巷道非对称底鼓的力学解析.pdf

4期 安徽理工大学学报 自然科学版 J o u ma l o f A n h u i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n t ] F e c h n o l o Na t u r a l S c i e n c e W l 1 ． 3 2 NO ． 4 De c． 2 01 2 巷道非对称底鼓的力学解析 高明 中 ， 井欢庆 1 ．安徽 工大学能源 j 安全 学院 ， 安徽淮南2 3 2 0 0 1 ； 2 ． 矿瓦 断治 罔家 工程研究 l } I 心 ． 安徽淮 南2 3 2 0 0 1 摘要 探讨深部开采条件下非对称底鼓现 象的影响因素和形成机制， 为巷道底鼓的防治提供 理论依据。根据 郎肯土压力理论 ， 建立了非对称底鼓的力学模型及分析计算简图， 得到了4种 非对称底鼓的破坏形式 ， 导 出了巷道底压的计算公式。通过给定部分参数 ， 得到 了极限破坏深 度 、 底压、 底压偏移 角分别与松散 岩体折算摩擦 角和巷道宽度的关 系。研 究表明， 岩性较 差或 者较为破碎 的围岩以及宽度较大的巷道受非对称荷载比值的影响较 大， 且巷道底压会有一定 的偏转。研 究结果对于控制深井非对称底鼓有一定的参考作用。最后介绍 了 1个防治巷道底 鼓的 实例 。 关键 词 深部开采； 巷道底鼓 ； 1 } 对称； 力学解析 中图分类号 T D 3 2 7 ． 3 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 2 1 0 9 8 2 0 1 2 0 4 0 0 3 8 0 6 Me c h a n i c a l An a l y s i s o f As y mme t r i c F l o o r He a v e o f Ro a d wa y GAO Mi n gz h o n g ，J I NG t t L l a nq i n g 1 ． S c h o o l o f En e r g y a n d S a f e t y，An h u i Un i v e r s i t y o f S c i c ； Ic e a n d T e c h n o l o g y，Hu a i n a n A l d mi 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a；2 ．N a t i o md E n g i n e e r l n g R e s e a r c h Ce n t e r f o r C o a l a s C o n t r o 1 ．Hu a i n a r 】 An l mi 2 3 2 0 0 1 ．Ct fi n a Ab s t r ac t I n t he c o nd i t i o n s o f d e e p mi ni n g，t he ph e n O me n o n o f a s r mme t r i e flo o r he a v e i s l l l o r e a n d I I l o r e C O l3 1 一 [ I 1 O I 1 ．t h e s a t％t y a nd h i g h e f fi c i e n c y p r o d u c t i o n o f c o a l mi n e i s s e r i ou s l 3 r e s t r i c t e d，Di s c u s s i o n o n a ff e c t i n g[ a c t o r s a n t i f o r mi n g me c ha n i s m o f t he flo o r h e a v e，i t ha s i mpo r t a nt a c a d e mi c v a ] u e a n d pi a c t i c a l s i g n i fi c a nc e f o r t h e p i ‘e v e n fi o n o f fl o o r h e a v e ．