采礦論文-沿空巷道圍巖變形破壞機(jī)理及穩(wěn)定性分析

word文檔可自由復(fù)制編輯第二章沿空巷道圍巖變形破壞機(jī)理及穩(wěn)定性分析巷道圍巖變形破壞是巷道失穩(wěn)的外在表現(xiàn)，研究沿空巷道變形破壞機(jī)理是研究巷道失穩(wěn)的前提與基礎(chǔ)。因此，本章通過(guò)通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究沿空巷道圍巖變形破壞特征，歸納出其影響因素，為研究沿空巷道失穩(wěn)機(jī)理及巷道控制技術(shù)打下基礎(chǔ)。2.1沿空巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律巷道表面位移、破壞表現(xiàn)為巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃纹茐模谘乜站蛳飮鷰r結(jié)構(gòu)中小煤柱的變形失穩(wěn)是整個(gè)巷道變形失穩(wěn)的重點(diǎn)，圍巖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化引起巷道的變形，因此有必要對(duì)沿空掘巷的圍巖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化進(jìn)行深入分析。有研究表明，沿空掘巷在掘進(jìn)及回采期間巷道圍巖應(yīng)力表現(xiàn)出一定的規(guī)律性[24-27]。（1）頂板垂直應(yīng)力在巷道的掘進(jìn)期間，由于破壞了巷道原來(lái)的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布。垂直應(yīng)力沿著頂板層面呈現(xiàn)非均勻狀態(tài)，巷道中部的垂直應(yīng)力明顯較低，而在煤幫附近應(yīng)力較高，這是因?yàn)橛捎谙锏篱_(kāi)挖形成了類似于壓力拱的結(jié)構(gòu)存在。在巷道從掘進(jìn)到穩(wěn)定期間，垂直應(yīng)力在整個(gè)層面上都有不同程度的降低，這就造成了頂板的變形主要發(fā)生在中淺部圍巖，且優(yōu)以頂板的中部破壞嚴(yán)重。水平應(yīng)力在受到本工作面采動(dòng)影響時(shí)，水平應(yīng)力有明顯的上升。頂板中應(yīng)力的明顯上升，由于壓曲作用的存在，致使巷道中垂直應(yīng)力增大，頂板將在大范圍內(nèi)下沉和變形。小煤柱幫掘巷前靠近上工作面采空區(qū)部分為破碎區(qū)，靠近巷道部分為原來(lái)承受高壓的彈性區(qū)與塑性區(qū)，掘巷后煤體應(yīng)力急劇降低，發(fā)生破壞而卸載，產(chǎn)生向巷道方向的位移。垂直應(yīng)力在小煤柱與巷道頂板的交界處，垂直應(yīng)力呈現(xiàn)基本一致性，靠近采空區(qū)一側(cè)的煤體因破壞而卸載，應(yīng)力水平較低。靠近巷道一側(cè)煤體應(yīng)力相對(duì)較高，垂直應(yīng)力明顯集中，受回采時(shí)影響達(dá)到最大值。水平應(yīng)力沿小煤柱寬度方向，應(yīng)力分布呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性，從靠近采空區(qū)側(cè)依次分為破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)。具體見(jiàn)圖2-1，在煤柱兩側(cè)存在破裂區(qū)，應(yīng)力承載能力小。在巷道掘進(jìn)及穩(wěn)定期間，水平應(yīng)力沿煤柱高度方向上的分布呈現(xiàn)一致性，應(yīng)力集中程度較低，在受本工作面采動(dòng)影響時(shí)，在煤柱高度范圍內(nèi)水平應(yīng)力均有不同程度增加的趨勢(shì)。實(shí)體煤幫的應(yīng)力分布掘巷前，巷道另一側(cè)的實(shí)體煤幫為承受高壓的彈性區(qū)；掘巷后，衍變?yōu)槠屏褏^(qū)、塑性區(qū)；隨著支承壓力向煤體深部轉(zhuǎn)移，煤體也向巷道方向顯著位移，該幫的應(yīng)力分布及演化規(guī)律：垂直應(yīng)力在一定高度上，垂直應(yīng)力的分布隨深入煤體內(nèi)部的深度增加而呈增大的趨勢(shì)；掘進(jìn)及回采影響期間，在一定距離范圍內(nèi)均存在一個(gè)明顯的垂直應(yīng)力降低區(qū)；工作面回采時(shí)，在距實(shí)體煤幫一定距離范圍內(nèi)，隨著深入煤體內(nèi)部的深度增加，垂直應(yīng)力是不斷增大的。