大断面回采巷道层状底板底臌机理及其防治对策

刘 成,宋选民,刘 叶,张晓亮,罗 威

(1.太原理工大学采矿工艺研究所,山西太原 030024;2.天津大学建筑工程学院,天津 300072)

大断面回采巷道层状底板底臌机理及其防治对策

刘 成1,宋选民1,刘 叶2,张晓亮1,罗 威1

(1.太原理工大学采矿工艺研究所,山西太原 030024;2.天津大学建筑工程学院,天津 300072)

为研究大断面回采巷道底臌机理并寻求控制底臌的有效对策,通过对大断面回采巷道层状底板底臌机理进行理论推导,提出该类底板底臌的预测方法。结果表明:随着回采巷道底板断面的增大,岩梁的临界应力逐渐减小,更易失稳破坏;在水平力的作用下,几乎所有大断面回采巷道均受到底臌的威胁;随着巷道宽度的增加,底臌量大致呈线性增加。同时对巷道一般支护、加固巷道帮角和顶板及在加固巷道帮角和顶板的基础上安装底板锚杆的3种支护方案分别进行数值模拟,发现加固巷道帮角和顶板的同时安装底板锚杆可更好的防治底臌。

大断面;回采巷道;层状底板;底臌

由于掘进或回采影响引起巷道围岩的应力状态和性质发生变化,使得顶底板和两帮岩体发生变形并向巷道内移动,底板岩体向巷道内移动称为底臌[1]。底臌是煤矿巷道中经常发生的矿压现象,采动影响使得回采巷道底臌更加严重,极大地影响和威胁矿井的安全生产。1998年以前,回采巷道断面较小,大多断面面积小于18 m2[2]。近年来由于煤矿所使用的掘进、回采、运输等设备的功率高、体积大,同时也为了满足通风、运输和巷道围岩变形预留量,以及大型设备的安装和安全生产需要,回采巷道的断面普遍较大[3]。如寺河矿首采工作面回采巷道断面已达到19.3 m2。以往的研究大多是针对小断面的回采巷道,而对大断面回采巷道的底臌做专门的研究不多,本文通过对大断面回采巷道机理和防治对策的研究,得到一些结论,供现场底臌控制实践参考。

1 回采巷道底臌的机理

回采巷道从开始掘进到最终报废所产生的底臌主要包括几个来源:首先是巷道掘进使得底板卸压后产生的弹塑性变形;其次是巷道底板受到水平应力的挤压产生的弯曲变形,以及底板岩层的扩容和流变导致的底臌变形;另外底板中含有遇水膨胀的黏土类矿物时,也会发生底臌,防治这类底臌需要做好底板和水的隔绝工作。根据文献[4],以上几个来源对底臌影响最大的是弯曲变形,占底臌总量的67.2%,因此大断面回采巷道底臌的研究主要针对其弯曲变形。

根据现场经验,回采巷道的底臌现象大多发生在回采过程中,主要是在采煤工作面超前支承压力的影响下诱发了底板岩层的一系列运动,导致底板向巷道内运动,最终形成底臌。在支承压力作用下,巷道将出现整体下沉。支承压力首先作用于顶板并使其下沉,下沉的顶板将支承压力传递给两帮,两帮岩层将被压缩和下沉,如为软弱底板,两帮甚至可以嵌入底板岩层,随着两帮煤岩体向巷道内移动,将会对底板形成二次水平应力。因底板多为层状岩层,受到超前支承压力影响时,巷道底板两侧将受到较大的剪应力,使得底板一定深度的岩层出现拉应变区和压应变区,岩石的抗拉强度比较低,在拉应变的作用下底板将出现离层[5],已离层的单一底板岩层弹性模量和抗弯刚度较完整的底板大大降低,底板将在两帮形成的二次水平应力的作用下失稳并产生底臌。

