深部巷道底鼓对围岩稳定性的影响.pdf

I S S N l 0 D 52 7 6 3 CN 4 31 21 5／TD 矿 业研 究与开发 第 2 7 卷 第 6期 MI NI NG R ＆ D，Vo 1 ． 2 7， N o ． 6 2 0 0 7年 l 2月 D e e ． 2 o o 7 深 部 巷 道 底 鼓 对 围 岩 稳 定 性 的 影 响 张军 ， 尹根成。 1 ． 中国矿业大学 力学与建筑学院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 华北科技学院 资源与环境 工程系 ， 北京1 0 1 6 0 1 ； 3 ． 山西焦煤集团屯兰矿 ， 山西 太原0 3 0 2 0 6 摘要 结合新 汶矿务 局孙村 矿 深部破 碎 围岩 开拓巷 道 实 际， 在对巷道底鼓机理研究的基础上， 利用有限差分软件 F L A C 对底板加 固前后顶底板 移近量 、 围岩 塑性 区、 拉 应 力 区发展状况进行了数值模拟和分析。现场观测结果表明， 对 于深部工程软岩支护问题， 在控制顶板和两帮的同时， 更需 要 注重底板的加 固， 这样才能保证深部巷 道围岩整体的稳定 性 。 关键词 深部开采 ； 巷道底鼓 ； 围岩稳 定性 ； 数值 模拟 中图分类号 T D 3 2 2 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 52 7 6 3 2 0 0 7 0 6 0 0 3 0 0 3 Effe c t o f F l o o r He a v e t o S t a b i l i t y o f S u r r o u n d i n g Roc k i n De e p [i l l e Ro adwa y Z h a n g J u n ， Hn G e n c h e n g 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c s and C i v i l E n g i n e e ri n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g and T e c h n o l o g y ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ． D e p a r t m e n t o f Re s o u r c e s an d En v i r o n me n t En g i n e e rin g ，No r t h C h i n a I n s t i t u t e o f S c i e n c e and T e c h n o l o gy，B e r i n g 1 0 1 6 0 1 ， C h i n a ； 3 ． T u n l an C o a l Mi n e o f S h a n x i C o k i n g C o a l G r o u p C o ． L t d ． ， T a i y u a n ， S h a n x i 0 3 0 2 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Co mb i n i n g wi t h the p r a c ti c a l s i t u a ti o n o f d e v e l o p me n t roa d wa y i n b r o ke n s u r r o un d i n g r o c k s i n S un c u n Co l l i e r y o f Xi n w e n C o a l Mi n e B u r e a u，o n the b a s i s o f s t u d y o n t h e me c h a n i s m o f fl oo r h e a v e o f