高水平應力對復合頂板巷道穩(wěn)定性影響的分析＊

張在金,王 林,王衛(wèi)軍

(1.湖南第一工業(yè)設計研究院, 湖南長沙 410011;2.湖南科技大學能源與安全工程學院,湖南湘潭市 411201)

高水平應力對復合頂板巷道穩(wěn)定性影響的分析＊

張在金1,王 林2,王衛(wèi)軍2

(1.湖南第一工業(yè)設計研究院, 湖南長沙 410011;2.湖南科技大學能源與安全工程學院,湖南湘潭市 411201)

水平應力是影響巷道圍巖穩(wěn)定的重要因素,采用縱橫彎曲理論及其數值模擬的方法分析研究水平應力對復合頂板離層、煤層巷道圍巖的位移及其應力分布狀態(tài)的影響。研究結果表明:水平應力可使頂板的巖層的彎曲變形量增加,且水平應力越大,巖層的彎曲變形量越大,巷道頂底板的變形破壞程度大于巷幫的變形破壞程度。

復合頂板;彎曲變形;離層;巷道穩(wěn)定性;水平應力

據統(tǒng)計,在所有的煤礦事故中,頂板事故占總數的 50%以上,而復合頂板是煤巷頂板的主要結構類型之一,國內的許多學者對不同水平應力作用下復合頂板的彎曲變形及其離層的特性進行分析[1～5],其成果表明,高水平應力對復合頂板巷道圍巖具有巨大的破壞作用。本文采用縱橫彎曲理論[6]分析高水平應力對復合頂板彎曲變形及離層的影響。

1 離層機理

復合頂板離層是指因直接頂各分層巖層的抗彎強度不同及不同巖層層間的粘聚力很小,在上覆巖層垂直應力、水平應力及礦山支承壓力的共同作用下,巖層分離而產生離層現象。簡單的說就是指當直接頂在外力作用下發(fā)生彎曲變形時,由于各巖層的最大撓度不同,導致巖層的整體變形量不協(xié)調而產生離層。

巖層產生離層的原因主要包括 2個方面[7]:巖層受拉產生離層、撓度不同產生離層。巖層受拉產生離層則根據巖石破壞的主要分為張拉和剪切破壞,因此可以將頂板離層可歸納為其中一種,是指頂板產生彎曲變形,致使巖層的橫截面下部產生拉應力,當拉應力大于巖石的抗拉強度時,巖層破壞導致離層。撓度不同產生離層即巖層在彎曲變形時產生的變形不均勻所致或撓度 (彎曲變形量)不一致,其產生離層的規(guī)律為,從巷道表面巖層逐步向頂板深部巖層擴展。

根據文獻[8]可知,當存在不同的水平應力時,頂板的破壞范圍和程度會明顯不同,若水平應力很大時,頂板的撓度會增加,導致頂板巖層的彎曲變形量增加,可使層間的離層程度增大。

2 復合頂板受力變形分析

由于復合頂板的離層破壞首先從頂板下面的巖層開始,然后逐步向上擴展,頂板發(fā)生離層后,下層巖層在垂直方向僅受自重應力的作用。假設巷道走向無限長,下層巖層是連續(xù)均勻介質,根據平面理論,將該巖層簡化成簡支梁,其力學模型見圖1。

圖1 巖層簡支梁模型

在圖1中任取一截面 x,對其左端利用縱橫彎曲理論進行分析。得其撓曲軸的微分方程為:

將式 (1)與式 (2)聯(lián)立得:

式 (3)中,Pω1/EI表示的是軸向應力對彎曲變形的影響,若 p取絕對值,由于梁的彎曲變形向下,所以ω1為負值,則對 Pω1/EI分析可知:軸向應力事實上是增大了彎矩的數值,并且彎矩的數值隨軸向應力的增加而增大;由于 Di=EI,則可知隨厚度的減小,彎矩的數值急劇增加,且隨彈性模量的減小,彎矩的數值逐漸增大。

設 P/EI=k2,則式 (3)的通解為:

根據梁兩端的邊界條件可知,梁的兩端彎曲變形量為 0,當 x=0時 ,ω1=0,即:

當 x=l時 ,ω1=0,即 :

經整理得:

當 x=l/2時,式 (5)中的撓曲度取得最大值,其值為:

通過分析ω1可知,梁的撓曲度 (彎曲程度)與分布在梁的自重應力 q、水平方向上的軸向應力 P、梁的懸露長度 l、梁截面的極慣性矩 I、梁的彈性模量 E等因素密切相關。在其他條件相同的情況下,巖層的密度越大,則該巖層的彎曲變形越大,導致與上覆巖層的離層程度亦越大。

3 數值模擬分析

利用 FLAC3D建立數值模型,采用摩爾庫倫準則進行運算,模型的四周和下端固定,上端為自由面,施加的垂直應力為 10 MPa,巷道的尺寸為 3×2.8 m,研究側壓系數 k為 1,1.2,1.5,2,2.5時,水平應力對巷道穩(wěn)定性的影響。

不同水平應力的塑性區(qū)分布如圖2所示,隨側壓系數的增加,巷道圍巖的塑性區(qū)范圍顯著增大,巷道變形量急劇增加,復合頂板的彎曲變形程度增大,復合頂板與上覆堅硬頂板間的離層程度增加。

圖2 不同側壓系數的塑性區(qū)分布示意

側壓系數不同時,巷道表面位移曲線如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知,隨側壓系數的增加,底鼓量、頂板下沉量、兩幫鼓起量均增大,頂板的下沉量明顯大于底鼓量,當側壓系數超過 2時,巷幫表面的位移量增加速率急劇增大。當側壓系數達到 2.5時,巷道斷面縮小到僅為掘進時斷面的 1/3。

圖3 頂、底板的位移

圖4 巷幫位移

通過對圖2、圖3、圖4進行分析,巷道開挖后,巷道圍巖的穩(wěn)定性受到破壞,表現為隨水平應力的增大,圍巖破壞的范圍增大,塑性區(qū)的范圍增加,由于塑性區(qū)巖體的承載能力很低,支承壓力的峰值向巷道深部轉移,致使頂板的懸露范圍增加。由前面的理論分析可知,由于受水平應力 P和頂板的懸露長度 l增加的影響,巷道復合頂板的下沉量顯著增大。因巷道兩幫圍巖塑性破壞,抵抗變形的能力降低,導致兩幫的鼓起量隨水平應力的增加而明顯增大。在水平應力增加的過程中,由于巷道底板受到兩幫的約束影響,底板的鼓起量亦增加但增長速度小于頂板的下沉量的增加速度。

4 結 論

(1)運用縱橫彎曲理論分析巷道頂板巖層產生彎曲變形的原因,分析復合頂板巖層間產生離層的條件,并強調了高水平應力可使巷道頂板的下沉量顯著增大。

(2)水平應力越大,巷道圍巖的塑性區(qū)范圍越大,導致巷道淺部圍巖的承載能力降低,使頂板的懸露范圍增加,引起巷道表面的位移量增大,并且當側壓系數很大 (K>2)時,巷道掘進后斷面面積會大幅度的縮小甚至閉合,因此布置巷道時應使巷道的走向與最大水平應力的方向平行。

[1] 陸庭侃,劉玉洲,等.水平應力作用下采區(qū)巷道頂板離層特征[J].隧道建設,2007,8:41-47.

[2] 勾攀峰,韋四江,等.不同水平應力對巷道穩(wěn)定性的模擬研究[J].采礦與安全工程學報,2010,27(2):143-148.

[3] 安智海,武龍飛.巷道頂板離層方式及主要影響因素[J].煤炭科技,2008,(1):16-18.

[4] 孫玉福.水平應力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響[J].煤炭學報,2010,35(6):891-895.

[5] 楊建輝,楊萬斌,等.煤巷層狀頂板壓曲破壞現象分析[J].煤炭學報,2001,26(3):240-244.

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[8] 黃 達,康天合,等.水平應力對巷道軟弱互層頂板巖體破壞的數值模擬研究[J].太原理工學報,2004,35(3):299-303.

[9] 王衛(wèi)軍,侯朝烔,馮 濤.動壓巷道底鼓 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2002:63-65.

國家自然科學基金資助(51074071).

2011-05-03)

張在金 (1984-),男,貴州金沙人,助理工程師,主要從事煤礦設計的研究,Email:zhangzaijin110@yahoo.cn。