圖2-1小煤柱護(hù)巷引起的煤幫應(yīng)力重新分布1-掘巷前的應(yīng)力分布；2-掘巷后的應(yīng)力分布Ⅰ―破裂區(qū)；Ⅱ―塑性區(qū)；Ⅲ―彈性區(qū)應(yīng)力升高部分；Ⅳ―原巖應(yīng)力區(qū)如圖2-1所示，掘巷前實(shí)體煤幫的應(yīng)力分布如圖2-1中曲線1所示，小煤柱掘進(jìn)位置一般剛好處于殘余支承壓力峰值下。巷道掘進(jìn)后小煤柱遭到破壞而卸載，引起煤柱向巷道內(nèi)的強(qiáng)烈移動(dòng)。巷道另一側(cè)的煤體，掘巷后應(yīng)力重新分布，靠近巷道的煤體因卸壓衍變?yōu)槠扑閰^(qū)與塑性區(qū)，煤體向巷道方向位移顯著，在實(shí)體煤幫內(nèi)部為承受高壓的彈性區(qū)應(yīng)力升高部分，應(yīng)力集中系數(shù)為K.煤幫深處又恢復(fù)到原巖應(yīng)力區(qū),最終應(yīng)力分布如圖2-1中曲線2所示。水平應(yīng)力在掘巷穩(wěn)定期間，圍巖破壞是引起煤幫變形的主要的因素，地水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力都有不同程度的降低;在受到本工作面采動(dòng)影響時(shí)，煤幫較深處的水平應(yīng)力有很明顯的增加，此時(shí)，實(shí)體煤幫的破壞隨著垂直應(yīng)力的增加而向較深部煤體中擴(kuò)展。2.2沿空巷道側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)特征分析煤層開(kāi)采以后，采場(chǎng)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)情況、特別是側(cè)向頂板巖層的破斷是引發(fā)回采巷道及護(hù)巷煤柱劇烈變形的主要原因，研究回采巷道煤柱寬度留設(shè),首先應(yīng)該對(duì)側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與破斷規(guī)律有所認(rèn)識(shí)。由關(guān)鍵層理論得知，煤層頂板巖層中，由于成巖礦物成分及成巖環(huán)境等因素的不同，巖層厚度和力學(xué)性質(zhì)存在較大的差別。其中一些較堅(jiān)硬并具有一定厚度的巖層起著主要控制作用，它們破段后形成的結(jié)構(gòu)直接影響著采場(chǎng)周圍及巷硐的礦壓顯現(xiàn)和巖層活動(dòng)，這些對(duì)巖體活動(dòng)全部或者局部起控制作用的巖層稱為關(guān)鍵層。當(dāng)關(guān)鍵層破斷時(shí)，上覆全部或者局部巖層的下沉變形是協(xié)調(diào)一致的。因此對(duì)于煤層頂板中存在一層或者數(shù)層較堅(jiān)硬的巖層時(shí)，在研究回采工作面?zhèn)认蝽敯褰Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)用關(guān)鍵層理論的基本原理和方法是適宜的，對(duì)側(cè)向頂板穩(wěn)定性影響的是此層較堅(jiān)硬的巖層，即所謂的關(guān)鍵層。因此，我們僅研究此關(guān)鍵層斷裂、運(yùn)動(dòng)、穩(wěn)定對(duì)回采巷道煤柱穩(wěn)定性的影響。當(dāng)長(zhǎng)壁工作面推過(guò)后，工作面上方基本頂在兩側(cè)形成了懸臂梁式的結(jié)構(gòu)，其力學(xué)計(jì)算模型簡(jiǎn)化為圖2-6所示。圖2-6懸臂梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型Fig.2-6Cantileverbeammechanicalmodelofstructure對(duì)于沿空掘巷，由于是窄煤柱護(hù)巷，圍巖整體穩(wěn)定性相對(duì)于實(shí)體煤巷來(lái)說(shuō)更容易遭到破壞。但是如果把巷道布置在上個(gè)工作面的采空區(qū)邊緣形成的應(yīng)力降低區(qū)域時(shí)，巷道受力環(huán)境將會(huì)得到明顯改善。在上區(qū)段采空區(qū)邊緣煤體彈性應(yīng)力高峰一側(cè)存在一個(gè)相對(duì)的應(yīng)力降低區(qū)即煤體內(nèi)的破裂區(qū)和塑性區(qū)，將巷道布置在這個(gè)區(qū)域，受到的上覆荷載相對(duì)較小。依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算老頂破斷的位置一般位于煤體的彈塑性交接處。