大斷面回采巷道層狀底板底臌機(jī)理及其防治對(duì)策

劉 成,宋選民,劉 葉,張曉亮,羅 威

(1.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所,山西太原 030024;2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300072)

大斷面回采巷道層狀底板底臌機(jī)理及其防治對(duì)策

劉 成1,宋選民1,劉 葉2,張曉亮1,羅 威1

(1.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所,山西太原 030024;2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300072)

為研究大斷面回采巷道底臌機(jī)理并尋求控制底臌的有效對(duì)策,通過(guò)對(duì)大斷面回采巷道層狀底板底臌機(jī)理進(jìn)行理論推導(dǎo),提出該類(lèi)底板底臌的預(yù)測(cè)方法。結(jié)果表明:隨著回采巷道底板斷面的增大,巖梁的臨界應(yīng)力逐漸減小,更易失穩(wěn)破壞;在水平力的作用下,幾乎所有大斷面回采巷道均受到底臌的威脅;隨著巷道寬度的增加,底臌量大致呈線性增加。同時(shí)對(duì)巷道一般支護(hù)、加固巷道幫角和頂板及在加固巷道幫角和頂板的基礎(chǔ)上安裝底板錨桿的3種支護(hù)方案分別進(jìn)行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)加固巷道幫角和頂板的同時(shí)安裝底板錨桿可更好的防治底臌。

大斷面;回采巷道;層狀底板;底臌

由于掘進(jìn)或回采影響引起巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和性質(zhì)發(fā)生變化,使得頂?shù)装搴蛢蓭蛶r體發(fā)生變形并向巷道內(nèi)移動(dòng),底板巖體向巷道內(nèi)移動(dòng)稱為底臌[1]。底臌是煤礦巷道中經(jīng)常發(fā)生的礦壓現(xiàn)象,采動(dòng)影響使得回采巷道底臌更加嚴(yán)重,極大地影響和威脅礦井的安全生產(chǎn)。1998年以前,回采巷道斷面較小,大多斷面面積小于18 m2[2]。近年來(lái)由于煤礦所使用的掘進(jìn)、回采、運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備的功率高、體積大,同時(shí)也為了滿足通風(fēng)、運(yùn)輸和巷道圍巖變形預(yù)留量,以及大型設(shè)備的安裝和安全生產(chǎn)需要,回采巷道的斷面普遍較大[3]。如寺河礦首采工作面回采巷道斷面已達(dá)到19.3 m2。以往的研究大多是針對(duì)小斷面的回采巷道,而對(duì)大斷面回采巷道的底臌做專(zhuān)門(mén)的研究不多,本文通過(guò)對(duì)大斷面回采巷道機(jī)理和防治對(duì)策的研究,得到一些結(jié)論,供現(xiàn)場(chǎng)底臌控制實(shí)踐參考。

1 回采巷道底臌的機(jī)理

回采巷道從開(kāi)始掘進(jìn)到最終報(bào)廢所產(chǎn)生的底臌主要包括幾個(gè)來(lái)源:首先是巷道掘進(jìn)使得底板卸壓后產(chǎn)生的彈塑性變形;其次是巷道底板受到水平應(yīng)力的擠壓產(chǎn)生的彎曲變形,以及底板巖層的擴(kuò)容和流變導(dǎo)致的底臌變形;另外底板中含有遇水膨脹的黏土類(lèi)礦物時(shí),也會(huì)發(fā)生底臌,防治這類(lèi)底臌需要做好底板和水的隔絕工作。根據(jù)文獻(xiàn)[4],以上幾個(gè)來(lái)源對(duì)底臌影響最大的是彎曲變形,占底臌總量的67.2%,因此大斷面回采巷道底臌的研究主要針對(duì)其彎曲變形。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),回采巷道的底臌現(xiàn)象大多發(fā)生在回采過(guò)程中,主要是在采煤工作面超前支承壓力的影響下誘發(fā)了底板巖層的一系列運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致底板向巷道內(nèi)運(yùn)動(dòng),最終形成底臌。在支承壓力作用下,巷道將出現(xiàn)整體下沉。支承壓力首先作用于頂板并使其下沉,下沉的頂板將支承壓力傳遞給兩幫,兩幫巖層將被壓縮和下沉,如為軟弱底板,兩幫甚至可以嵌入底板巖層,隨著兩幫煤巖體向巷道內(nèi)移動(dòng),將會(huì)對(duì)底板形成二次水平應(yīng)力。因底板多為層狀巖層,受到超前支承壓力影響時(shí),巷道底板兩側(cè)將受到較大的剪應(yīng)力,使得底板一定深度的巖層出現(xiàn)拉應(yīng)變區(qū)和壓應(yīng)變區(qū),巖石的抗拉強(qiáng)度比較低,在拉應(yīng)變的作用下底板將出現(xiàn)離層[5],已離層的單一底板巖層彈性模量和抗彎剛度較完整的底板大大降低,底板將在兩幫形成的二次水平應(yīng)力的作用下失穩(wěn)并產(chǎn)生底臌。

