巷道压曲性底臌的机理与控制.pdf

第 2 8卷第 1期 2 0 0 8 年 3 月 安徽理工大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f An h u i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Na t u r a l Sc i e n c e Vo 1 ． 2 8 No ． 1 M a r ． 2 00 8 巷道压 曲性底臌的机理与控制 高明中 安徽理工大学能源 与安全学院 ， 安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要 ； 巷道围岩控制是深部 资源开采中的关键问题 ， 而要攻克深井软 岩巷道支护的难关， 就 必须首先研究底鼓的机理及其防治措施。 巷道底臌有挤压、 压曲、 膨胀和剪胀等形式， 压 曲底臌 是最常见的一种形式。根据巷道围岩本构 关系， 建立 了压曲底臌力学模型及分析计算简图， 根 据弹性力学薄板理论， 导出了压曲临界载荷计算式。研 究表明，临界载荷与厚跨比关系密切 。 这 对 于控制 底板层状 岩体压 曲型底臌 有 一定的 参考作 用 。分 析 了防治压 曲底 鼓的 有 关研 究成 果 ， 最后介 绍了2个防治巷道底鼓的实例。 关键词 深部开采； 巷道底臌； 压曲； 力学原理； 控制方法 ‘ 中囝分类号 TD 3 2 7 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 0 9 8 2 0 0 8 0 1 0 0 2 0 0 5 M e c h a n i s m o f Ro a d wa y Fl o o r He a v e b y Be n d i n g u n d e r Pr e s s ur e a n d I t s Co nt r ol GAO M i n g- z h on g 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 Sci e n c e a n d Te c h n o l o g y ，Hu a i na n An hu i 2 3 2 0 0 1， Ch i n a Ab s t r a c t De f o r ma t i o n c o n t r o l o f s u r r o u n d i n g r o c k s o f r o a d wa y s i s o n e o f t h e k e y p r o b l e ms i n d e e p mi n i n g ．I n o r d e r t o s o l v e t h e d i f f i c u l t p r o b l e m o f r o a d wa y s u p p o r t i n s o f t r o c k s ，me c h a n i s m o f r o a d wa y fl o o r h e a v e a n d i t s c o n t r o l mu s t b e s t u d i e d a t f i r s t ．Th e r e a r e r o a d wa y fl o o r h e a v e t y p e s s u c h a s e x t r u s i o n，b e n d i n g u a d e r p r e s s u r e ，e x p a n s i o n a n d s h e a r i n g d i l a t i o n ，a mo n g t h e m b e n d i n g u n d e r p r e s s u r e i s t h e mo s t c o mmo n t y p e ．Ac c o r d i n g t o c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s o f s u r r o u n d i n g r o c k s o f r o a d wa y，me c h a n i c a l mo d e l a n d a n a l y s i s d i a g r a m o f f l o o r h e a v e b y e x t r u s i o n wa s e s t a b l i s h e d ．