r o a d w a y ，n u me ri c a l s i mu l a t i o n s w e r e ma d e w i t h F L AC o n t h e d i s p l a c e me n t o f r o o f t o fl o o r ，t h e d e v e l o p me n t o f t h e p l a s t i c z o n e an d t e n s i s t r e s s z o n e i n s u r r o u n d i n 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 i n g t h e fl o o r o f r o a d wa y ．T h e i ns i t u o b 。 s e r v a t i o n i n d i c a t e d t h a t f o r t h e r o a d w a y i n s o ft r o c k s i t i s n e e e s s a r y t o r e i n f o r c e the fl oo r ，r o o f an d t wo s i d e s ，b u t s p e c i al a t t e n - t i o n s h o u l d b eals op a i dt ot h e r e i nfo r c i n g o f fl oor ，S Otha t t h ei n t e g r al s t a b i l i t y o f s u r r o u n d i n g r o c k s o f d e e p r o a d w a y C a l l b e e n s u r e d ． Ke y W o r d s D e e p mi n i n g ，F l oo r h e a v e ，S t a b i l i t y o f s u rro u n d 。 i n g rec k，Nu me ri c a l s i mu l a t i o n 深埋巷道底鼓是 目前深部开采所面临的主要难 题之一。文献 [ 1 ] 对底板控制措施及其对巷道稳定 的影响作 了较好的试验和分析。多数文章重点研究 了底鼓的机理 ， 而很少研究底鼓对巷道整体稳定性 的影响 ， 本文对巷道底鼓机理及其对稳定性 的影响 作了进一步研究 ， 同时结合孙村矿 的实际进行 了数 值模拟和现场观测 。结果表 明， 深部巷道底板加固 对巷道整体稳定具有决定性作用。 l 开采深度对底鼓的影响及机理 随开采深度增大 ， 易于产生底鼓的巷道 比重越 来越大 ； 底鼓量及其在顶底板相对位移量 中所 占的 比重随开采深度的增大而增大‘ 2 j 。 底板抗压人强度和刚度是支撑系统力学特性 的 重要组成部分 J 。若底板 在压力下发生 明显 的底 鼓变形 ， 则会造成较大的巷道变形以至失稳 』 。 深部巷道产生底鼓的机理有以下几点。 1 高应力作用机理。随着 采深增加 ， 形成 的 支承压力较大 ， 于是巷道围岩产生压缩变形 、 剪切破 坏等现象 ， 引起两帮围岩向巷道 内移近。在加 强顶 板和两帮支护的情况下 ， 底板强度相对较弱 ， 这样两 帮煤体可嵌人底板而产生底鼓。 2 构造应力加剧 。在高水平应力作用下 ， 深 部巷道首先从支 护弱 面 即直 接底板 破坏 ， 导致 底 鼓 。 3 岩体强度降低。深部高应力或水的影响， 造成围岩产生很大的塑性变形， 巷道底板岩体软弱、 强度低、 承载力低、 不足以支撑来 自两帮的压力， 是 造成底鼓 的直接原因。 4 地温增高。高温会促使岩石从脆性向塑性 转化 ， 使围岩产生塑性变形 ； 在深部高应力条件下， 收稿 日期 2 0 0 61 12 4 基金项目 高等学校博士学科点专项科研基金课题 2 0 0 2 0 2 9 0 0 1 0 ． 