2 回采巷道斷面大小對(duì)底臌的影響

2.1 底板的臨界應(yīng)力

大斷面回采巷道寬度通常較大,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)可知伴隨著寬度的增加更易發(fā)生底臌。

煤礦巷道的底板多為層狀巖層,巷道的底臌量大部分來(lái)自這些層狀巖層的彎曲。美國(guó)人K.Haramy認(rèn)為在分析底板巖層穩(wěn)定的時(shí)候,可將底板巖層看做是兩端固定的巖梁分析[6]。因回采巷道的底角多為直角,故巷道底角處將產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,第1層巖層底角將在集中應(yīng)力的作用下發(fā)生屈服。在超前采動(dòng)支承壓力作用下,回采巷道底板將會(huì)離層。這些因素會(huì)使得底板巖梁的兩端由固定支座變?yōu)殂q支座,巖梁變?yōu)楹?jiǎn)支梁,模型如圖1所示。假設(shè)巷道寬度為l,m;ω為任意截面x處的撓度,m;P為水平力,N;F為豎直方向的支座反力,N;q為巖層重力形成的均布線荷載,N/m。

底板巖梁在任意界面x處的彎矩為

底板的撓度微分方程為

式中,EI為巖梁的抗彎剛度。

其通解為

式中,C1,C2為待定常數(shù)。

根據(jù)邊界條件:ωx=0=0和=0,可以得到

又ωx=l=0,將x=l,C1,C2代入式(4),可得

n可以取0,1,2,3,……中任意一個(gè)數(shù)值,但是在這些壓力中,只有使巖梁在極小的彎曲時(shí)不失穩(wěn)的最小壓力才是需要的臨界力。顯然n=0時(shí)無(wú)意義,故取n=1,即得

當(dāng)巖梁受臨界力而不能保持穩(wěn)定的平衡時(shí),其橫截面的面積為A,則橫截面上的臨界應(yīng)力為

假設(shè)某巷道的底板第1層巖體為軟弱的泥巖,層厚度為0.5 m、寬度為1 m的巖梁,該巖層的抗彎剛度為15×106N·m2。隨著巷道寬度的增加,底板失穩(wěn)的臨界應(yīng)力如圖2所示。

圖2 巷道寬度與臨界應(yīng)力關(guān)系Fig.2 Relationship between roadway’swidth and the critical stress

由圖2可知,巷道寬度對(duì)底板的臨界荷載有重要的影響,當(dāng)巷道寬度由3 m變成6 m時(shí)底板的臨界荷載大約減少75%。臨界荷載的減少,巷道底板將更容易發(fā)生底臌,因此巷道底板的臨界應(yīng)力對(duì)底臌的機(jī)理和治理都有重要的作用。

2.2 底板的水平應(yīng)力

根據(jù)回采巷道的護(hù)巷方式可將回采巷道分為實(shí)體煤護(hù)巷、煤柱護(hù)巷和無(wú)煤柱護(hù)巷。在為實(shí)體煤護(hù)巷時(shí),回采巷道底板在掘進(jìn)和回采期間的應(yīng)力分布都是對(duì)稱的,其力學(xué)模型如圖3所示。其中圖3(a)表示巷道掘進(jìn)期間的受力情況,圖3(b)表示回采期間巷道底板的應(yīng)力分布,為了方便進(jìn)行計(jì)算,對(duì)回采期間的應(yīng)力分布進(jìn)行了簡(jiǎn)化,如圖3(c)所示。其中P1為巷旁支承壓力峰值,P1=k1γH,P2為工作面超前支承壓力,P2=k2γH,k1為巷旁支承壓力峰值集中系數(shù),k2為超前支承壓力集中系數(shù),H為采深,γ為巖體容重。

