c de f o rm a t i o n wa s e v a l u a t e d b y t e s t s i n t h e e a r l y p e r i - o d a n d t h e i n t e r l a y e r s e p a r a t i o n wa s d e t e r mi ne d b y t h e d i f f e r e n c e b e t we e n t h e t e s t v a l u e a n d t h e p l a s t i c d e f o rm a t i o n．Ba s e d o n t h e s i g n a l s o f t o t a l s e p a r a t i o n o f t h e c o mp l e x r o o f i n t h e 1 6 0 6 c o a l t u n - n e l ，t h e i n t e r l a y e r s e pa r a t i o n i s o b t a i n e d，p r o v i di n g a b a s i s f o r s t a b i l i t y a n a l y s i s o f c o mp l e x r o o f s e p a r a t i o n． Ke y wo r dsc o a l t u n n e l i n d e e p mi n i n g；c o mp l e x r o o f ； e n g i n e e rin g mo n i t o rin g；p l a s t i c d e f o r ma t i o ni d e n t i fic a t i o n o f i n t e r l a y e r s e p a r a t i o n 复合顶板在各大矿区普遍存在 ， 锚杆作为“ 主动 ” 支护形式广泛应用于复合顶板支护 ， 为预防复合 顶板分离不稳定而产生冒顶事故n ， 工程 中采用多点位移计监测锚 固区内外复合顶板离层并对稳定性 进行判别 引， 如 图 1 。多点位移计一般布置于巷道 中部 ， A点布置于原岩 中， 一般距巷道表面 6 ． 0 m， 收稿 日期 2 0 1 0 - 1 0 2 7 ； 修订 日期 2 0 1 0 1 1 1 0 基金项 目 国家自然科学基金资助项 目 5 0 9 7 4 0 0 1 ； 安徽省科技攻关计划重大科技专项资助项目 0 8 0 1 0 3 0 2 0 6 1 通讯联系人 吴德义 1 9 6 6 一 ， 男 ， 安徽 贵池人 ， 安徽建筑工业学 院教授 ， 博士 后 ； E m a i l w u d e y i 1 3 6 1 6 3 ． c o rn。 第 6期 郝英奇 等 深部开 采煤 巷复合顶板层 间离层确 定 9 1 5 B点布置在锚杆锚 同端位置 ， 一般距巷道表面 2 ． 0 m。多点位移计测得 A、 B两点位移值分别为 A、 B两 点与巷道表面 0点的相对位移 ， 可示为 A Uo A M 。 一 M A， 1 Au 。 口 。一I t B。 2 由于 A点位于原岩中， U 0 ， 由式 1 可得出巷道表面 0点位移 “ 。 ， 由 。 值和式 2 可得 出 B点位 移 M ， 由 U o 和 u 值可计算锚固区内外离层 。 锚固区内离层可示为 A 1 i U 。一t t ， 3 式中 ， u 为巷道表面中部 0点位移 m m ； u B 为锚 固端 B点位移 m m 。 锚固区外离层可示为 △ 2 UB一 “ A ， 式中 ， u 为原岩 A点位移 ram 。 