圖2.1為沿空掘巷與上覆巖層結(jié)構(gòu)平面圖，剖面關(guān)系如圖2.2所示。圖2.1沿空掘巷與上覆巖層結(jié)構(gòu)平面圖圖2.2沿空掘巷與上覆巖層結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.2.1Structureplanargraphofgob-sideFig.2.2Structureprofileofgob-sideentrydrivingandoverlyingStrataentrydrivingandoverlyingStrata形象描述應(yīng)力降低區(qū)的形成圖在上區(qū)段工作面回采后，采空區(qū)上覆巖層隨之發(fā)生垮落，隨著工作面的推進(jìn)，；老頂發(fā)生周期性的破斷形成砌體梁結(jié)構(gòu)，在工作面的端頭處會(huì)斷裂形成弧形三角塊。一般老頂巖層在直接頂跨落后在煤體內(nèi)發(fā)生斷裂、回轉(zhuǎn)或者彎曲下沉形成一種承載結(jié)構(gòu)。沿著工作面傾向方向，塊體A、塊體B、塊體C組成鉸接結(jié)構(gòu)，如圖2.2所示，塊體A為本區(qū)段工作面的老頂巖層，塊體B為上區(qū)段工作面采空區(qū)相鄰煤體一側(cè)的弧形三角塊，塊體C為上區(qū)段工作面采空區(qū)垮落矸石。這樣形成一種鉸接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)一個(gè)支點(diǎn)位于本區(qū)段老頂巖層，一個(gè)支點(diǎn)位于上區(qū)段采空區(qū)的垮落巖石上。當(dāng)采空區(qū)上覆巖層運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，沿空掘巷位于塊體B的下方，塊體B這種兩端鉸接的狀態(tài)對(duì)本工作面下的沿空巷道形成一種承載“保護(hù)”結(jié)構(gòu)。沿空巷道在這種結(jié)構(gòu)下受力較小容易支護(hù)。因此塊體B對(duì)沿空巷道上覆巖層大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著重要作用。根據(jù)采空區(qū)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，窄煤柱受力是由于上腹弧形三角塊回轉(zhuǎn)變形引起的弧形三角塊結(jié)構(gòu)的參數(shù)主要有3個(gè)，老頂沿工作面推進(jìn)方向斷裂長(zhǎng)度L1,沿側(cè)向斷裂跨度L2，弧形三角塊在煤體中的斷裂位置X0。（此處加入柏建彪p18）老頂在側(cè)向煤壁的斷裂位置對(duì)沿空掘巷弧形三角塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響很大，是一個(gè)重要的參數(shù)，它影響采空區(qū)側(cè)向煤體重的應(yīng)力分布規(guī)律、小煤柱合理寬度的確定、巷道圍巖的完整性及外部力學(xué)環(huán)境。影響老頂斷裂的因素很多，主要有采深、原巖應(yīng)力、應(yīng)力狀態(tài)、采高、煤層、直接頂及老頂?shù)牧W(xué)性質(zhì)、厚度等。通過(guò)研究分析[28]，認(rèn)為工作面回采后，老頂破斷位置基本位于煤體彈塑性交接處，破斷后的老頂以該軸為旋轉(zhuǎn)軸向采空區(qū)旋轉(zhuǎn)下沉，斷裂位置距上區(qū)段采空區(qū)側(cè)煤體的距離可以用式（2.1）計(jì)算[29]。式中--工作面采高，m；--測(cè)壓系數(shù)；--煤體內(nèi)摩擦角，（o）--煤體內(nèi)聚力，MPa；--應(yīng)力集中系數(shù)；--上覆巖層平均體積力，MN/m3--巷道埋深，m；--上區(qū)段工作面巷道煤幫的支護(hù)阻力，MPa。有公式可知，斷裂位置距上區(qū)段采空區(qū)側(cè)煤體的距離,的影響因素主要有采高，采深煤體內(nèi)摩擦角.對(duì)于東懷煤礦來(lái)說(shuō)，=3m，=18o，=3MPa，=0.25MN/m3，=200m，=0，=1.2，（要認(rèn)真計(jì)算），所以=4.1m。2.2.2巷道的具體位置選擇121處于采空區(qū)引起的松弛區(qū)內(nèi)，此時(shí)煤柱內(nèi)應(yīng)力水平低于原始地應(yīng)力，煤柱損失最小，煤炭回采率高，但煤柱塑性區(qū)發(fā)育，煤體破碎，容易出現(xiàn)片幫、冒頂?shù)劝踩鹿?