為求得M(x,y)的水平應(yīng)力σx,可以把力分為x1,x2段,如圖3(c)所示,這兩段應(yīng)力對(duì)M點(diǎn)水平應(yīng)力[7]的代數(shù)和即為M點(diǎn)的水平應(yīng)力σx。x1,x2段線性分布力對(duì)M點(diǎn)的水平應(yīng)力分別為σx1和σx2。

圖3 實(shí)體煤巷底板受力模型Fig.3 Entities roadway’s floor forcemodel diagram

當(dāng)x=0時(shí),即在底板巖梁的端頭處時(shí)的水平應(yīng)力為σ′x,即

端頭處的水平應(yīng)力直接影響著已離層底板巖梁是否會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞,如果σ′x≥σcr,則底板將發(fā)生失穩(wěn)。如后節(jié)所述例子,假設(shè)巷道為實(shí)體煤護(hù)巷,x1= x2=8 l,k2=3,γ=25 kN/m3,欲求得不同跨度的巷道不失穩(wěn)的最大埋深H,如圖4所示。由圖可知,隨著回采巷道寬度的增加,不會(huì)導(dǎo)致底板失穩(wěn)的最大埋深急劇減小,從圖中可以看出當(dāng)巷道寬度為6 m時(shí),安全臨界埋深為182 m,幾乎所有的大斷面巷道都面臨著底板失穩(wěn)、壓曲破壞的威脅。

2.3 巷道的底臌量

回采巷道頂板將超前支承壓力傳遞給兩幫,兩幫煤體在支承壓力的作用下,應(yīng)力重新分布,靠近巷道邊沿的煤體進(jìn)入塑性狀態(tài),并且向煤體深部發(fā)展,直到煤體仍然處于彈性狀態(tài)的彈性區(qū)。整個(gè)塑性區(qū)內(nèi)的煤體處于應(yīng)力極限平衡狀態(tài),這個(gè)區(qū)域稱為極限平衡區(qū)[8]。極限平衡區(qū)的寬度x0,頂板的下沉量uy見(jiàn)式(13),(14)。

圖4 不同巷道寬度的安全臨界埋深Fig.4 Safety critical embedded depth of differentwidth

式中,M為巷道高度,m;A為側(cè)壓系數(shù);φ0為煤層內(nèi)摩擦角,(°);ε0為煤體殘余強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變;εc為煤體極限強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變;Px為支護(hù)阻力,Pa;k1為巷旁支承壓力峰值集中系數(shù)。

極限平衡區(qū)的煤體已處于塑性軟化狀態(tài),隨著頂板下沉兩幫煤體將會(huì)擠入巷道中。擠入巷道的面積S等于頂板下沉的面積。

兩幫巷道的移近量ux等于下沉的面積S除以變形后的巷道高度M′,其中M′=M(1-ε0)。

實(shí)體煤護(hù)巷時(shí),巷道兩側(cè)的力和位移大致對(duì)稱,底臌量u′z應(yīng)該以巷道中部最大,建立如圖5所示的底臌模型。

式中,h為底板巖梁高度,m。

圖5 底板巖層彎曲模型Fig.5 Floor strata bendingmodel

式(19)為巷道底臌量的計(jì)算公式,為更好地表現(xiàn)巷道寬度大小對(duì)巷道底臌量的影響,設(shè)某巷道埋深H為400 m,巷道寬度l和高度M的比例為1∶0.8,煤層的內(nèi)摩擦角φ0為25°,內(nèi)聚力C為0.3×106Pa,應(yīng)力集中系數(shù)k1為6,巷道上方巖層的容重γ為25 kN/m3,ε0為0.1,εc為0.001,巖層厚度h為1 m,頂板、兩幫支護(hù)阻力較小。得到不同寬度對(duì)應(yīng)的底臌量,如圖6所示。