2 回采巷道断面大小对底臌的影响

2.1 底板的临界应力

大断面回采巷道宽度通常较大,根据现场经验可知伴随着宽度的增加更易发生底臌。

煤矿巷道的底板多为层状岩层,巷道的底臌量大部分来自这些层状岩层的弯曲。美国人K.Haramy认为在分析底板岩层稳定的时候,可将底板岩层看做是两端固定的岩梁分析[6]。因回采巷道的底角多为直角,故巷道底角处将产生较大的应力集中,第1层岩层底角将在集中应力的作用下发生屈服。在超前采动支承压力作用下,回采巷道底板将会离层。这些因素会使得底板岩梁的两端由固定支座变为铰支座,岩梁变为简支梁,模型如图1所示。假设巷道宽度为l,m;ω为任意截面x处的挠度,m;P为水平力,N;F为竖直方向的支座反力,N;q为岩层重力形成的均布线荷载,N/m。

底板岩梁在任意界面x处的弯矩为

底板的挠度微分方程为

式中,EI为岩梁的抗弯刚度。

其通解为

式中,C1,C2为待定常数。

根据边界条件:ωx=0=0和=0,可以得到

又ωx=l=0,将x=l,C1,C2代入式(4),可得

n可以取0,1,2,3,……中任意一个数值,但是在这些压力中,只有使岩梁在极小的弯曲时不失稳的最小压力才是需要的临界力。显然n=0时无意义,故取n=1,即得

当岩梁受临界力而不能保持稳定的平衡时,其横截面的面积为A,则横截面上的临界应力为

假设某巷道的底板第1层岩体为软弱的泥岩,层厚度为0.5 m、宽度为1 m的岩梁,该岩层的抗弯刚度为15×106N·m2。随着巷道宽度的增加,底板失稳的临界应力如图2所示。

图2 巷道宽度与临界应力关系Fig.2 Relationship between roadway’swidth and the critical stress

由图2可知,巷道宽度对底板的临界荷载有重要的影响,当巷道宽度由3 m变成6 m时底板的临界荷载大约减少75%。临界荷载的减少,巷道底板将更容易发生底臌,因此巷道底板的临界应力对底臌的机理和治理都有重要的作用。

2.2 底板的水平应力

根据回采巷道的护巷方式可将回采巷道分为实体煤护巷、煤柱护巷和无煤柱护巷。在为实体煤护巷时,回采巷道底板在掘进和回采期间的应力分布都是对称的,其力学模型如图3所示。其中图3(a)表示巷道掘进期间的受力情况,图3(b)表示回采期间巷道底板的应力分布,为了方便进行计算,对回采期间的应力分布进行了简化,如图3(c)所示。其中P1为巷旁支承压力峰值,P1=k1γH,P2为工作面超前支承压力,P2=k2γH,k1为巷旁支承压力峰值集中系数,k2为超前支承压力集中系数,H为采深,γ为岩体容重。

为求得M(x,y)的水平应力σx,可以把力分为x1,x2段,如图3(c)所示,这两段应力对M点水平应力[7]的代数和即为M点的水平应力σx。x1,x2段线性分布力对M点的水平应力分别为σx1和σx2。

图3 实体煤巷底板受力模型Fig.3 Entities roadway’s floor forcemodel diagram

当x=0时,即在底板岩梁的端头处时的水平应力为σ′x,即

端头处的水平应力直接影响着已离层底板岩梁是否会发生失稳破坏,如果σ′x≥σcr,则底板将发生失稳。如后节所述例子,假设巷道为实体煤护巷,x1= x2=8 l,k2=3,γ=25 kN/m3,欲求得不同跨度的巷道不失稳的最大埋深H,如图4所示。由图可知,随着回采巷道宽度的增加,不会导致底板失稳的最大埋深急剧减小,从图中可以看出当巷道宽度为6 m时,安全临界埋深为182 m,几乎所有的大断面巷道都面临着底板失稳、压曲破坏的威胁。

2.3 巷道的底臌量

回采巷道顶板将超前支承压力传递给两帮,两帮煤体在支承压力的作用下,应力重新分布,靠近巷道边沿的煤体进入塑性状态,并且向煤体深部发展,直到煤体仍然处于弹性状态的弹性区。整个塑性区内的煤体处于应力极限平衡状态,这个区域称为极限平衡区[8]。极限平衡区的宽度x0,顶板的下沉量uy见式(13),(14)。