巷道开挖后 由于围岩应力迅速释放 ， 顶板 由三 向受力 变为两向受力 ， 巷道周围形成破碎圈 、 塑性圈及弹性 圈 ， 深部开采煤巷表现为显著两帮变形 ， 复合顶板破碎 圈尺 度很小 ， 岩石碎胀现象并不明显 ， 巷道表 面及距表面 2 ． 0 m 内的锚固端一般处于塑性变形。如 图 1所示 ， 复合顶板巷 道表面位移 “ 由塑性变形 “ a和结构面 C D的层间离层 “ 。 及结构面 E F的层间离层 U E F 组成 ， 锚 固端 B点位移 由 B点 塑性变形 U 删和结构面 E F层间离层 U E F 组成 ， A点一般位于 原岩 中， U 0 。由式 1 工程实测锚 固区内离层为 O、 B 两点塑性变形差和层间离层 U C D 组成 ， 锚固区外离层 由 B、 A 两点塑性变形差 和层 问离层 U E F 组成。塑性变形一般不会 超过容许值 ， 工程 中最关心层间离层是否保持稳定 ， 必须将 层间离层从测量值 中分离 ， 判 断层 间离层稳定性 。本文在 分析塑性变形和层 问离层随时间变化不同特点的基础上 ， 对工程实测 的煤巷 复合顶板离层 随时 间变化 信号进 行分 析 ， 分离出层间离层 随时间变化规律 ， 为复合顶板离层稳定 性判别提供依据。 4 Ⅲ层 『lA Ⅱ层 B 、 l I ＼ I 层巷道 图 1 多点位移计布置示意 图 F i g ． 1 La y o u t o f mu l t i p o i n t di s pl ac e m e n t me t e r l 复合顶板离层随时间变化 1 ． 1 复合顶板塑性变形随时间变化 围岩塑性变形随时间变化主要表现为三种典 型形式 川 ， 以圆形巷道为例 ， 处 于一次蠕变阶段的塑 性变形 满 足体 积不 可 压缩假 设 ， 采 用极 坐标 可示 为 ⋯ s ，0， 5 式 中， 为切向应变； ， 为径 向应变。 选 择 围岩 塑性 屈 服准 则为 ； 1一 2 k， 6 式 中， 为最大主应力 MP a ； 为最小 主应力 MP a ； 为和岩石粘结力有关系数 MP a 。 粘弹性区和粘塑性区边界满足粘弹性区应力分布同时也满足塑性屈服准则 ， 围岩径 向塑性变形可 示 为 CR 一 旦 k R ， 、 M 。 一 2一Gr， L 式中， R为塑性圈半径 mm ； G为剪切模量 MP a ； 为粘性 系数 M P a d ； r 为点到巷道 中心距 离 9 l 6 广西大学学报 自然科学版 第 3 5卷 mm 。 由于工程地质条件多变 ， 和岩性及原岩应力有关系数工程不易获得 ， 但可以通过工程实测早期 一般 0 2 5 d 随时间变化的巷道表面径向塑性变形 ， 回归得出巷道表面径向塑性变形随时间变化回归方程 M r 0 ， t A 1 X 1～e ， 8 式中， 。 为反映塑性变形大小系数 m m ； 日 为反映塑性变形随时间衰减快慢系数 d ； r 0 为圆形巷道 半 径 m m 。 围岩 内部点径向塑性变形随时间变化回归方程可示为 “ r ， f 1一e ， 。 9 如图2 a ， 深部开采煤巷复合顶板塑性变形主要处于体积不可压缩阶段 ， 表现为一次蠕变 ， 可用式 5 ～ 7 示之 ； 一次蠕变塑性变形稳定值 A 一般在 1 0 c m量级 ， B 0 ． 1 0～ 0 ． 2 0 ； 由图 2 a 和式 5 ～ 7 ， 变形初期围岩变形随时间增长较快 ， 当时问增长到一定程度 ， 围岩表面变形 以极小速度增长 ， ￡ 一∞ 时， 围岩表面变形趋于极限值 ， 如以变形达到极限值 “ 的 9 5 ％时间作为离层稳定时间， 可示为 t 。 1 0 _ _ I I 当 B 。 0 ． 1 0～ 0 ． 2 0时， 塑性变形稳定所需时间 t 1 5～ 3 0 d ， 呈现一次蠕变复合顶板塑性变形在较 短时间内趋于稳定 。 