作者简介 张军 1 9 7 4一 ， 男， 讲师， 在读博士， 主要从事矿业和岩土工程方面的教学和科研工作， E m a i l z h a n g j u n n m n c i s t ． e d u ． c n 。 维普资讯 张军， 等 深部巷道底鼓对 围岩稳 定性 的影 响 3 1 若只加强顶 、 帮的支护， 就易于产生底鼓。 2 深部巷道支护数值模型建立 F L A C能进行大变形分析。对 于本文研究的问 题 ， 能计算围岩的大变形和合理模拟 支护结构是非 常重要 的。因而， 选择 F L A C软件进行数值模拟 。 为了对 比深部巷道加 固底板效果 ， 建立 了锚 网 喷底板未加 固和锚网喷底板加固两种支护模型。 第一种 对帮与顶进行锚网喷加强支护 ， 底板无 加固处理。锚杆采用 q b 2 0 m m X 2 2 0 0 m m左旋无 纵 筋螺纹钢 ， 用 Z 2 3 3 5型树脂锚固剂全长锚 固， 锚杆间 距 7 0 0 m m， 初锚力不低于 8 0 k N ／ 根 ； 网片采用 6 m m钢筋焊接 ， 规格 为 1 5 0 0 m m X 8 0 0 m m， 网孑 L 5 0 m m X 5 0 m m， 压茬 1 0 0 m m； C 2 0喷射 混凝 土 ， 厚 度 1 5 0 mm。 第二种 在第一种支护方案的基础上 ， 对巷道底 板也进行加固 2根 1 6 m m X 2 5 0 0 mm左旋无纵筋 螺纹钢 ， 安装角度 4 5 。 ， 底板 中部 3根 同规格锚杆 ， 用 Z 2 3 3 5型树脂锚固剂全长锚 固， 锚杆初锚力不低 于 8 0 k N ／ 根 选择深部水平开拓巷道主要典型断面分析， 巷 道净宽 5 ． 2 m、 高 4 ． 4 m， 断面为直墙半 圆拱 ， 拱径 2 ． 6 m， 考虑其影响范围不小于 3～ 5倍断面尺寸， 取 计算区域为 2 4 m X 1 8 m， 将求解区域离散为四边形 网格 。巷道周边应力集 中系数和垂直应力集 中系数 取为 1 ． 3 ， 垂直应力取 3 0 MP a ， 水平应力取 4 5 MP a ， 巷道数值分析模型图略， 开拓大巷的围岩物理力学 参数见表 1 。 表 1 围岩 物理力学参数 3 围岩收敛变形计算结果分析 3 ． 1 底板未加 固巷道数值模拟结果及分析 巷道底板未加 固条件下数值模拟的顶底板移近 变形结果如 图 1所示 。由顶板下沉 曲线及底鼓变形 曲线可以看出 皇 暑 ■ 辎 世 y o0O O o0 OO O o 0 O 00 00 00 00 00 00 Oo oO 5 1 0 1 5 2 O 2 5 3 0 3 5 4 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 时步数 1 0 。 时步数 1 0 e 图 1 底板未加固巷道的顶底板移近变形 一时步 曲线 1 巷道开挖引起围岩强度降低 、 应力急剧升 高， 底鼓变形非常突出， 最大底鼓量约为 7 3 0 m m； 2 顶底板移近量增大由底鼓影响增加所 占比 例为 6 5 ． 8 ％； 3 由巷道变形轮廓线图 、 塑性区发展状况 图 篇幅所限 ， 略 可以看 出， 底板 由于无支护出现 明 显 的拉应力区， 表现为大底鼓变形 。 5 l O l 5 2 O 2 5 3 O 3 5 4 0 时步数 1 0 3 ． 2 底板加固巷道数值模拟结果及分析 巷道底板加固条件下数值模拟的顶底板移近变 形结果如图 2所示。由顶板下沉曲线及底鼓变形曲 线可以看出 1 巷道最大底鼓量为 3 1 0 m m左右 ； 2 顶底板移近量增大由底鼓影响增加所 占比 例为 4 5 ％ ； 图 2 底板加 固处理 的顶 底板移 近变形 一时步 曲线 时步数 f 1 0 y 砌 砌 Ⅺ Ⅺ ∞ ∞ ∞∞ ∞ ∞∞ O 1 1 2 2 3 3 一 一 一 一 一 一 一 一 目 【 一蟋卜 肾 y ∞ 彻 ∞ 彻∞ ． ∞ 砌 ∞ 砌 ∞ 3 2 2 1 1 一 g g _【 一龄 辩蠼 y 啪啪瑚瑚啪瑚瑚 5 0 5 0 5 O 5 O 1 1 2 2 3 3 一 一 一 一 一 一 一 一 目卓0 【 一 卜 臀 维普资讯 3 2 矿 业 研 究 与 开 发 3 由巷道变形轮廓线图 、 塑性区发展状况图 篇幅所限， 略 可 以看出， 底板的拉应 力区几乎消 失 ， 而且底板锚杆 的安装会使底板 中塑性 区范围大 幅度减小 ， 并且有使围岩塑性 区向巷道深部发展 的 趋势。 