On t h e b a s i s o f p l a t e t h e o r y o f e l a s t i c me c h a n i c s ，c r i t i c a l l o a d c a l c u l a t i o n f o r mu l a o f b e n d i n g u n d e r p r e s s u r e wa s d e r i v e d ．Re s e a r c h s h o ws t h a t t h e c r i t i c a l l o a d i s c l o s e l y r e l e v a n t t o t h e r a t e o f t h i c k n e s s a n d s p a n，wh i c h h a s c e r t a i n r e f e r e n c e i n c o n t r o l o f h e a v e b y b e n d i n g u n d e r p r e s s u r e o f r o a d wa y f l o o r i n l a y e r e d r o c k s t r a t a ．Ac h i e v e me n t s o f r e s e a r c h e s i n p r e v e n t i o n o f f l o o r h e v e b y b e n d i n g u n d e r p r e s s u r e we r e a n a l y z e d a n d 2 e x a mp l e s 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 we r e p r e s e n t e d ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g r o a d wa y f l o o r h e a v e l b e n d i n g u n d e r p r e s s u r e me c h a n i c a l p r i n c i p l e s ；c o n t r o l me t h o d s 目前 ， 我国东部矿井开采深度 以每年 1 0 - - - 2 5 m 的 速度发展 ， 可 以预计在未来 2 O 年内我国很多煤 矿将进入到1 ～1 ． 5 k m 的深度 。 而深井开采中软岩 及动压巷道底鼓是较为常见的现象。 通常当巷道底 鼓量小于 2 0 0 mm 时， 对井下运输和通风的影响不 大 ， 不需要采取专门的防治措施 。 现场调查表明， 在 底板不支护的深部开采 中， 巷道 围岩变形量大 一 般在 5 0 0 mm 以上， 有些巷道的位移高达 3 O 0 0 mm 以上 ， 如淮南、 铁法小康等矿区， 金川镍铂矿区 ， 巷 道顶底板移近量的 2 ／ 3 - - - 3 ／ 4是底鼓引起的 。造成 收稿日期l 2 0 0 7 --0 1 一o 8 ． 基金项目t 安徽省自 然科学基金资助项目 O 7 O 4 1 4 1 6 9 ， 安徽省教育厅自然科学基金资助项目 K J 2 0 0 7 A 1 1 6 Z C 作者简介 高明中 1 9 5 7 一 ． 男 。 安徽淮南人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事矿山压力和岩体移动方面的研究． 2 0 维普资讯 第 1 期 高明中 巷道压曲性底臌的机理与控制 的巷道维修量占维修总量的5 O 。 底鼓导致巷道断 面缩小 ， 阻碍运输和人员行走， 妨碍通风， 甚至造成 整个巷道报废， 严重影响矿山的生产和安全 ， 成为 制约煤矿发展的主要问题之一。国内、 外的研究表 明， 巷道围岩控制是深部煤炭开采 中的关键问题 ， 而要攻克深井软岩巷道支护的难关 ， 就必须首先研 究底鼓的机理及其防治措施。 根据现场观测、 物理模拟和数值模拟的研究结 果[ s - 8 ] ， 深井软岩巷道底鼓的机理可 归结为 4种基 本类型 挤压流动性底鼓、 挠曲褶皱性底鼓 、 剪切错 动性底鼓 、 遇水膨胀性底鼓 。