如图 2 b ， 深部开采复合顶板塑性变形可能扩容 ， 产生二次蠕变 ， 可示为 引 “ 1 Z_ _1 1 1一e ≤ 0 ， 1 1 A “ l M 0 詈 1 一 e 埘 ‘ t o ， 1 2 式 中， A 为反映复合顶板二次蠕变大小系数 m m ； B 为反 映复合顶板 二次蠕变随时间衰减快慢 系数 d ； 。 为复合顶板产生二次蠕变的时间 d ； ／ Z o 为复合顶板产生一次蠕变大小 m m 。 分析表 明 圳， B 2 i0 ． 4时 ， 顶板塑性变形趋于稳定 ； 2 0 ． 4且 A 0 ． 51 ． 0 ／Z 。 。 以复合顶板塑性变形达到极限变形 9 5 ％作为围岩稳定标准 ， 二次蠕变稳定时间可示为 c o 。 1 3 一 般情况下， t 。 1 5 d ， B 0 ． 4时塑性变形稳定时间 t 4 5 d 。 g g ＼ 制 鲁 g ＼ 剥 时段 ／ d 时段 ／ d a 一 次蠕变 b 二次蠕变 A l 3 6 ． 0， B l 0 ． 0 8 A 2 2 5 ． 0 ， B 2 0 ． 0 4 5 图2复合顶板塑性变形随时间变化关系 F i g ． 2 Pl a s t i c d e f o r ma t i o n o f c o m p l e x r o o f wi t h t i m e 如 加 m 0 第 6期 郝 英奇等 深部 开采煤巷复合顶板层 间离层确定 91 7 1 ． 2深部开采复合顶板层间离层随时间变化 深部开采复合顶板结构面 中部受拉产生层间分离 ， 单结构面离层值一般为 m m量级并 随时间呈“ 跳 跃” 式增长[ 。如图 3 b 和 d ， 由于工程实际 中复合顶板 由多层厚度较小 ， 层理 、 节理发育的层 面组 成 ， 实测锚 固区内外层间离层 可达 c m量级 ， 层 间离层 随时间变化 主要呈现如图 3 b 和 d 两种形式 ， 图 3 b 层 间离层随时间变化趋 于稳定 ， d 层间离层 随时间呈加速增长趋势 。假设第 i 区段层 问离层 ， ， 作用时间 t i 为 f ≥ 。 ≥f 层间离层保持恒值 即 u“ ， 取不同时段 中间点 ， “ ， 根据各点离层 值随时间变化反映层间离层随时间变化特点 。 如图 3 b ， 稳定层 问离层随时间变化可示为 “ 。 t A ， 1一e ， ， 1 4 式 中， A 为反映层间离层稳定值系数 m m ； B 为反映层间离层增长随时间衰减快慢系数 d 。 如图 3 d ， 随时间加速增长的层间离层 ， 可示为 u t e 即 一1 ， 1 5 式中， 4 为反映层间离层随时间增长系数 mm ； 为反映层 间离层随时间增长系数 d 。 深部开采煤巷复合顶板层 间离层 A ， 、 一般为 c m量级 ， ， 、 一般为 0 ． 0 1左右。可见 ， 复合顶板 离层初期 ， 层 间离层较小 另文发表 。 量 基 、 啮 蠼 时段 ／ d a 锚 固区 内离层 随时 间变 化 l ＼ 踏 褪 2 O 1 5 g 皇 、 踏】 0 褪 5 时段 ／ d b 锚 固区外离层 随时间变化 O 2 0 40 60 8 0 1 0 0 时段 ／ d c 锚 固区 内离层随时 间变化 d 锚固 区外离层随时 间变化 图 3 复合顶 板离层随时 间变化 Fi g． 3 Var yi ng o f c ompl e x r o of i nt e r l ay e r s e pa r a tio n wi t h time 2 复合 顶板层 间离层分离 2 ． 1 复合 顶板 塑 性变 形确 定 复合顶板产生一次蠕变 ， 塑性变形经过较短时间 一般 2 5 d左右 即保持稳定 ， 离层初期塑性变形 一 般可达 1 0 c m量级 ， 和塑性变形 比较 ， 层 间离层一般不超过 c m量级 ， 占总离层不到 1 0 ％ ， 说明离层初 9 l 8 广西大学学报 自然科学版 第 3 5 卷 期 0 2 5 d 复合顶板总离层主要表现为连续塑性变形 ， 可用初期随时间变化总离层据式 8 采用最小 二乘法确定系数 A， ， ， 假定不同时间 工程实测值为 u t 。 