；在位?掘進(jìn)巷道，正處于側(cè)向支承壓力峰值區(qū)，圍巖壓力大，巷道變形較大，支護(hù)強(qiáng)度高，不易維護(hù)；在位置3掘進(jìn)巷道，雖然巷道比較容易維護(hù)，但煤柱損失比較大。因此，保留煤柱最合理的寬度應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則[24]：保證煤柱及巷道處于相對(duì)較低的應(yīng)力環(huán)境；保證巷道支護(hù)系統(tǒng)具有良好的整體支護(hù)性能；保證巷道圍巖變形滿足生產(chǎn)要求；留設(shè)的煤柱尺寸應(yīng)滿足隔離采空區(qū)、防止漏風(fēng)發(fā)火和擋矸要求；應(yīng)盡量減少煤炭損失。如何得出采空區(qū)側(cè)向支撐壓力分布規(guī)律，計(jì)算煤柱載荷與煤柱強(qiáng)度，確定煤柱屈服區(qū)的寬度，并進(jìn)行穩(wěn)定性分析一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)研究合理保留煤柱寬度的理論基礎(chǔ)和核心工作。（把東懷煤礦條件加入進(jìn)行分析為什么22m煤柱留不?。?2.3沿空掘巷窄煤柱力學(xué)分析在分析煤柱的力學(xué)狀態(tài)時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)了解采空區(qū)邊緣煤體的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)煤體邊緣應(yīng)力分布情況建立如圖2.3所示的坐標(biāo)系統(tǒng)和力學(xué)模型，圖中為支護(hù)作用對(duì)煤體的約束力,為煤層與頂?shù)装褰缑嫣幍募羟袘?yīng)力,為煤層開(kāi)采厚度，為塑性區(qū)域的寬度。圖2.3沿空煤體力學(xué)模型Fig.2.3Mechanicsmodelofcoalalongtheempty求解塑性區(qū)界面應(yīng)力的平衡方程為[48]：(2.1)其中,和分別為沿空煤體邊緣極限平衡區(qū)在和方向的體積力，為煤層與頂?shù)装褰缑嫣幍酿ぞ哿?，為煤層與頂?shù)装褰唤缑嫣幍哪Σ两恰Ｓ墒?.1可得：(2.2)設(shè)(2.3)將式(2.3)代入式2.2)并整理得(2.4)方程兩側(cè)分別只是或的函數(shù),故可令方程兩側(cè)等于同一常數(shù)(2.5)求解式(2.5)得(2.6)聯(lián)立式(2.4)，(2.5)，(2.6)可得(2.7)式中，、均為待定常數(shù)，；假設(shè)整個(gè)塑性區(qū)為分離體，同時(shí)由沿空煤體邊緣極限平衡區(qū)內(nèi)方向的合力為0可得：(2.8)β為屈服區(qū)與核區(qū)界面測(cè)壓系數(shù)方程兩邊是關(guān)于的平衡方程，對(duì)求導(dǎo)得：(2.9)式中，為煤體平均體積力。求解式(2.9)得(2.10)同時(shí)考慮到時(shí)煤柱的應(yīng)力邊界條件：(2.11)令式2.7中，，同式2.11聯(lián)立可得(2.12)聯(lián)立2.8,2.9,2.12可得(2.13)因?yàn)椋?2.14)由式(2.13)和式(2.14)可得(2.15)將和式(2.15)代入式(2.12)可得(2.16)因此，極限平衡區(qū)內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力為：(2.17)將，，帶入上式，求得沿空煤體極限強(qiáng)度發(fā)生處的距離為：(2.18)由式2.18我們可以知道，沿空邊緣煤體屈服區(qū)的寬度與煤層傾角有關(guān)，通過(guò)分析了解到，當(dāng)煤層傾角較小時(shí)，塑性區(qū)范圍變化較小，但當(dāng)煤層傾角增大時(shí)，煤體極限強(qiáng)度發(fā)生的位置差異將增大。通過(guò)以上沿空煤體邊緣應(yīng)力的分析，我們可以得出未開(kāi)巷時(shí)的煤柱的應(yīng)力狀態(tài)，即屈服區(qū)域煤體的應(yīng)力狀態(tài)。在不考慮傾角的情況下，屈服區(qū)域的寬度L為：(2.19)巷道開(kāi)挖后，圍巖在應(yīng)力重分布情況下產(chǎn)生塑性變形。運(yùn)用極限平衡理論，在各向等壓條件下，圓形巷道圍巖塑性區(qū)半徑的計(jì)算公式為：(2.20)式中，圓形巷道半徑（方形巷道可取寬的1/2）；上覆巖層壓力；；上覆巖層的平均容重；支護(hù)作用力；煤體粘聚力和內(nèi)摩擦角。從式(2.20)可知，