圖6 巷道寬度與底臌量關(guān)系Fig.6 Relationship between roadway width and floor heave

從圖6可以看出隨著巷道寬度的增加,底臌量呈線性增加。經(jīng)過(guò)曲線擬合可得巷道寬度與底臌量的關(guān)系為

式(20)的相關(guān)系數(shù)為1。故巷道的寬度大小對(duì)巷道底板的穩(wěn)定性有嚴(yán)重影響。

3 大斷面回采巷道底臌治理對(duì)策

回采巷道底臌的治理方法主要有2種:一種是加固法,主要包括底板注漿、底板錨桿、封閉式支架、砼反拱等;另外一種是卸壓法,主要包括切縫、打孔、松動(dòng)爆破、卸壓硐室等[9-12]。這些方法對(duì)底臌都有一定的治理效果,支架、反拱等加固法主要是被動(dòng)的抑制底臌,并不能從根本上對(duì)其進(jìn)行防治;卸壓法是通過(guò)讓巖層出現(xiàn)不連續(xù)的空隙,從而將能引起巷道底臌的應(yīng)力傳遞到更深的巖層中,但當(dāng)空隙被填滿后,底臌將更加嚴(yán)重,而且像切縫和松動(dòng)爆破等方法還會(huì)導(dǎo)致兩幫的移近,減小了巷道的斷面,影響正常的安全生產(chǎn)。從以上分析可知,底板錨桿較其他方法施工簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì),更適合回采巷道底臌治理。

治理巷道底臌,不能只治理底板,而要從底臌的機(jī)理出發(fā)去治理。如前所述,大斷面回采巷道的底臌與圍巖有關(guān)系,矩形巷道的角部容易應(yīng)力集中,產(chǎn)生塑性現(xiàn)象,改變巖梁的支撐方式;大斷面回采巷道底板巖梁較長(zhǎng),臨界應(yīng)力小,在水平應(yīng)力的作用下極易發(fā)生失穩(wěn);而水平應(yīng)力是頂板下沉壓縮兩幫使其向巷道內(nèi)移動(dòng)而產(chǎn)生的二次水平應(yīng)力。因此,治理大斷面回采巷道底臌,必須把巷道當(dāng)作一個(gè)整體來(lái)討論。因此,可通過(guò)加固巷道的幫角和頂板來(lái)控制巷道底臌,侯朝炯、李學(xué)華、王衛(wèi)軍等做了大量工作,取得了豐碩的成果[1315]。

某采煤工作面運(yùn)輸巷在回采期間發(fā)生嚴(yán)重底臌,該巷道埋深250 m,巷道高度M=4.5 m,寬度l= 5.8m,超前支承壓力集中系數(shù)為k2=3,巖體容重γ= 25 kN/m3。巷道基本頂以粉砂巖和中砂巖為主,部分巖層為粗砂巖,較致密;直接頂為細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖,發(fā)育有小緩波狀層理;煤層為近水平;直接底為泥巖和粉砂巖;基本底以粉砂巖、細(xì)砂巖和泥巖為主,含有水平層理。由2.1和2.2節(jié)可知,該工作面運(yùn)輸巷底板巖梁將會(huì)失穩(wěn),底板受到底臌的威脅,根據(jù)2.3節(jié)的結(jié)論,當(dāng)巷道支護(hù)阻力很小時(shí),巷道底臌量約為1.1 m。為研究巷道底臌的有效支護(hù)手段,設(shè)計(jì)了如圖7所示的3種支護(hù)方案,方案2為在方案1的基礎(chǔ)上加固了頂板、底板和角部,方案3在方案2的基礎(chǔ)上對(duì)巷道底板施加了3根底錨桿。利用有限元軟件ANSYS建立平面應(yīng)變模型,對(duì)3種支護(hù)方案進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果顯示方案1底臌量為512 mm,方案2的底臌量為413 mm,方案3的底臌量為195 mm,其垂直方向的變形如圖8所示。方案1的底臌量小于1.1 m是因?yàn)橄锏肋M(jìn)行了支護(hù),增大了支護(hù)阻力,說(shuō)明每種方案對(duì)底臌都有一定的控制作用。

方案2加固了巷道的幫角和頂板,明顯地減小了底臌量。該工作面運(yùn)輸巷在方案1的支護(hù)下其頂板下沉量為950 mm,在有如此大的下沉量的頂板擠壓之下,兩幫的煤體被壓縮并向巷道內(nèi)發(fā)生移動(dòng),兩幫共移近584 mm,隨著兩幫的移近由式(19)可知,如此大的移近量必然導(dǎo)致嚴(yán)重的底臌。方案2在方案1的基礎(chǔ)上加固了巷道的頂板、兩幫和底角,使得圍巖的塑性區(qū)大為縮小,圍巖位移量明顯減小。頂板下沉量和兩幫移近量分別減小為800 mm和410 mm,由于該巷道的寬度和高度都比較大所以頂板下沉和兩幫移近仍然較大。伴隨著底板下沉和兩幫移近的減小,底臌必然減小,所以方案2的底臌量減小了100 mm。