s “ ￡ 。 一H ， ￡ 。 1 6 3 3 取 0， 0， 可得 A ， 曰 值。 o／ 11 aD l 产生二次蠕变时， 一般较短时间 内 1 5 d左右 产生初次蠕变， 随后产生二次蠕变， 可以依据初期 0～ 1 5 d 总离层值采用最小二乘法确定系数 4 ， ， 据 1 5- 3 0 d 实测的随时间变化离层确定系数 A ， 。 2 ． 2复合顶板层间离层确定 一 次蠕变复合顶板离层后期 一般 2 5 d后 塑性变形趋于稳定 ， 2 5 d后总离层变化主要表现为层间 离层值变化 ， 2 5 d后塑性变形可通过 。 t 计算 ， 层问离层 “ t 可据 2 5 d后工程实测复合顶板总离层 与 u t 差值示之。复合顶板二次蠕变时 ， 3 0 d后层间离层 t 用工程实测值 “ t 与 ／ L t 差示之。 根据工程实测值和公式 1 4 、 1 5 采用最小二乘法可确定 ， 及 ， 曰 。 3 工程应用 3 ． 1 工程概 况 新集一矿 1 6 0 6机巷埋深约 8 0 0 m， 巷道断面为矩形 ， 掘宽 掘高 4 5 0 0 mi l l 2 9 0 0 mm， 沿 61煤 直接顶板施工， 直接顶由泥岩 、 砂质砂岩、 粉砂岩组成 ， 厚度 2 ． 26 ． 2 m， 平均 4 ． 4 m， 两帮为煤， 为典型 的复合顶板结构。采用锚 网 索 和钢带支护 ， 顶板布置 7根直径 2 0 mm， 长度 2 2 0 0 mm， 全螺纹钢等强 锚杆 ， 锚杆间排距 7 5 0 m m7 5 0 m m， 螺母扭矩达 1 0 0 N m； 锚索间距 3 0 0 0 m m， 排距沿顶板倾斜方 向 依次为巷 中偏上帮 1 2 5 0 m m、 2 5 0 mm和巷 中偏下帮 1 0 0 0 m m， 锚 固到坚硬实体岩层 中， 预 紧力 为 1 0 0 k N 。为及时掌握复合顶板离层情况 ， 采用多点位移计测量锚 固区内外复合顶板离层 ， 多点位移计布 置巷道 中间 ， 工程实测锚固区内外离层随时间变化信号主要典型形式如 图 3 。实测结果表明 ， 多点位移 计测得的锚固区外离层呈现典型的层间离层形式 ， 锚固区内复合顶板离层包括有塑性变形 ， 为分析复合 顶板离层稳定性， 需将层间离层从总离层 中分离。 3 ． 2 复合顶板层 间离层和塑性变形的分离 如图 3 a ， 离层初期 ， 复合顶板总离层主要表现为塑性变形， 对实测离层初期 0～ 2 5 d 锚固区内 总离层随时间变化进行 回归， 可得锚固区内塑性变形差随时间变化方程为 M t 2 3 ． 4 1一e H 。 1 7 变化曲线如图 4 ， 塑性变形稳定值约为 2 3 ． 4 m m。2 5 d后层间离层值为工程实测的总离层值和塑 性变形 H ￡ 的差值 ， 分离后 的层间离层随时间变化如图 5 。 20 雹 1 5 g o 褪5 O 5 1 0 1 5 2 0 2 5 时 ／ d 窭 量 ＼ 趟 艇 亘 20 40 6 0 8 O l O0 l 20 1 4 0 1 60 1 8 0 时 ／ d 图 4 塑性变形 随时间变化 图 5 层间离层随时间变化 Fi g ． 4 Var y i n g o f pl a s t i c de f o r ma t i o n wi t h t i me Fi g． 5 Va r y i n g o f i nt e r l a y e r s e par at i o n wi t h t i me 如图 3 C ， 离层初期 1 2 d内锚固区内围岩产生了一次蠕变 ， 根据离层初期 01 5 d 内测得 的离 层随时间变化可得一次蠕变回归方程为 M ￡ 3 0 1一e 加塘 ≤1 5 d， 1 8 2 O 8 6 4 2 0 第 6期 郝英奇等 深部开采煤巷复合顶板层间离层确定 9 1 9 离层 1 2 d后锚 圃区内围岩产生 了二次蠕变 ， 依据 1 2～ 3 0 d实测的离层 随时间变化可得出二次蠕变回归 方 程为 “ f 3 01 8 1一e - 0 ． 