深井層狀圍巖撓曲褶皺性底鼓機(jī)理與控制技術(shù)-

1、2深井層狀圍巖撓曲褶皺性底鼓機(jī)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(yùn)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(jìn)入深部開采后，底鼓造成返 修巷道的工程量有時(shí)甚至超過新掘巷道。因此，研究底鼓機(jī)理和控制手段勢在 必行，而底鼓的機(jī)理和演化規(guī)律在高地壓、強(qiáng)動(dòng)壓、圍巖性質(zhì)、巖石力學(xué)行為、 敞底或底板支護(hù)強(qiáng)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(jìn)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(jī)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(jìn)迎頭揭 露的底板變形實(shí)照，此處巷道埋藏深度948圖2-1底鼓造成的運(yùn)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(jī)理及控制方法，已進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論分析， 以此為依據(jù)對底鼓的類型進(jìn)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(jī)理進(jìn)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(yùn)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(dāng)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(dòng)破碎區(qū)范圍內(nèi)的破碎巖石 的承載能力可忽略不計(jì)，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(qiáng)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(jìn)時(shí)掘進(jìn)迎頭揭露的典 型層狀巖體。圖2-2掘進(jìn)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(dāng)巷道底鼓段底板的寬度與長度之比不是足夠小時(shí)，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(yùn)用疊 加原理把板