回采巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征及變形破壞規(guī)律研究

1、第31卷第4期太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)V o l 131N o 142000年7月JOU RNAL O F TA IYUAN UN I V ER S IT Y O F T ECHNOLO GY Ju ly 2000文章編號(hào):100729432(20000420444203回采巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征及變形破壞規(guī)律研究薛亞?wèn)|,康天合(太原理工大學(xué)采礦工藝研究所摘要:通過(guò)對(duì)西山、汾西、霍州等礦區(qū)9個(gè)煤礦21個(gè)煤層的調(diào)查統(tǒng)計(jì),將回采巷道頂板按巖層結(jié)構(gòu)分為多層薄層頂板、復(fù)合頂板、厚層整體頂板和厚煤層頂板4種類(lèi)型,并對(duì)典型圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相似材料模擬試驗(yàn)。 關(guān)鍵詞:回采巷道;圍巖;分類(lèi);相似模擬中圖分類(lèi)號(hào):TD 326文

2、獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A煤礦回采巷道在整個(gè)煤礦生產(chǎn)中占有很重要的地位。為了研究回采巷道的穩(wěn)定性,許多學(xué)者根據(jù)巖體的質(zhì)量指標(biāo)和分類(lèi)方法(RQD 指標(biāo)、RM R 分類(lèi)、N G I 分類(lèi)等,提出了用于煤礦回采巷道圍巖的分類(lèi)方法,如B ien iaw sh i 的修正RM R 方法12。修正的RM R 方法考慮巖體強(qiáng)度、巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD 、弱面間距、弱面條件和地下水等因素,但從巷道支護(hù)設(shè)計(jì)角度和實(shí)際研究出發(fā),巷道圍巖的巖性和層次結(jié)構(gòu)對(duì)巷道的穩(wěn)定性有重要的影響。本文擬在調(diào)查統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,結(jié)合相似材料模型試驗(yàn),研究回采巷道圍巖的結(jié)構(gòu)特征、力學(xué)特性及其變形破壞規(guī)律。1巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征與力學(xué)特性由于回采巷道多布置于較

3、松軟的煤層中,其穩(wěn)定性主要受頂板圍巖結(jié)構(gòu)特征與力學(xué)特性的控制,因此本文的研究重點(diǎn)集中于巷道頂板巖體。通過(guò)對(duì)西山、汾西、霍州等礦區(qū)9個(gè)煤礦21個(gè)主采煤層的鉆孔及采掘面地質(zhì)資料的調(diào)查統(tǒng)計(jì)3,將回采巷道頂板按巖層結(jié)構(gòu)分為多層薄層頂板、復(fù)合頂板、厚層整體頂板和厚煤層頂板4種類(lèi)型。表1列出了前3類(lèi)頂板的巖層巖性與厚度分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果4。各類(lèi)頂板的主要特征見(jiàn)表2。表1頂板巖層巖性與厚度分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果頂板類(lèi)別個(gè)巖層平均厚度 m ;構(gòu)成比例%煤泥巖砂質(zhì)泥巖粉砂巖細(xì)紗巖中砂巖石灰?guī)r多層薄層頂板平均厚層015711451100110501951157構(gòu)成比例31.89.1012.13.023.031.52復(fù)合或組合頂

4、板下位薄巖層平均層厚1.372.001.351.56構(gòu)成比例76.42.9414.75188上位厚巖層平均層厚2.223.584.966.188.11構(gòu)成比例11.611.720.629.426.4厚層整體頂板平均層厚4.093.915.246.297.127.54構(gòu)成比例21.620.410.812.114.420.4由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,泥巖、砂巖、石灰?guī)r和砂質(zhì)泥巖是組成煤系地層的主要巖石。表3列出了回采巷道各類(lèi)頂板巖石的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定結(jié)果。從表中可以看出,煤系地層巖石具有強(qiáng)度指標(biāo)低和變形指標(biāo)高的特點(diǎn)。作者簡(jiǎn)介:薛亞?wèn)|,男,1971年11月生,在讀博士,研究方向:巖石力學(xué)與地下工程穩(wěn)定性研

5、究,太原,030024收稿日期:1999211202表2頂板巖層結(jié)構(gòu)主要特征分類(lèi)類(lèi)型主要特征1多層薄層頂板由兩層以上薄層巖層組成,結(jié)構(gòu)面間距一般小于0.3m ,完整系數(shù)小于0.4,節(jié)理發(fā)育,層間錯(cuò)動(dòng),結(jié)構(gòu)面多為泥質(zhì)物充填,結(jié)合力差2復(fù)合頂板煤層之上有一層或幾層軟弱薄巖層(一般單層厚度<1.5m ,總厚度<2.0m ,薄巖層上部賦存一層堅(jiān)硬厚巖層3厚層整體頂板煤層上直接賦存一層厚度較大(>3.0m 的整體巖層,結(jié)構(gòu)面間距一般大于1m ,完整性系數(shù)>0.75,結(jié)構(gòu)面多為4或5級(jí)4厚煤層頂板巷道頂板為整體煤層表3回采巷道各類(lèi)頂板巖石力學(xué)指標(biāo) 巖性密度 g c m -3抗壓強(qiáng)度