Ac c o r d i n g t o Ra n k i n e e a r t h p r e s s u r e t h e o r y．me c h a n i c a l mo d e l a n d a l 1 a l y s i s d i a g r a m o f a s y mme t r i c flo o r he a v e i s e s t a b l i s h e d．4 k i n d s o f d e s t ru c t i o n f _0 门 ms o f a s y mme t J i e flo o r h e a v e a r e g o t ．t h e c a l e ul a t i o n f o r m u l a o f b o t t o m pr e s s u r e o f r o a d wa y i s de r i v e d ． Gi v e n S O t Y l tp a r a me t e r s ，t h e r e l a t i o n s h i p o f c r i t i c a l f a i l u r e d e p t h、 b o t t o m p r e s s u r e、 o f t s e t a n g l c o f b o t l o m p r e s s u r e wi t h t r a ns ] a t e d f r i c t i o n a n g l e o f f r i a b l e I ’o c k a n d wi dt h o f r o a d wa y a r e o bt a i n e d r e s pe c t i v e l y．Re s e a r c h s l l O WS t h a t t he i n flu e n c e o f r a t i o o f a s y mme t r i c l o a d f o r r o a d wa y i s v e D-b i g wh e n s u r r o u nd i n g r o c k i s b r o k e n u p o r l i t h o l o g i s p o o r ，a nd b o t t o m p r e s s u r e wi l l h a v e a c e r t a i n d e fle c t i o n，wh i c h ha s c e r t a i n r e f e r e n c e i n C o I l t l ’o l o f a s y mme I r i c flo o r he a v e ． F i n a l l y，a e x a mp l e o f r o a d wa y flo o r h e a v e p r e v e n t i o n e p r e s e n t e d． Ke y wo r ds d e e p mi n i n g；r o a d w a y fl o o r h e a v ea s y mme l r i 、 ；me c h a n i c a l a n d y s i s 随着我国煤矿开采深度 的不断加大 ， 开采强度 的增加和无煤柱开采的大量使用 ， 加之部分矿升资 源枯竭开始 回收边角煤柱 ， 导致巷 道围岩应 力悲 化 ， 巷道底鼓现象 口趋普遍 ， 严重 影响 了此类巷道 的运输和正常使用。在两帮压模效应 、 原岩应力 、 采动支承应力、 水及底板岩性等 个或多个冈索综 合影 响下 ， 底板岩层 向巷道 内压 、 扩容 、 膨胀 ， 彤 成底鼓 。巷道所处的地质条件 、 底板 岩性质和应 力状态各不相 卜 j 】 ， 底鼓 的方式 及其机理也有所 不 同， 一般可分为以下 4类 挤压流动性底鼓 、 挠} H 1 褶 皱性底鼓 、 剪切错动性 底鼓及膨胀 性底鼓 。