图4 不同巷道宽度的安全临界埋深Fig.4 Safety critical embedded depth of differentwidth

式中,M为巷道高度,m;A为侧压系数;φ0为煤层内摩擦角,(°);ε0为煤体残余强度对应的应变;εc为煤体极限强度对应的应变;Px为支护阻力,Pa;k1为巷旁支承压力峰值集中系数。

极限平衡区的煤体已处于塑性软化状态,随着顶板下沉两帮煤体将会挤入巷道中。挤入巷道的面积S等于顶板下沉的面积。

两帮巷道的移近量ux等于下沉的面积S除以变形后的巷道高度M′,其中M′=M(1-ε0)。

实体煤护巷时,巷道两侧的力和位移大致对称,底臌量u′z应该以巷道中部最大,建立如图5所示的底臌模型。

式中,h为底板岩梁高度,m。

图5 底板岩层弯曲模型Fig.5 Floor strata bendingmodel

式(19)为巷道底臌量的计算公式,为更好地表现巷道宽度大小对巷道底臌量的影响,设某巷道埋深H为400 m,巷道宽度l和高度M的比例为1∶0.8,煤层的内摩擦角φ0为25°,内聚力C为0.3×106Pa,应力集中系数k1为6,巷道上方岩层的容重γ为25 kN/m3,ε0为0.1,εc为0.001,岩层厚度h为1 m,顶板、两帮支护阻力较小。得到不同宽度对应的底臌量,如图6所示。

图6 巷道宽度与底臌量关系Fig.6 Relationship between roadway width and floor heave

从图6可以看出随着巷道宽度的增加,底臌量呈线性增加。经过曲线拟合可得巷道宽度与底臌量的关系为

式(20)的相关系数为1。故巷道的宽度大小对巷道底板的稳定性有严重影响。

3 大断面回采巷道底臌治理对策

回采巷道底臌的治理方法主要有2种:一种是加固法,主要包括底板注浆、底板锚杆、封闭式支架、砼反拱等;另外一种是卸压法,主要包括切缝、打孔、松动爆破、卸压硐室等[9-12]。这些方法对底臌都有一定的治理效果,支架、反拱等加固法主要是被动的抑制底臌,并不能从根本上对其进行防治;卸压法是通过让岩层出现不连续的空隙,从而将能引起巷道底臌的应力传递到更深的岩层中,但当空隙被填满后,底臌将更加严重,而且像切缝和松动爆破等方法还会导致两帮的移近,减小了巷道的断面,影响正常的安全生产。从以上分析可知,底板锚杆较其他方法施工简单、经济,更适合回采巷道底臌治理。

治理巷道底臌,不能只治理底板,而要从底臌的机理出发去治理。如前所述,大断面回采巷道的底臌与围岩有关系,矩形巷道的角部容易应力集中,产生塑性现象,改变岩梁的支撑方式;大断面回采巷道底板岩梁较长,临界应力小,在水平应力的作用下极易发生失稳;而水平应力是顶板下沉压缩两帮使其向巷道内移动而产生的二次水平应力。因此,治理大断面回采巷道底臌,必须把巷道当作一个整体来讨论。因此,可通过加固巷道的帮角和顶板来控制巷道底臌,侯朝炯、李学华、王卫军等做了大量工作,取得了丰硕的成果[1315]。