6、 M Pa 抗拉強(qiáng)度 M Pa 彈性模量 M Pa 泊松比砂巖21535.565.1046800.30石灰?guī)r21657.256.0898860.37泥巖21329.212.9264760.36砂質(zhì)泥巖21531.242.9939170.252相似材料模型試驗(yàn)為進(jìn)一步研究回采巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征及其變形破壞規(guī)律的關(guān)系,在室內(nèi)進(jìn)行了相似材料模型試驗(yàn)。211模型設(shè)計(jì)根據(jù)巷道模擬試驗(yàn)架和模型試驗(yàn)的要求,確定幾何相似常數(shù)l =25,密度相似常數(shù)=115,應(yīng)力相似常數(shù)=3715.相似材料配比及其物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4.212模型結(jié)構(gòu)針對(duì)回采巷道圍巖的3種典型結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了相應(yīng)相似模型結(jié)構(gòu),模型結(jié)構(gòu)柱狀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1圖3

7、.213試驗(yàn)結(jié)果分析模型1(硬巖頂板煤巷在加載至4115kN 時(shí),兩幫開(kāi)始出現(xiàn)裂隙。當(dāng)載荷加至6213kN 時(shí),兩幫下部沿59°斜角破壞(煤的內(nèi)摩擦角一般為28°5,因而有=45°+ 2=59°,兩幫均為剪切破壞。當(dāng)載荷加至8311kN 時(shí),巷道發(fā)生梯形狀大塊冒落,巷道完全破壞。表4相似材料配比及其物理力學(xué)參數(shù)巖石名稱(chēng)骨料膠結(jié)物石膏可賽銀石膏水泥骨料中云母的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %水中硼砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %抗壓強(qiáng)度M Pa抗拉強(qiáng)度M Pa密度g c m -3泥巖9155310.670.0531.60石灰?guī)r9173311.200.0751.63砂巖7155311.870.

8、0851.83煤6155310.530.0560.97模型2(復(fù)合頂板煤巷在加載至4115kN 時(shí),兩幫下部開(kāi)始出現(xiàn)破壞裂隙,兩幫上部的頂板出現(xiàn)垂直剪切裂隙,這是由于硬底板造成巷道兩幫底角應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致幫的剪切滑移破壞。當(dāng)載荷加至8311kN 時(shí),兩幫裂隙呈X 型發(fā)展。載荷加至10318kN 時(shí),兩幫受拉發(fā)生剪切破壞,直接頂發(fā)生離層破壞。模型3(多薄層頂板煤巷當(dāng)載荷加至4115kN 時(shí),兩幫受拉出現(xiàn)拉破壞,底板兩側(cè)剪切斷裂,頂板下沉。當(dāng)載荷加至8311kN 時(shí),兩幫嚴(yán)重破壞。載荷加至18619kN 時(shí),頂板離層,形成多層拋物拱式破壞。由模型試驗(yàn)可以看出,不同類(lèi)型的圍巖結(jié)構(gòu),巷道發(fā)生變形破壞

9、的規(guī)律不同。從巷道支護(hù)的角度出發(fā),針對(duì)巷道變形破壞特點(diǎn),巷道的支護(hù)重點(diǎn)和方式也有不同。表5總結(jié)了各類(lèi)巷道的破壞形式和支護(hù)544第4期薛亞?wèn)|等:回采巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征及變形破壞規(guī)律研究要求。巷道變形破壞過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)3。表5各類(lèi)巷道破壞形式與支護(hù)要求 編號(hào)巷道模型破壞形式頂板兩幫最終破壞形式支護(hù)要求重點(diǎn)頂板錨固1厚層硬巖頂板煤巷剪切剪切大塊梯形冒落兩幫垂直錨固2復(fù)合頂板煤巷張拉剪切垂向裂紋兩幫懸吊錨固3多薄層頂板煤巷張拉張拉多層拋物拱兩幫組合壓縮梁錨固從試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),大多巷道破壞從兩幫開(kāi)始,進(jìn)而導(dǎo)致頂板和巷道整體破壞。因此,加強(qiáng)回采巷道兩幫的支護(hù)在巷道維護(hù)中有重要的意義。3結(jié)論1巷道圍巖(特別指頂板

10、根據(jù)巖性和層次結(jié)構(gòu)特征可分為多層薄層頂板、復(fù)合頂板、厚層整體頂板和厚煤層頂板4種類(lèi)型,每種類(lèi)型巷道的變形破壞規(guī)律各不相同。從研究結(jié)果看,這種分類(lèi)和研究方法具有科學(xué)、簡(jiǎn)便和實(shí)用的特點(diǎn),可為進(jìn)一步研究回采巷道的支護(hù)提供指導(dǎo)。2煤系地層巖層具有呈層性顯著、強(qiáng)度指標(biāo)低、變形指標(biāo)高、分層厚度小和裂隙發(fā)育等特征,其變形破壞規(guī)律不同于巖巷。3回采巷道變形破壞多從兩幫開(kāi)始,并最后導(dǎo)致頂板和巷道整體破壞。在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中,應(yīng)重視巷幫的支護(hù)。參考文獻(xiàn)1B H G B rady ,E T B row n .Rock M echanics fo r U nderground M ining M .L ondon :Ge

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12、nd the D eforma tionLaws of Surround i ng Rocks of M i n i ng RoadwaysXue Yadong ,Kang T i anhe(Inst .of M in ing T ech .of TU T Abstract :B ased on the su rvey and statistics resu lts of 21seam s of 9m ines in X ishan ,Fenx i and H uozhou ,the roof of m in ing roadw ays w as classified in to m u lti 2th in 2layer roof ,com pound roof ,th ick and in tegral roof ,and th ick coal seam roof .Som e si m ila