采礦論文-沿空巷道圍巖變形破壞機理及穩(wěn)定性分析

word文檔可自由復制編輯第二章沿空巷道圍巖變形破壞機理及穩(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理是研究巷道失穩(wěn)的前提與基礎。因此，本章通過通過理論分析、數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場觀測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)機理及巷道控制技術打下基礎。2.1沿空巷道圍巖應力分布規(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)是整個巷道變形失穩(wěn)的重點，圍巖結(jié)構(gòu)的應力變化引起巷道的變形，因此有必要對沿空掘巷的圍巖結(jié)構(gòu)的應力變化進行深入分析。有研究表明，沿空掘巷在掘進及回采期間巷道圍巖應力表現(xiàn)出一定的規(guī)律性[24-27]。（1）頂板垂直應力在巷道的掘進期間，由于破壞了巷道原來的應力平衡狀態(tài)，引起應力重新分布。垂直應力沿著頂板層面呈現(xiàn)非均勻狀態(tài)，巷道中部的垂直應力明顯較低，而在煤幫附近應力較高，這是因為由于巷道開挖形成了類似于壓力拱的結(jié)構(gòu)存在。在巷道從掘進到穩(wěn)定期間，垂直應力在整個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重。水平應力在受到本工作面采動影響時，水平應力有明顯的上升。頂板中應力的明顯上升，由于壓曲作用的存在，致使巷道中垂直應力增大，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承受高壓的彈性區(qū)與塑性區(qū)，掘巷后煤體應力急劇降低，發(fā)生破壞而卸載，產(chǎn)生向巷道方向的位移。垂直應力在小煤柱與巷道頂板的交界處，垂直應力呈現(xiàn)基本一致性，靠近采空區(qū)一側(cè)的煤體因破壞而卸載，應力水平較低。靠近巷道一側(cè)煤體應力相對較高，垂直應力明顯集中，受回采時影響達到最大值。水平應力沿小煤柱寬度方向，應力分布呈現(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)。具體見圖2-1，在煤柱兩側(cè)存在破裂區(qū)，應力承載能力小。在巷道掘進及穩(wěn)定期間，水平應力沿煤柱高度方向上的分布呈現(xiàn)一致性，應力集中程度較低，在受本工作面采動影響時，在煤柱高度范圍內(nèi)水平應力均有不同程度增加的趨勢。實體煤幫的應力分布掘巷前，巷道另一側(cè)的實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，該幫的應力分布及演化規(guī)律：垂直應力在一定高度上，垂直應力的分布隨深入煤體內(nèi)部的深度增加而呈增大的趨勢；掘進及回采影響期間，在一定距離范圍內(nèi)均存在一個明顯的垂直應力降低區(qū)；工作面回采時，在距實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，垂直應力是不斷增大的。圖2-1小煤柱護巷引起的煤幫應力重新分布1-掘巷前的應力分布；2-掘巷后的應力分布Ⅰ―破裂區(qū)；Ⅱ―塑性區(qū)；Ⅲ―彈性區(qū)應力升高部分；Ⅳ―原巖應力區(qū)如圖2-1所示，掘巷前實體煤幫的應力分布如圖2-1中曲線1所示，小煤柱掘進位置一般剛好處于殘余支承壓力峰值下。巷道掘進后小煤柱遭到破壞而卸載，引起煤柱向巷道內(nèi)的強烈移動。巷道另一側(cè)的煤體，掘巷后應力重新分布，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，在實體煤幫內(nèi)部為承受高壓的彈性區(qū)應力升高部分，應力集中系數(shù)為K.煤幫深處又恢復到原巖應力區(qū),最終應力分布如圖2-1中曲線2所示。水平應力在掘巷穩(wěn)定期間，圍巖破壞是引起煤幫變形的主要的因素，地水平應力及垂直應力都有不同程度的降低;在受到本工作面采動影響時，煤幫較深處的水平應力有很明顯的增加，此時，實體煤幫的破壞隨著垂直應力的增加而向較深部煤體中擴展。2.2沿空巷道側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)特征分析煤層開采以后，采場上覆巖層的運動情況、特別是側(cè)向頂板巖層的破斷是引發(fā)回采巷道及護巷煤柱劇烈變形的主要原因，研究回采巷道煤柱寬度留設,首先應該對側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)運動與破斷規(guī)律有所認識。由關鍵層理論得知，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，巖層厚度和力學性質(zhì)存在較大的差別。其中一些較堅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)直接影響著采場周圍及巷硐的礦壓顯現(xiàn)和巖層活動，這些對巖體活動全部或者局部起控制作用的巖層稱為關鍵層。當關鍵層破斷時，上覆全部或者局部巖層的下沉變形是協(xié)調(diào)一致的。因此對于煤層頂板中存在一層或者數(shù)層較堅硬的巖層時，在研究回采工作面?zhèn)认蝽敯褰Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時，應用關鍵層理論的基本原理和方法是適宜的，對側(cè)向頂板穩(wěn)定性影響的是此層較堅硬的巖層，即所謂的關鍵層。因此，我們僅研究此關鍵層斷裂、運動、穩(wěn)定對回采巷道煤柱穩(wěn)定性的影響。當長壁工作面推過后，工作面上方基本頂在兩側(cè)形成了懸臂梁式的結(jié)構(gòu)，其力學計算模型簡化為圖2-6所示。