弓 I 起巷道底鼓的因素 很多 ， 其 中， 影响最大 的有底板岩层性质 、 围岩 应 力、 水理作用和支护强度等 。底臌的原因在于失稳 的底板岩层向巷道 内压曲、 偏应力作用下的扩容 、 岩石 自身的遇水膨胀等 。 层状岩石底板在应变能释 放过程中， 在水平应力作用下浅部岩层发生离层或 弯曲变形 I 在二次水平应力作用下发生压 曲破坏 。 底板岩层压曲引起的底臌量 占总底臌量的 6 O ％以 上。因而 ， 对层状岩体的压曲性底臌机理和控制进 行研究 ， 对于改善巷道支护效果 ， 提高矿井安全生 产的可靠性， 具有重要意义。 1 弹性薄板力学分析 底板岩层在水平应力作用下发生压 曲破坏时 ， 应力小于其强度 ， 岩层仍处于弹性状态 ， 但将沿着 原生裂隙的方向发生断裂。借此 ， 可以把底板岩层 看成是多层合矩形板 见图1 。 在水平应力作用下 ， 底板岩层的节理面闭合 ， 连续传递压应力 ， 故可将 底板岩层视为连续的。当底板岩层厚度小于0 ． 4 m 时， 岩层一般不具有稳定性 。而我国煤矿巷道跨度 多为 3 ～6 m， 这样 ， 层厚与跨度之 比小于 1 1 5 。因此 可将底板岩层视为薄板。 图1 底板岩层赋存情况 考虑最不利条件， 首层底板的四边 已经断裂 ， 故 将板看成为 四边简支的薄板。设板厚为 s - ， s z ⋯ 板沿着巷道横断面方 向的折 断长度为 口 ，受 力为 ；板沿 着巷道 轴 向折断 长度 为 b ，受力为 ， 为侧压系数。因此将巷道底板简化为四周简支的 弹性薄板 见图2 。 毛 f l L 1 J L 1 J L 1 J u j L 1 J L u 工 习 习 三I 三 三 j 习 图 2 底板岩层力学模型 设 s 一 层板 中面内力为丁 ， ， T ， 由图2可知 T 一 c o s口， T 一 O ， Ty一 一 1 根据弹性力学中的薄板理论 ， s 。 层板压曲方程为 w T 器 2 丁 器 丁 雾 式中 D为板的抗弯刚度 ； s 为岩层的分层厚度 ， 且 D Es 。 1 2 1一 ／ z 。 。 将式 1 代入式 2 得 硼一 ⋯ 罄 雾 3 取薄板的挠度表达式为双重的纳维三角级数 硼一∑∑A s i n 型 s in 村 _ 0 -昌 0 一 。 ， ， l 、 ， l 为正整数 4 将 式 4 代 入式 3 中得 in 警s in D 芋 参 。 一 村 _ O - O 一 。 ‘‘ L， c⋯ 若 ] 0 5 底板岩层的破坏是在一定 的载荷作用下发生 的 ， 此时载荷为临界载荷 ， 即底板岩层在此载荷作 用下 ， 即将发生压曲， 进而产生底臌 。从而由式 5 解得临界载荷 。 一 掣 三 ． ㈣ ‘ ， ， l 。 C O S口 ， l 。 。 ，， 2 1 维普资讯 安徽理工大学学报 自然科学版 第 2 8卷 在式 6 中，因所求的是板中临界载荷， 故只需 取纳维三角级数的第一项， 即 一， z 一1 ， 若再令式 6 中 巷道底板的 长宽比足 詈， 将式 5 代入得 一 1 2 a c o s 7 I ’ 一 。 1 一 。 口 。 由式 7 可知 ， 底板岩层被压曲的临界载荷与 底板岩层的弹性模量 E、 分层厚度 s 、 泊松 比 、 长宽 比足 、 倾角 口 、 侧压系数 有关。 由式 7 可计算出在临界载荷作用下的s 岩层 的临界应力为 F n E s t 1 k z 。 。 一 l 一 1 2 a 。 1一 。 c o s口 。 兀 E 1十 足 。 。 。 一 l 一 1 2 a 。 1一 。 c o s口 。 一 0 8 当 s 层二次水平应力满足式 8 时 ， 底板就产 生压曲， 如二次水平应力进一步增大 ， 达到底板岩 层的屈服极限时， 底板将被折断。s 层发生压曲破 坏后与s 。 层分离， s 。 层成为表面层受力状态与s 层 相似 ， 主要受水平应力作用， 如满足压曲破坏条件 将发生压曲破坏 ， s 。 层又成为表面层。 如此循环 ， 直 到某一岩层不满足压曲破坏条件为止。一般地 ， 在 s 层被破坏后 ， s 。 的边界条件与 s 层相似 ， 但是 由 于巷道底角处两帮岩层的夹持作用 ， 减小 ； 此外 ， 当s 岩层破断以后， 在巷道两帮的挤压作用下， 使 得 s 。 岩层的折断长度 a减小， 所 以巷道的长宽 比足 减小。