圖7 巷道底臌治理的3種支護(hù)方案Fig.7 Three floor heave governance support

方案2雖然減小了底臌,但仍然不能滿足正常的安全生產(chǎn)需要,這就是大斷面巷道底臌的特殊之處,隨著巷道斷面的增加,底板巖梁的臨界應(yīng)力更小,更容易失穩(wěn)(圖4),所以即便加固了巷道的幫、角、頂板,兩幫提供給底板的水平力依然可以使底板巖梁失穩(wěn)破壞。因此,要更進(jìn)一步減少底臌,就需要增加其抵抗水平應(yīng)力的能力,根據(jù)式(7)可知,必須提高巖梁的抗彎剛度EI,但底板巖梁的橫截面是一定的,即I不變,所以必須提高底板的E。根據(jù)文獻(xiàn)[16]可知,層狀底板在支承壓力的作用下形成的單個(gè)分層的彈性模量會(huì)降低,在錨桿的作用下,層狀巖層將會(huì)重新結(jié)合在一起,其彈性模量將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個(gè)分層;另外,在安裝了底板錨桿后,錨固體的彈性模量也會(huì)有較大的提高。當(dāng)在底板增加了3根錨桿后,底臌量就減少到195 mm,與不支護(hù)底板相比底臌降低了約62%。因此,對(duì)于大斷面回采巷道的底臌治理,不僅需要加固幫、角、頂板,而且需要安裝底錨桿等方法增加底板巖梁彈性模量,才能有效的減少底臌,符合安全生產(chǎn)的要求。

圖8 3種方案底板變形比較Fig.8 Comparision of three floor deformation

4 結(jié) 論

(1)大斷面回采巷道底板巖梁的臨界應(yīng)力比較小,當(dāng)巷道寬度從3 m變成6 m時(shí)底板的臨界荷載減少了75%,臨界應(yīng)力的減小會(huì)使巖梁更易破壞,底板更易底臌。

(2)通過(guò)對(duì)實(shí)體煤巷的水平應(yīng)力分析,隨著回采巷道寬度的增加,不導(dǎo)致底板失穩(wěn)的最大埋深急劇減小,幾乎所有的大斷面巷道都面臨著底板失穩(wěn)破壞的威脅。

(3)隨著巷道斷面的增加,底臌量呈近似線性增加。巷道的斷面對(duì)其穩(wěn)定性有嚴(yán)重影響。

(4)加固幫、角和頂板對(duì)減少底臌都有幫助,在此基礎(chǔ)上安裝底錨桿等方法增加底板巖梁的彈性模量才能更有效地治理大斷面回采巷道底臌。

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Mechanism and countermeasures of layered floor heave of large section m ining roadway

LIU Cheng1,SONG Xuan-min1,LIU Ye2,ZHANG Xiao-liang1,LUOWei1

(1.Institute ofMining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

In order to study themechanism and effective countermeasures of floor heave in large section mining roadway,one of its prediction methodswas put forward through theoretical deduction.It is showed that floor rock beam with lower critical stress is easier to instability,alongwith larger section ofmining roadway.Almostall large section roadway are subject to the threat of floor heave under horizontal force.Moreover,with the increasing width of tunnel,the heave volume increases approximately linearly.At the same time,three kinds of support scheme,roadway support,reinforcement of sides,corners and roof,were analysed with Ansys.A conclusion is drawn that floor heave can be controlled well by installing roof bolting based on floor on a small scale with the reinforcement ofworking slope,angle and roof.Key words:large section;mining roadway;layered floor heave;floor heave

煤礦科技規(guī)范名詞與廢棄名詞比對(duì)(8)

TD322

A

0253-9993(2014)06-1049-07

劉 成,宋選民,劉 葉,等.大斷面回采巷道層狀底板底臌機(jī)理及其防治對(duì)策[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(6):1049-1055.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0826

Liu Cheng,Song Xuanmin,Liu Ye,et al.Mechanism and countermeasures of layered floor heave of extraction opening with large section [J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1049-1055.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0826

2013-06-17 責(zé)任編輯:王婉潔

劉 成(1989—),男,四川瀘州人,碩士研究生。E-mail:sliucheng@126.com