某采煤工作面运输巷在回采期间发生严重底臌,该巷道埋深250 m,巷道高度M=4.5 m,宽度l= 5.8m,超前支承压力集中系数为k2=3,岩体容重γ= 25 kN/m3。巷道基本顶以粉砂岩和中砂岩为主,部分岩层为粗砂岩,较致密;直接顶为细砂岩和砂质泥岩,发育有小缓波状层理;煤层为近水平;直接底为泥岩和粉砂岩;基本底以粉砂岩、细砂岩和泥岩为主,含有水平层理。由2.1和2.2节可知,该工作面运输巷底板岩梁将会失稳,底板受到底臌的威胁,根据2.3节的结论,当巷道支护阻力很小时,巷道底臌量约为1.1 m。为研究巷道底臌的有效支护手段,设计了如图7所示的3种支护方案,方案2为在方案1的基础上加固了顶板、底板和角部,方案3在方案2的基础上对巷道底板施加了3根底锚杆。利用有限元软件ANSYS建立平面应变模型,对3种支护方案进行了模拟,模拟结果显示方案1底臌量为512 mm,方案2的底臌量为413 mm,方案3的底臌量为195 mm,其垂直方向的变形如图8所示。方案1的底臌量小于1.1 m是因为巷道进行了支护,增大了支护阻力,说明每种方案对底臌都有一定的控制作用。

方案2加固了巷道的帮角和顶板,明显地减小了底臌量。该工作面运输巷在方案1的支护下其顶板下沉量为950 mm,在有如此大的下沉量的顶板挤压之下,两帮的煤体被压缩并向巷道内发生移动,两帮共移近584 mm,随着两帮的移近由式(19)可知,如此大的移近量必然导致严重的底臌。方案2在方案1的基础上加固了巷道的顶板、两帮和底角,使得围岩的塑性区大为缩小,围岩位移量明显减小。顶板下沉量和两帮移近量分别减小为800 mm和410 mm,由于该巷道的宽度和高度都比较大所以顶板下沉和两帮移近仍然较大。伴随着底板下沉和两帮移近的减小,底臌必然减小,所以方案2的底臌量减小了100 mm。

图7 巷道底臌治理的3种支护方案Fig.7 Three floor heave governance support

方案2虽然减小了底臌,但仍然不能满足正常的安全生产需要,这就是大断面巷道底臌的特殊之处,随着巷道断面的增加,底板岩梁的临界应力更小,更容易失稳(图4),所以即便加固了巷道的帮、角、顶板,两帮提供给底板的水平力依然可以使底板岩梁失稳破坏。因此,要更进一步减少底臌,就需要增加其抵抗水平应力的能力,根据式(7)可知,必须提高岩梁的抗弯刚度EI,但底板岩梁的横截面是一定的,即I不变,所以必须提高底板的E。根据文献[16]可知,层状底板在支承压力的作用下形成的单个分层的弹性模量会降低,在锚杆的作用下,层状岩层将会重新结合在一起,其弹性模量将会远远大于单个分层;另外,在安装了底板锚杆后,锚固体的弹性模量也会有较大的提高。当在底板增加了3根锚杆后,底臌量就减少到195 mm,与不支护底板相比底臌降低了约62%。因此,对于大断面回采巷道的底臌治理,不仅需要加固帮、角、顶板,而且需要安装底锚杆等方法增加底板岩梁弹性模量,才能有效的减少底臌,符合安全生产的要求。

图8 3种方案底板变形比较Fig.8 Comparision of three floor deformation

4 结 论

(1)大断面回采巷道底板岩梁的临界应力比较小,当巷道宽度从3 m变成6 m时底板的临界荷载减少了75%,临界应力的减小会使岩梁更易破坏,底板更易底臌。

(2)通过对实体煤巷的水平应力分析,随着回采巷道宽度的增加,不导致底板失稳的最大埋深急剧减小,几乎所有的大断面巷道都面临着底板失稳破坏的威胁。

(3)随着巷道断面的增加,底臌量呈近似线性增加。巷道的断面对其稳定性有严重影响。

(4)加固帮、角和顶板对减少底臌都有帮助,在此基础上安装底锚杆等方法增加底板岩梁的弹性模量才能更有效地治理大断面回采巷道底臌。

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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

煤矿科技规范名词与废弃名词比对(8)

TD322

A

0253-9993(2014)06-1049-07

刘 成,宋选民,刘 叶,等.大断面回采巷道层状底板底臌机理及其防治对策[J].煤炭学报,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 责任编辑:王婉洁

刘 成(1989—),男,四川泸州人,硕士研究生。E-mail:sliucheng@126.com