这棒 ， 从而使底板发生断裂所需的临界载荷 增大 ， 水平应力也增大 ， 那 么， ” 等岩层也 一 样 ， 即随着底板岩层深度的增加， 岩层发生折断越 来越困难 ， 发生底臌的可能性越小。 也就是说 ， 随着 深度的增加 ， 岩层折断越 困难 ， 这与底臌的实测是 一 致的。 2 压曲临界应力与底板岩层厚跨 比 当巷道底臌 段长度 与巷道跨度 相 比足 够大 6 一。 o ， 足 一0 时， 则为平面压曲状态； 并令 一詈为 底板岩层的厚跨 比， 则式 8 可以改写为 F x Ei 。 一百 _ 图3 厚跨 比与 临界应力 的关 系 图 3 中曲线1的E大于曲线2的E。 底板岩层 越坚硬 E越大 ， 越大， 越难以发生底臌； 无论 E 如何 ， 随i 增大 ， 增大 。 i 对 的影响十分明显 。 换 句话说， 巷道埋深， 跨度越大 ， 底板岩层分层厚度、 岩层强度越小 ， 越容易发生压曲破坏。 当临界应力超过岩石单轴抗压强度时 ， 底板岩 层将发生剪胀破坏 。因此厚跨比与临界应力 或强 度 实际关系曲线为a b c 或a d e 见图3 。 和 段 应力值等于岩层单轴抗压强度 。以a b c曲线为例， n 6 段表示的是压曲底臌 ， 段表示的是剪胀底臌。 此外， 式 9 中 与C O S口 成反变关系。所 以当 岩层倾角 口 增大时 ， C O S口 减小 ， 而 则增大。故倾 斜岩层相对于水平岩层来说 ， 发生压曲底臌时的临 界应力较大 。 图 3的分析与现场实际观测 的底臌现象是 一 致的， 说明上述底板压曲临界应力公式符合实际情 况 。 总之， 层状底板的变形破坏是一个复杂的问题 ， 除了上述厚跨 比的影响以外 ， 还受岩层的赋存状 态、 围岩应力情况、 岩层性质、 巷道开挖的形状等诸 多因素的影响。 维护层状底板的稳定要结合具体的 情况 ， 综合考虑各个因素的影响。 对式 9 分析可得出控制巷道压曲性底臌的途 径为 1 改变围岩力学特性 ， 提高 围岩强度及弹性 模量 E， 减小泊松系数 ； 2 加强顶板和两 帮支护， 缩小围岩塑性 区， 减少断裂宽度 a ， 增大厚跨比i ； 3 采用锚杆或注浆支护， 加大底板岩层厚度 S ， 提高厚跨比i ； 4 开卸压槽， 减少断裂宽度 a ， 增大厚跨 比i 。 9 3 控制压曲性底臌的方法 压曲临界应力 与巷道底板岩层厚跨 比i 的 关系如图 3 所示。 2 2 控制巷道底鼓的方法 ， 总体上可概括为加固和 卸压两大类 。加固方法中包括带底拱的U 型钢可 缩性支架、 混凝土碹和弧板等全断面支护法以及底 维普资讯 第 1 期 高 明中 巷道压 曲性底臌的机理与控制 板锚杆、 底板注浆和锚注结合等。基本原理是相对 增大底板岩层厚度 以及改变围岩的力学性质。 卸压 方法有巷道周边卸压法 ， 如帮底开卸压槽和底板深 部松动爆破等 ， 前苏联在这面研究较多 ， 但研究发 现 ， 用巷道周边卸压来防治底鼓的现场效果并不理 想 ， 且实施 困难 ； 另一类卸压法为降低整个巷道 围 岩应力 ， 如利用煤层开采引起 围岩应力重新分布的 规律 ， 或者在巷道和硐室顶部开槽卸压 ， 从而减少 受采动的影响 使巷道位于卸压区内。 实践证明， 该 类卸压法是行之有效的， 但工程量较大。下面重点 介绍加固法的运用 。 3 ． 1 全封闭U型钢可缩性支架 淮北芦岭煤矿的 8煤回采巷道， 围岩极为松散 破碎 ， 巷道底鼓速率长期高达8 ～1 2 mm／ d 。 底板为 软弱破碎岩体 ， 主要是岩层产生挤压流动， 用打底 板锚杆的方法来控制底鼓效果不理想。 底锚杆可锚 性极差 ， 虽然可降低掘巷初期的底鼓速率， 但不能 有效防治底鼓 。 后来改进设计 ， 采用4项措施[ 9 ] 见 表 1 ①因地制宜选择合理的架型 沿底掘进的巷 道采用方环形支架 ， 预采顶分层放顶煤沿底掘进的 巷道采用圆形支架、 沿顶掘进的巷道 中使用马蹄异 形支架 ； ②采用大压茬、 多卡缆 ， 提高单个棚子 的工 作阻力； ③使用多路固定拉杆提高型棚整体稳定 性 ， 使封闭式支架和底梁均成为整体结构； ④架后 铺网， 防止漏顶造成局部集中载荷。 表 1 各不同支护方式的围岩移近情况 由表 1 可以看出 从变形速度上看， 巷道属于典 型的持续流变极难维护类型。但封闭式支架的高刚 度和高工作阻力特征， 可以有效地控制围岩流变速 度； 从移近量上看 ， 封闭式形支架对围岩的控制效果 明显优于半圆拱支架 ， 尤其对底鼓的控制明显。 研究表明 无论采用何种全封闭可缩性金属支 架 ， 均不能改变围岩性质。 