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1、2深井層狀圍巖撓曲褶皺性底鼓機理分析2 Mechanism for bending-fold like floor heave in stratified rock mass深井巷道底鼓是影響煤礦正常生產(chǎn)和運輸安全的重要因素之一,在煤礦巷 碉中底板鼓起10 cm乃至1m的現(xiàn)象十分普遍,進入深部開采后,底鼓造成返 修巷道的工程量有時甚至超過新掘巷道。因此,研究底鼓機理和控制手段勢在 必行,而底鼓的機理和演化規(guī)律在高地壓、強動壓、圍巖性質(zhì)、巖石力學(xué)行為、 敞底或底板支護強度不足、膨脹巖性和巖石徐變等因素影響下變得極其復(fù)雜。 在深部煤系地層中掘進的靜壓巖石巷道中,其中一類表現(xiàn)為撓曲褶皺性,其變 形特
2、征表現(xiàn)為:底板巖層沿巷道中部向上漸次撓曲,縮短巷道斷面,造成巷道 生產(chǎn)系統(tǒng)失效。因此,研究撓曲褶皺性底鼓機理與控制技術(shù)十分必要。圖2-1 是在淮南礦區(qū)朱集東煤礦1111。)工作面軌道順槽底板瓦斯抽采巷的掘進迎頭揭 露的底板變形實照,此處巷道埋藏深度948圖2-1底鼓造成的運輸系統(tǒng)失效Figure 2-1 The reality of rock strata and heaving floor in Deep Mme國內(nèi)外學(xué)者針對底鼓機理及控制方法,已進行了大量的實驗和理論分析, 以此為依據(jù)對底鼓的類型進行了劃分,得到目前底鼓治理常用的方法和手段主 要有反拱封閉支架、錨注和底板錨桿等方式。也有學(xué)
3、者通過研究巷道周圍應(yīng)力 環(huán)境提出通過加固兩幫和頂板來提高底板的穩(wěn)定性。而本文主要借助彈塑性薄 板理論,對巷道底鼓的機理進行分析,得出巷道底鼓的主要原因之一是底板完 整巖層的失穩(wěn)并向巷道內(nèi)撓曲。通過理論推導(dǎo),求出了底板巖層的極限承載能 力、板的撓度方程,并根據(jù)底板巖層發(fā)生底鼓的臨界破斷條件,推導(dǎo)出了層狀 底板巖層的彎曲應(yīng)力,并在此基礎(chǔ)上分析底板巖層運移破壞規(guī)律。2.1 層狀底板彈性薄板力學(xué)模型建立(Mechanical model initialization fbr elastic thin plate in stratified floor)當巷道或嗣室開掘以后,巷道圍巖周圍的原巖應(yīng)力重新分
4、布,幫部和頂板 受用壓抑制而向巷道臨空方向變形,而巷道底板松動破碎區(qū)范圍內(nèi)的破碎巖石 的承載能力可忽略不計,起到承載的巖層則是破碎區(qū)下方的層狀底板巖層,巷 道底板巖層的穩(wěn)定性與否在很大程度上取決于這些層狀圍巖的強度和承載力。 因此分析底板承載關(guān)鍵層的極限承載力、臨界承載力具有很重要的意義,圖 2-2為朱集東1111(1)工作面軌道順槽底板瓦斯抽采巷掘進時掘進迎頭揭露的典 型層狀巖體。圖2-2掘進迎頭揭露的層狀巖體Figure 2-2 Stratified rock mass revealed in excavation head-on2.1.1 底板巖層的撓曲變形有的學(xué)者把卷道底板看成是兩邊固支無限長板,忽略巷道底板長度對底 鼓的影響。但在煤礦現(xiàn)場大多數(shù)情況下,同一水平巷道的底板巖性也是各不一 樣,不可能整條巷道均發(fā)生底鼓,只有在底板巖層較松軟地段或者高地應(yīng)力場 附近產(chǎn)生大面積底鼓。當巷道底鼓段底板的寬度與長度之比不是足夠小時,就 不能采用兩邊固支無限長板力學(xué)模型,應(yīng)把底板巖層簡化為四邊固支彈性薄板 受均布載荷的力學(xué)模型,彈性薄板的幾何特征是:0.0125<J/min (,b) <0.5, 且板的垂直撓度小于板厚度6的五分之一,稱為小撓度板,本節(jié)假設(shè)底板巖層 為彈性小撓度板6849,根據(jù)彈塑性板殼理論知:四邊固支板受力分析應(yīng)運用疊 加原理把板
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