高水平应力对复合顶板巷道稳定性影响的分析＊

2011-11-15张在金王卫军

采矿技术 2011年5期

关键词：离层岩层塑性

张在金,王林,王卫军

(1.湖南第一工业设计研究院, 湖南长沙 410011;2.湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭市 411201)

高水平应力对复合顶板巷道稳定性影响的分析＊

张在金1,王林2,王卫军2

(1.湖南第一工业设计研究院, 湖南长沙 410011;2.湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭市 411201)

水平应力是影响巷道围岩稳定的重要因素,采用纵横弯曲理论及其数值模拟的方法分析研究水平应力对复合顶板离层、煤层巷道围岩的位移及其应力分布状态的影响。研究结果表明:水平应力可使顶板的岩层的弯曲变形量增加,且水平应力越大,岩层的弯曲变形量越大,巷道顶底板的变形破坏程度大于巷帮的变形破坏程度。

复合顶板;弯曲变形;离层;巷道稳定性;水平应力

据统计,在所有的煤矿事故中,顶板事故占总数的 50%以上,而复合顶板是煤巷顶板的主要结构类型之一,国内的许多学者对不同水平应力作用下复合顶板的弯曲变形及其离层的特性进行分析[1～5],其成果表明,高水平应力对复合顶板巷道围岩具有巨大的破坏作用。本文采用纵横弯曲理论[6]分析高水平应力对复合顶板弯曲变形及离层的影响。

1 离层机理

复合顶板离层是指因直接顶各分层岩层的抗弯强度不同及不同岩层层间的粘聚力很小,在上覆岩层垂直应力、水平应力及矿山支承压力的共同作用下,岩层分离而产生离层现象。简单的说就是指当直接顶在外力作用下发生弯曲变形时,由于各岩层的最大挠度不同,导致岩层的整体变形量不协调而产生离层。

岩层产生离层的原因主要包括 2个方面[7]:岩层受拉产生离层、挠度不同产生离层。岩层受拉产生离层则根据岩石破坏的主要分为张拉和剪切破坏,因此可以将顶板离层可归纳为其中一种,是指顶板产生弯曲变形,致使岩层的横截面下部产生拉应力,当拉应力大于岩石的抗拉强度时,岩层破坏导致离层。挠度不同产生离层即岩层在弯曲变形时产生的变形不均匀所致或挠度 (弯曲变形量)不一致,其产生离层的规律为,从巷道表面岩层逐步向顶板深部岩层扩展。

根据文献[8]可知,当存在不同的水平应力时,顶板的破坏范围和程度会明显不同,若水平应力很大时,顶板的挠度会增加,导致顶板岩层的弯曲变形量增加,可使层间的离层程度增大。

2 复合顶板受力变形分析

由于复合顶板的离层破坏首先从顶板下面的岩层开始,然后逐步向上扩展,顶板发生离层后,下层岩层在垂直方向仅受自重应力的作用。假设巷道走向无限长,下层岩层是连续均匀介质,根据平面理论,将该岩层简化成简支梁,其力学模型见图1。

图1 岩层简支梁模型

在图1中任取一截面 x,对其左端利用纵横弯曲理论进行分析。得其挠曲轴的微分方程为:

将式 (1)与式 (2)联立得:

式 (3)中,Pω1/EI表示的是轴向应力对弯曲变形的影响,若 p取绝对值,由于梁的弯曲变形向下,所以ω1为负值,则对 Pω1/EI分析可知:轴向应力事实上是增大了弯矩的数值,并且弯矩的数值随轴向应力的增加而增大;由于 Di=EI,则可知随厚度的减小,弯矩的数值急剧增加,且随弹性模量的减小,弯矩的数值逐渐增大。

设 P/EI=k2,则式 (3)的通解为:

根据梁两端的边界条件可知,梁的两端弯曲变形量为 0,当 x=0时 ,ω1=0,即:

当 x=l时 ,ω1=0,即 :

经整理得:

当 x=l/2时,式 (5)中的挠曲度取得最大值,其值为:

通过分析ω1可知,梁的挠曲度 (弯曲程度)与分布在梁的自重应力 q、水平方向上的轴向应力 P、梁的悬露长度 l、梁截面的极惯性矩 I、梁的弹性模量 E等因素密切相关。在其他条件相同的情况下,岩层的密度越大,则该岩层的弯曲变形越大,导致与上覆岩层的离层程度亦越大。

3 数值模拟分析

利用 FLAC3D建立数值模型,采用摩尔库伦准则进行运算,模型的四周和下端固定,上端为自由面,施加的垂直应力为 10 MPa,巷道的尺寸为 3×2.8 m,研究侧压系数 k为 1,1.2,1.5,2,2.5时,水平应力对巷道稳定性的影响。

不同水平应力的塑性区分布如图2所示,随侧压系数的增加,巷道围岩的塑性区范围显著增大,巷道变形量急剧增加,复合顶板的弯曲变形程度增大,复合顶板与上覆坚硬顶板间的离层程度增加。

图2 不同侧压系数的塑性区分布示意

侧压系数不同时,巷道表面位移曲线如图3、图4所示。由图3、图4可知,随侧压系数的增加,底鼓量、顶板下沉量、两帮鼓起量均增大,顶板的下沉量明显大于底鼓量,当侧压系数超过 2时,巷帮表面的位移量增加速率急剧增大。当侧压系数达到 2.5时,巷道断面缩小到仅为掘进时断面的 1/3。

图3 顶、底板的位移

图4 巷帮位移

通过对图2、图3、图4进行分析,巷道开挖后,巷道围岩的稳定性受到破坏,表现为随水平应力的增大,围岩破坏的范围增大,塑性区的范围增加,由于塑性区岩体的承载能力很低,支承压力的峰值向巷道深部转移,致使顶板的悬露范围增加。由前面的理论分析可知,由于受水平应力 P和顶板的悬露长度 l增加的影响,巷道复合顶板的下沉量显著增大。因巷道两帮围岩塑性破坏,抵抗变形的能力降低,导致两帮的鼓起量随水平应力的增加而明显增大。在水平应力增加的过程中,由于巷道底板受到两帮的约束影响,底板的鼓起量亦增加但增长速度小于顶板的下沉量的增加速度。