通过观测 ， 围岩变形量与 观测时间均近似呈对数函数关系。 同一巷道采用不 同架型 ， 尽管变形规律均服从某一规律， 但在控制 巷道变形速度和最终移近量上有较大的区别。 3 ． 2 “ 三锚” 支护控制底臌 底板岩性直接决定着底板锚杆控制底鼓的成 败 。当底板为中硬层状岩层时 ， 在平行于层理方向 的压应力作用下产生挠 曲褶皱 。 这时通过打底板锚 杆防治底鼓效果 良好。 但松软底板鼓起的深度一般 为巷宽的 0 ． 7 5倍 ， 因此 ， 短锚杆难 以阻止底鼓 。而 实际工程 中， 宽度为5 m 的巷道 ， 必须采用 4 m左右 的锚杆 ， 由于施工工艺复杂 ， 较难实现 ， 需寻求新的 支护方式。 新集刘庄煤矿第一水平井底车场垂深 7 9 0 m， 井底车场以泥岩和砂质泥岩为主 ， 占地层总厚 的 9 0 以上， 普 式硬度系数 厂2 ～6 ， 其 中泥岩类岩 石层理发育， 强度较低， 风化速度快 ， 遇水易泥化而 且 自稳性差， 自稳的时间短 ， 总体看来 ， 岩体稳定性 差 ， 节理化明显 。车场巷道 ， 底臌变形为主 ， 顶和帮 变形相对较小。显现 出深井软岩巷道的特征 ， 即首 先在无支护 的底板形成较大范 围的破碎 区和塑性 区， 然后开始底臌 ， 岩层移动带动两帮变形和顶板 下沉 。在支护设计中， 确定采用 以“ 三锚” 技术为核 心 内容的分步 针对围岩变形的阶段性 、 动态 针 对围岩非线性力学响应 加固围岩的技术路线 。主 要技术措施有[ 1 ①设计 和研制 了小直径光爆药 管结构 ， 保证 了周边眼径 向空气间隙不耦合装药 ， 使周边眼的眼痕率取得7 0 以上的光爆效果。 掏糟 眼孔 内分层装药、 分段起爆 的“ 孔内分段爆破漏斗 掏糟方式 ” 设计 合理 ， 可 有效确 保炮 眼利用率 在 9 0 以上 ； ②有效地运用了及时喷锚、 补强锚索、 适 时滞后注浆等分步加固技术； ③锚杆支护为基础 以 锚为主、 以喷为辅 ； ④锚索支护为辅助 关键部位二 次补强 ； ⑤锚注支护为关键 全断面锚注 I ⑥底臌 明显地段， 在底板预定深度进行松动爆破 ， 再向底板 钻眼注浆， 在巷道底板岩层深处形成卸压区， 浅部形 成强度较大的碎石反拱 ， 与浇灌混凝土反拱相 比， 其 承载能力更高而成本明显降低。 现场观测表明 在深 井软岩巷道中维持着不同量值的持续流变 ， “ 三锚” 2 3 维普资讯 安徽理工大学学报 自然科学版 第 2 8卷 支护有效地控制了围岩变形速率和变形量， 将锚喷、 锚索、 锚注有机地结合起来并与围岩进行有效耦合， 可以弥补各 自的不足具有广泛的实用性。 4 主要结论 1 从对不同厚跨 比层状底板岩层变形破坏 力学分析来看 底板岩层的厚跨 比是影响压曲性底 臌的关键因素； 底板岩层的变形性质和底板岩层的 倾角是影响压曲性底臌的重要因素； 底板岩层的强 度性质是影响底板破坏形式的决定性因素。 2 层状底板在水平应力作用下 ， 当厚跨 比小 于临界厚跨比时为压曲破坏 ； 大于临界厚跨比时为 剪胀破坏。 3 临界应力与厚跨 比关系密切 ， 而这又取决 于底板层理和节理分布以及巷道跨度。因此， 底板 岩体结构和工程尺寸是其稳定状态的决定性 因素 之一。 4 根据 临界应力公式可定性解释控制底臌 措施的机理为改变力学性质和厚跨 比作用 底板岩 性决定着控 制底鼓措施的成败 。底板锚杆和 “ 三 锚” 支护 ， 对于中硬层状岩层的压 曲性底臌控制较 为有效 ； 而松散破碎底板采用全封闭式支架 ， 是一 理想选择 。 参考文献 ． [ 1 ] 姜耀东， 赵毅鑫， 刘文岗， 等． 深部开采中巷道底鼓问 2 4 题的研究[ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 4 ， 2 3 1 4 2 39 6 2 40 1． [ 2 3 李树清， 冯涛， 王从陆， 等．葛泉矿软岩大巷底鼓机理 及控制研究[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 4 8 1 45 0 1 45 5． [ 3 ] 王卫军。 冯涛， 侯朝炯． 回采巷道底臌过程研究[ J ] ． 湘 潭矿业学院学报， 2 0 0 2 ， 1 7 2 4 - 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