0 6 t t 1 5 d ， 1 9 据式 1 8 和式 1 9 得出的回归曲线分别如图6和图7 。3 0 d后不同时间层间离层值为工程实测值与据 式 1 9 确定 的塑性变形差值 ， 分离得 出的层问离层 随时间变化如图 8 。 3 2 l 2 ＼ 踏 1 褪 1 0 2 4 6 8】 0 1 2 时 J ／ d 图 6 一次蠕变 Al 3 0 ． 0 ， B1 O ． 1 8 随时间变化 Fi g． 6 Pr i ma r y c r e e p wi t h t i me 量 g ＼ 啮 国 星 图 7二次蠕变 A 2 1 8 ． 0， B 2 O ． 0 6 随时间变化 Fi g ．7 Se c on dar y c r e e p wi t h t i me 分离得 出随时间变化层 问离层后 ， 根据层 间离层值 及层间离层随时间变化对层 间离层稳定性进行分析 ， 并 调整支护参数保持层间离层稳定 另文发表 。 。 差 4 结论 艇 ① 深部开采复合顶板离层包含层间离层和塑性 变 形 ， 塑性变形在较短时间内达到稳定值 ， 变形速度衰减较 快 ， 层 间离层较长时问内达到稳定 ， 离层速度衰减较慢 。 ② 离层初期主要 以塑性变形为主， 离层后期主要表 现为 层 l司离层 。 时『 H 】 ／ d ③ 对复合顶板离层初期 0～ 2 5 d 随时间变化的离 图8 层间离层随时间变化 层值进行 回归分析可 以估算 塑性变形大小 ， 层 间离层用 F i 8 I n t e r l a y e r s e p a r a t i o n w i t h t i m e 工程实测总离层和塑性离层 的估算值之差示之 。 ④ 将工程实测 的新集一矿 1 6 0 6煤巷复合顶板锚 同区内外离层分离 ， 为判断层 间离层稳定性从而 合理确定合适锚杆 索 支护参数保持复合顶板离层稳定提供依据 。 参考文献 [ 1 ] 黄超 ， 章烈敏 ．一起典 型煤锚巷 道 冒顶 的调查 [ J ] ．矿 山压 力与顶板管理 ， 2 0 0 4， 2 1 4 8 8 8 9 ， 7 2 ． [ 2 ] 鞠文君 ， 刘东才 ．锚杆支护巷道 顶板离层界 限确定方法 [ J ] ．煤炭科学技术 ， 2 0 0 1 ， 2 9 4 2 7 - 2 9 ． [ 3 ] 王诚 ， 高谦 ， 李月 ．锚 杆支护巷道顶板离层 的现 场监 测与分析 [ J ] ．矿业工 程 ， 2 0 0 6 ， 4 6 2 9 3 1 ． [ 4] 孔恒 ， 马念杰 ．基于顶板离层监测 的锚固巷道稳定性控 制[ J ] ．中国安全科学学报 ， 2 0 0 2， 1 2 3 5 5 5 8 ． [ 5 ] 赵奇 ．淮北矿 区煤巷 锚杆支护安全质量保 障体 系 [ J ] ．矿 山压力 与顶板 管理 ， 2 0 0 4， 2 1 2 7 3 7 4 ， 7 6 ． [ 6 ] 李大伟， 侯朝， 柏建彪 ．大刚度高强度二次支护巷道控制机理与应用[ J ] ．岩土工程学报， 2 0 0 8 ， 3 0 7 1 0 7 2 1 0 7 8 ． [ 7 ] 吴德义 ．新集矿区一 、 二、 矿软岩巷道合理支护形式及参数研究[ D] ．中国科技大学力学院， 2 0 0 8 ． [ 8 ] 吴德义 ， 王爱 兰 ， 杨蔡君 ． 深部 开采梯形棚支护棚腿 底部合 理约束 的确定 [ 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