依 巷道与回采工作面的空间位置关系 ， 采动巷道可分 收稿 日期 2 0 1 2一 5 2 8 作者简 介 高明t { t 1 9 5 7～ ， 男 ， 安徽濉南人 ， 教授 ， 硕 l ． 主要从事 矿l i i J k 力 稍 1 岩 作移动方 面的研究 。 第 月 1 罄 F i 第如 第 4期 高明巾， 等 巷道诈对称底鼓的力学解析 3 9 为实体煤巷道 、 煤柱巷道 、 沿空巷道 ， 而在相 同条件 下 ， 煤柱巷道的底鼓最严重 ， 维 护难度最大。冈 此， 针对回采巷道的挤压流动性底鼓机理进行深入 研究 ， 寻求经济有效的控制技术 ， 对巷道底鼓 的控 制具有一定的参考价值。 l 巷道底板应力的分布 巷道底鼓不但与巷道 围岩的物理力学性质有 关 ， 而且和围岩的应力分布有关 ， 特别是底板岩层 的应力分布有关 。采 空侧巷道底鼓 比相 同条件下 的实体煤巷道 的底鼓量要大得多 ， 而且巷道底鼓呈 现不对称性。这些差异是 由于巷道 的应力重新分 布的特殊性造成的。对于挤压流动性 底鼓 ， 将嗣岩 视为松散体 ， 即忽略底板岩层的 内聚力 ， 可 以引入 郎肯土压力理论 来解释软岩巷道底鼓的原 冈。 为 了便 于计算 ， 假设巷道底板两侧在均布荷载 P和 g的作用下发生破坏 ， 巷道底板两侧 的应力分 布如图 1 所示。 图 1 巷道底板所受载荷 的简化图 2 巷道非对称底鼓力学解析 先取巷道右侧底板进行分析 ， 底板岩体在均布 荷载 q的作用下 ， C I J区域岩体处于主动塑性压力 状态 ， 而 Mc J区域岩体处于被动塑性压力状态 ， 当 MC J区域岩体达到了被动塑性压力状态 ， 会产生向 上的底板围岩压力 ， 当其超 过 了岩体 的极 限强度 时 ， 就会导致底板 MC范围的破坏 ， 向上隆起 或者 挤入巷道 ， 造成底鼓 见图 2 。 口 j 图2 荷载 q 作用下底板破坏计算图 当巷道岩体处 于极 限平 衡状态时， 滑动面 MJ 与水平线的夹角为 4 5 。 ， 滑动 面 I J 与水平线 的 夹角 为 4 5 。一 。假 定 C J为理 想中的捎 t墙 ， 则 C J 各点上所受 的主动压力和被动压力分别为 O - q7 ， K 。 1 2 式中 y为上覆 岩层 的平均容重 ， k N ／ m 。 ； ， 为底鼓 深度 ， m；o - 为岩石 的单轴抗压强度 ；g为均布荷 载 ， k P a ； 为 主动土压力 系数 ， t a n 4 5 。一 等 ； 为 被 动 土 压 力 系 数， ta n 4 5 。 詈 ； 为松散岩体的折算摩擦角， 。 ， a r c t a n 而O “ c 。 在 J 点 以上的 C J 范 围内， 因为 。 ， 底板 岩体处于塑性状态； 在 J 点以下， 。 1 时 ， 极限破坏深度为 。 由图 5 a可知 ， Y与 的关 系 从 总体 趋势 上 看 ， 随着 的增大 ， 极 限破坏 深度是 在不 断减 小 的， 随着荷载比值 的增大 ， 相 同的 所对应的破坏 深度也是不断增大的。 由图5 b可知， P 0 与 的关系 从变化趋势上 来看， 基本同破坏深度与 的关系一致。但是当 较小 时， 底压是 随 if , 的减小而增大 的幅度非 常剧 烈 ， 底压的 比值最大可以达到 1 0倍以上 ， 可见在岩 体较为破碎的时候 ， 如果不能及时有效 的支护 ， 随 b ／ m a Y与 b的关系 p ／ 。 e 0与 p的关系 着岩体的进一步破坏 ， 底压会急剧增 大 ， 从而造成 难 以控制的剧烈底鼓。 由图 5 c可 知 ， 0与 的关 系 两侧荷 载相 同 时， 0为 0， 底压方 向是垂直 与巷道底板向上的， 不 会受 的影响； 当荷载不同时 ， 会使得 0增大 ， 随 着荷载比值的增大， 相同的 所对应的 0 是不断增 大的， 只是增加的幅度有所减小 。 2 根 据 现场实 际情况 ， 巷道宽度 b的范 围取 26 m， 分别给定下述参数的值 4 0 。 ， h1 ． 6n l ， 2 5 k ， ，l 依然取如 匕 所述的2 个值， 则可以分别 得到 Y与 6 ， 与 6 ， 以及 0 与 b的关系 见图6 。 b ／ m b P o与 b的关系 1 ．n1 ． 22 ．， l 1 ． 6 图6 底鼓参数与 b的关系 6 0 4 0 2 0 O ／ 2 ／ 1 2 3 4 5 6 b ／ m c 0 与 b的关系 安徽理工大 学报 自然科学版 第 3 2 签 南图6 a 可知， Y与 b的关系 随着 b的增大， 极限 破坏深度是在不断增大的， 随着荷载比值的增大 ， 相 同的巷道宽度所对应的破坏深度也是不断增大的。 由图 6 b可知 ， P 。与 b的关 系 两 侧荷载相 同 时 ， 随着 b的增大 ， 底压变化略有增大 ； 两侧荷载不 同时， 随着 b的增 大， 底压越来越大 ， 同时， 荷载 比 值的增大 ， 使得 同等宽度下的巷道 的底 压变得 更 大， 在宽度较大的情况下， 增长的幅度相对于宽度 较小时是非常大的。 由图 6 c可知 ， 0与 b的关 系 巷道 宽度 的变 化 ， 并不会改变底压的偏移角， 而两侧荷载不 同才 会影响 0 ， 荷载 比值 的越大， 0越大 ， 但是} L t x ． t 于荷 载 比值增大的幅度 ， 0 增大的幅度减缓 了。 4 非对称底鼓控制对策及应用效果 1 非对称底鼓 的控制方法 。从力学模型 中可以看出 ， 为了减小底压 ， 减轻底鼓的程度 ， 应通 过 以下 4个途径 一是加 固巷道肩 、 帮部这样 的关 键部位 ， 改善巷道 围岩结构的力学性能 ， 减小帮部 荷载； 二是主动控制底鼓 ， 即采用足够长的扎脚锚 杆或者锚索穿透巷道底板破坏的主动区 ， 并同结在 稳定岩层中， 不仅可 以阻碍底板两侧载荷 向下传递 以及主动破坏区向下挤压移动 ， 同时相当于增大了 内摩擦角 ， 减小 了主动压力 ， 从而降低底压 ， 减轻 巷道底鼓的程度； 三是被 动控制底鼓 ， 即采用足够 长的底板锚 杆 ， 将 底板松散岩体 同结 在稳定岩层 中， 阻碍被动区向上运动 ， 增大被动区的 ， 减小滑 块的有效滑动力 ， 从而减 小和平衡底 压 ； 四是 圆结 松散岩体 ， 即注浆加固巷 道围岩 ， 实际是也就是增 大了围岩的 ‘ D 。 2 非对称底鼓的控制对策。某矿第一水平大 巷垂深 8 3 0 m， 由于煤层埋藏较深 、 地质构造的影响 以及巷道布置方面的原 因， 造成 围岩松软破碎 。 风 化或遇水泥化现象严重 ， 巷道维护难度很大。 2 0 0 9年施工 以来， 由于其附近综采工作 面开 采 ， 虽然 留设了 8 0 m 的保护煤柱 ， 但是巷道还是发 生严重的非对称底鼓破坏 ， 相对底鼓量可达 0 ． 7 1 ． 5 m。其主要破坏形式为下肩顶板 开裂、 帮部鼓 出、 上帮底板鼓出变形较下帮严重。 在修复设计中， 除了采用 了以上述控制方法为 基础的组合式支护措施 ， 结合现场实际施工情况， 针 对不对称底鼓 ， 采用了不对称的支护形式 见图7 。 间排距均为 8 0 0 ra m 冈7 支护设计参数 3 支护效果 。根据修复后 3个月的连续监测 数据 ， 两帮累积移近量 8 0 ／ 1 1 ／ I“ 1 ， 顶底板累积 移近量 6 5 mm， 最大底鼓量 5 0 mm， 收敛面积 0 ． 8 2 m ， 收敛 率为 6 ． 6 1 ％， 支护有效 的控制 了陶岩变形速率和 变形量。 5 主要结论 1 松散岩层 的折算摩擦角 ， 即岩石 的岩性及 破碎程度对于巷道的稳定极为重要。总的来晚， 折 算摩擦角越大 ， 即岩性较好或者围岩较完整时 ， 极 限破坏深度和底压都较小 ， 受非对称荷载的影响也 不会过大。但是如果巷道 围岩 的岩性较差或者非 常破碎 ， 在受非对称荷载影响时 ， 底压值会增大的 非常剧烈。 2 对称荷载作用下 ， 底压的方 向是垂直 于巷 道底板向上的。不对称荷载作用下 ， 底压偏移的角 度主要和松散岩层 的折算摩擦角动压影响有关系 ， 随着他们的增大而不断偏 向受采动的巷道一侧 。 