圖2-6懸臂梁結(jié)構(gòu)力學模型Fig.2-6Cantileverbeammechanicalmodelofstructure對于沿空掘巷，由于是窄煤柱護巷，圍巖整體穩(wěn)定性相對于實體煤巷來說更容易遭到破壞。但是如果把巷道布置在上個工作面的采空區(qū)邊緣形成的應力降低區(qū)域時，巷道受力環(huán)境將會得到明顯改善。在上區(qū)段采空區(qū)邊緣煤體彈性應力高峰一側(cè)存在一個相對的應力降低區(qū)即煤體內(nèi)的破裂區(qū)和塑性區(qū)，將巷道布置在這個區(qū)域，受到的上覆荷載相對較小。依據(jù)實踐經(jīng)驗和理論計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，；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)一個支點位于本區(qū)段老頂巖層，一個支點位于上區(qū)段采空區(qū)的垮落巖石上。當采空區(qū)上覆巖層運動穩(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)對本工作面下的沿空巷道形成一種承載“保護”結(jié)構(gòu)。沿空巷道在這種結(jié)構(gòu)下受力較小容易支護。因此塊體B對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)上覆巖層的運動規(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，老頂沿工作面推進方向斷裂長度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，是一個重要的參數(shù)，它影響采空區(qū)側(cè)向煤體重的應力分布規(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環(huán)境。影響老頂斷裂的因素很多，主要有采深、原巖應力、應力狀態(tài)、采高、煤層、直接頂及老頂?shù)牧W性質(zhì)、厚度等。通過研究分析[28]，認為工作面回采后，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）計算[29]。式中--工作面采高，m；--測壓系數(shù)；--煤體內(nèi)摩擦角，（o）--煤體內(nèi)聚力，MPa；--應力集中系數(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.對于東懷煤礦來說，=3m，=18o，=3MPa，=0.25MN/m3，=200m，=0，=1.2，（要認真計算），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)，此時煤柱內(nèi)應力水平低于原始地應力，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鹿剩辉谖恢?掘進巷道，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，支護強度高，不易維護；在位置3掘進巷道，雖然巷道比較容易維護，但煤柱損失比較大。因此，保留煤柱最合理的寬度應遵循以下幾個原則[24]：保證煤柱及巷道處于相對較低的應力環(huán)境；保證巷道支護系統(tǒng)具有良好的整體支護性能；保證巷道圍巖變形滿足生產(chǎn)要求；留設的煤柱尺寸應滿足隔離采空區(qū)、防止漏風發(fā)火和擋矸要求；應盡量減少煤炭損失。如何得出采空區(qū)側(cè)向支撐壓力分布規(guī)律，計算煤柱載荷與煤柱強度，確定煤柱屈服區(qū)的寬度，并進行穩(wěn)定性分析一直是國內(nèi)外學研究合理保留煤柱寬度的理論基礎和核心工作。（把東懷煤礦條件加入進行分析為什么22m煤柱留不?。?2.3沿空掘巷窄煤柱力學分析在分析煤柱的力學狀態(tài)時，首先應當了解采空區(qū)邊緣煤體的應力狀態(tài)。根據(jù)煤體邊緣應力分布情況建立如圖2.3所示的坐標系統(tǒng)和力學模型，圖中為支護作用對煤體的約束力,為煤層與頂?shù)装褰缑嫣幍募羟袘?為煤層開采厚度，為塑性區(qū)域的寬度。圖2.3沿空煤體力學模型Fig.2.3Mechanicsmodelofcoalalongtheempty求解塑性區(qū)界面應力的平衡方程為[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?。由?.1可得：(2.2)設(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)，；假設整個塑性區(qū)為分離體，同時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)界面測壓系數(shù)方程兩邊是關于的平衡方程，對求導得：(2.9)式中，為煤體平均體積力。求解式(2.9)得(2.10)同時考慮到時煤柱的應力邊界條件：(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)因為：(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)任意一點的應力為：(2.17)將，，帶入上式，求得沿空煤體極限強度發(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，通過分析了解到，當煤層傾角較小時，塑性區(qū)范圍變化較小，但當煤層傾角增大時，煤體極限強度發(fā)生的位置差異將增大。通過以上沿空煤體邊緣應力的分析，我們可以得出未開巷時的煤柱的應力狀態(tài)，即屈服區(qū)域煤體的應力狀態(tài)。在不考慮傾角的情況下，屈服區(qū)域的寬度L為：(2.19)巷道開挖后，圍巖在應力重分布情況下產(chǎn)生塑性變形。運用極限平衡理論，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；支護作用力；煤體粘聚力和內(nèi)摩擦角。從式(2.20)可知，