3 ． 3 数值模拟结果对 比分析 底板加固和未加 固巷道数值模拟结果的对比如 表 2 所示。 1 巷道变形轮廓线图明显不 同， 未对底板做 任何加 固措施时 ， 底鼓非常明显。 2 对于破碎难维护围岩， 即使锚杆有相当大 的锚固力 ， 由于未对底板做任何加固处理措施 ， 顶底 板移近量仍会超过 1 0 0 0 mm， 同时两帮收敛位移将 达到 7 O 0 mm。 3 显然单纯锚 网喷支护无法维护深部开采高 地应力下破碎围岩的稳定。 表2 两种模型的顶底板移近与两帮收敛量比较表 模型描述 帮顶锚网喷支护 3 7 5 7 3 0 1 1 0 5 7 0 0 顶帮锚网喷 底板 5锚杆3 6 0 3 1 0 6 7 0 6 6 8 4 基于数值模拟的支护设计与矿压观测 4 ． 1 破碎围岩条件下开拓巷道支护设计 鉴于以上的数值模拟和分析 比较 ， 破碎围岩条 件下开拓巷道支护设计采用 以下形式 一 次支护 顶帮锚网喷 底板 5锚杆 ， 参数同数 值模拟 ； 二次支护 选用 X S MS 2 6 0 ／ 1 8 0型小孔径树脂锚 固式锚索 ， 顶板三根， 两帮各两根 ， 在局部及破碎 区 注浆加固。 锚索 的长度 、 锚 固长度 、 锚索托板的计算参见文 献[ 7 ] 。 4 ． 2 矿压观测结果 采用顶帮锚 网喷 底板锚固的全断面全长锚 固 方式在孙村矿 一1 0 5 0东大巷进行 现场试验 和位移 观测 ， 表面变形量如 图 3 所示。测试结果表 明， 该巷 道 的顶底板收敛与巷道两帮移近量较大， 分别约为 3 4 0 m m和 4 0 0 mm； 在巷道开掘初期 3 0 4 0 d内巷 道变形收敛较快 ， 经历 5 0 d后 巷道变形趋 于稳定 ， 这表明选择较好的支护措施 ， 完全可 以很有效地维 护深部回采巷道 的围岩稳定 。 舍 邑 雄 妇 时闻 d 图3 1 0 5 0东大巷表面变形量与时间的关系 5 结 论 1 在深部开采的巷道维护 问题 中， 若单纯 的 强调治理顶板 、 两帮 ， 而忽视对底板的治理仍难以有 效地控制围岩流变。 2 深部巷道底鼓机理 的研究 表明， 采取底板 锚固方式能有效的控制底鼓量， 对于底板为遇水膨 胀软岩或局部破碎软岩 ， 可以用浇注混凝土反拱的 方法控制底鼓。 3 孙村矿 一1 0 5 0东大巷支护试验表明， 对于 深部难维护巷道围岩 ， 采用顶帮锚 网喷 底 板锚杆 锚索的组合方式支护 ， 基本能控制 围岩的大流变 变形及破坏。 参考文献 [ 1 ] 李 国臻 ，刘庆国 ， 等．利用 图像 变换处 理巷道 底鼓模 拟试验 数据 [ J ] ． 辽宁工程技术 大学学报 ， 2 0 0 4 ， 2 3 3 3 4 5～ 3 4 6 ． [ 2 ] 兰永伟 ，张永吉 ， 等．深 部开采 条件下 巷道底 鼓机理 的研究 [ J ] ．矿业研究与开发 ， 2 0 0 5 ， 2 5 1 ． [ 3 ] 邢福康， 等．煤矿支护手册 [ M] ．北京 煤炭工业出版社， 1 9 9 3， 2． [ 4] 姜耀东． 巷道底膨机理及其控制方法的研究 [ M] ．徐州 中国 矿业大学 ， 1 9 9 3， 7 ． [ 5 ] 陈洪章， 等． 巷道底鼓治理方法的研究 [ R] ．长春 长春煤炭 科学研究所 ， 1 9 9 2， 5 ． [ 6 ] 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 6～ 2 4 0 1 ． [ 7 ] 陆士 良，汤雷 ， 杨新 安． 锚 杆锚 固力 与锚 固技术 [ M] ．北 京 煤炭工业出版社 ， 1 9 9 8 ． 维普资讯