3 随着巷道底板宽度的增 大， 会使得极限破 坏深度和底压都增大。不对称荷救作用下 ， } H x J - 于 宽度较小的巷道， 宽度较大的巷道底压增加的幅度 非常大。 4 岩性较差或者较为破碎的围岩 ， 巷道宽度 较大的巷道 ， 它们受荷载 比值的影 响非常大 ， 底压 增大幅度较大 ， 会造成剧烈的底鼓。 5 从理论上来说 ， 为了控制底鼓 ， 应从其源头 人手 ， 综合采用下述手段 加固肩部 ， 提高闹岩强度 和整体性 ， 降低荷载大小 ； 补打扎脚锚索 ， 斩断荷载 第 4期 高明中， 等 巷道非对称底鼓的力学解析 4 3 传递 的路径 ； 底板锚杆加 固， 阻碍被动区运动 ； 注浆 固结松散岩体。在底鼓程度较严重时 ， 可以适 当采 取不对称支护方式 ， 补强荷载大的一侧。 参考文献 [ 1 ] 陈炎光， 陆士 良． 中国煤矿巷道围岩控制[ M] ． 徐州 中国矿业大学 出版社 ， 1 9 9 4 4 6 3 4 7 3 ． [ 2 ] 柏建彪， 李文峰， 王襄禹， 等． 采动巷道底鼓机理与控 制技术[ J ] ． 采矿与安全工程学报， 2 0 1 1 ， 2 8 1 1 5 ． [ 3 ] 陈仲颐， 周景星， 王洪瑾． 土力学 [ M] ． 北京 清华大 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 学 出版 社 ， 1 9 9 4 1 1 4 1 1 5 ． 高明巾． 巷道压 曲性底臌的机理与控制 [ J ] ． 安徽理 工大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 2 8 1 2 0 2 4 ． 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 01 ． 李开学， 王宏图， 刘正海． 巷道底鼓理论与防治技术 [ J ] ． 矿业安全与环保， 2 0 0 8 ， 3 5 3 8 68 8 ． 责任编辑 何 学华 ， 吴晓红 嘘套 啦彗 壤蛰童饕 警 啦蛰霞彗 噬骜 峰魏耋蛰整皂 崤彗 啦蛰鬈琶 啦彗 噬魏蛰誊 嗡蛰啦； 婺 啦翼 畦警 峪蠢 啦趣整 姑 鹜 啦蛰 彗崤塾 蛙蛰 甚 嘘釜 警 螫鏊 嫒蠹 嚏蛰毫 羚 崆魏耋套耋装 连续 出版物著录项 目及著录格式 连续出版物是一种载有卷期号或年月顺序号、 计划无限期地连续 出版发行 的出版物 。它包括以 各种载体形式出版的期刊、 报纸等。 著录项 目 主要责任者 题名项 题名 其他题名信息 文献类型标志 电子文献必备， 其他文献任选 卷、 期、 年、 月或其他标志 任选 出版项 出版地 出版者 出版年 引用 日期 联机文献必备， 其他电子文献任选 获取和访问路径 联机文献必备 著录格式 主要责任者． 题名 其他题名信息 [ 文献类型 标志 ] ． 年 ， 卷 期 一年 ， 卷 期 ． 出版地 出版者 ， 出版年[ 引用 日期] ． 获取和访问路径． 示 例 [ 1 ] 中国地质学会． 地质论评[ J ] ． 1 9 3 6 ， 1 1 一 ． 北 京 地质 出版社 ， 1 9 3 6 一． [ 2 ] 中国图书馆学会． 图书馆学通讯[ J ] ． 1 9 5 7 1 一 1 9 9 0 4 ． 北京 北京图书馆 ， 1 9 5 71 9 9 0 ． [ 3 ] A me ri c a n A s s o c i a t i o n f o r t h e A d v anc e m e n t o f S e i - e n c e ． S c i e n c e [ J ] ． 1 8 8 3 ， 1 1 一 ． Wa s h i n g t o n ， D ． C． Am e ri c a n A s s o c i a t i o n f o r t h e A d v anc e me n t o f S c i e n c e ， 1 8 8 3一 ． 摘自 文后参考文献著录规则 G B ／ T 7 7 1 4 2 0 0 5