急傾斜煤層巷道圍巖變形破壞機(jī)理及支護(hù)研究(修改稿)

1、急傾斜煤層巷道圍巖變形破壞急傾斜煤層巷道圍巖變形破壞機(jī)理及支護(hù)研究機(jī)理及支護(hù)研究1伍永平1，王俊超12，解盤石1，陳忠輝2（1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院教育部西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710054；2.四川廣旺船景煤業(yè)有限責(zé)任公司，四川宜賓625250）摘要：要：急傾斜煤層巷道支護(hù)大多采用單一的支護(hù)體系，巷道變形破壞嚴(yán)重.為了找出適合急傾斜煤層巷道的支護(hù)體系，對(duì)急傾斜巷道圍巖變形破壞特征進(jìn)行了深入的分析。以趙家壩煤礦3964

2、運(yùn)輸平巷作為研究對(duì)象，借助巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)、圍巖松動(dòng)圈測(cè)試和數(shù)值模擬軟件，對(duì)該巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)、圍巖松動(dòng)范圍、應(yīng)力分布、變形情況分別進(jìn)行研究，得出急傾斜煤層巷道圍巖變形破壞機(jī)理，并通過(guò)工程實(shí)踐也取得了非常好的效果，為控制急傾斜煤層巷道穩(wěn)定性提供了科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：急傾斜煤層；點(diǎn)荷載試驗(yàn)；松動(dòng)圈測(cè)試；數(shù)值模擬；圍巖變形破壞機(jī)理中圖分類號(hào)中圖分類號(hào)：TD353文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ARoadwaySurroundingRockDefm

3、ationFailuremechanismsupptingresearchintheSteeplyinclinedseamWuYong—ping1WangJun—chao12XiePan—shi1ChenZhong—hui2(1.XianUniversityofScienceTechnologyKeyWesternChinaLabatyofMiningDisasterControlfMinistryofEducationXi’an710

4、054china；2.SichuanGuangwangChuanjingcoalLimitedLiabilityCompanysichuanyibin625250)Abstract:RoadwaydefmationwasdeeplydestructionasroadwaysupptmostlywasadoptedasinglesupptingsystemintheSteeplyinclinedseam.Indertofindoutthe

5、suitablesupptingsystemfsteeplyinclinedseamroadwaysurroundingrockdefmationfailureacteristicswasdeeplyanalyzedintheSteeplyinclinedseam.TakeZhaoXiangjiaba3964coalhaulagedriftastheobjectofstudy，roadwaysurroundingrocklooseran

6、gemechanicalpropertystressdistributiondefmationwerestudiedWiththehelpofpointloadtestofrockrockloosecircletestnumericalsimulationsoftware，toobtainroadwaysurroundingrockdefmationdestructionmechanisminthesteeplyinclinedseam

7、，Engineeringpracticehadachievedverygoodresults.Soitprovidesatheeticalbasisonthecontrolofsteeplyinclinedseamroadwaystability.Keywds:Steeplyinclinedseam；pointloadtestofrock；rockloosecircletest；numericalsimulation；Surroundi

8、ngrockdefmationdestructionmechanism1基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51074120）；陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（08JZ01，08JZ02）作者簡(jiǎn)介：伍永平（1962），男，陜西省漢中市人，教授，博導(dǎo)，從事礦山壓力及巷道支護(hù)方面的研究。Email：136554061@Tel：18283116823根據(jù)點(diǎn)荷載測(cè)試數(shù)據(jù)，由平均點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)和平均抗壓強(qiáng)度公式：nIInss??nn????得出老頂巖樣抗

9、壓強(qiáng)度為49.24MPa；直接頂巖樣抗壓強(qiáng)度為52.66MPa；煤樣抗壓強(qiáng)度為15.00MPa，底板巖樣的抗壓強(qiáng)度為42.18MPa。2圍巖松動(dòng)圈測(cè)試圍巖松動(dòng)圈測(cè)試巷道開(kāi)挖前，地下巖體處于三向受壓平衡狀態(tài)。開(kāi)挖后，該平衡系統(tǒng)遭到破壞，一方面圍巖應(yīng)力將進(jìn)行重新分布與調(diào)整，另一方面巷道表面圍巖由原來(lái)的三向受壓變?yōu)殡p向受力狀態(tài)，其強(qiáng)度將大大降低。在開(kāi)巷初期，由于巷道周邊產(chǎn)生很大的集中應(yīng)力，當(dāng)其超過(guò)圍巖強(qiáng)度時(shí)，該處圍巖將發(fā)生破壞，導(dǎo)致圍巖承載能

10、力和所受應(yīng)力降低；之后，應(yīng)力峰值和圍巖破壞范圍向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移，直至達(dá)到新的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)為止。此時(shí)圍繞巷道的一圈巖層中將出現(xiàn)一定厚度的破裂區(qū)，這個(gè)破裂區(qū)稱為圍巖松動(dòng)圈。大量研究結(jié)果揭示，巷道支護(hù)的主要對(duì)象是松動(dòng)圈形成發(fā)展過(guò)程中的碎脹變形。松動(dòng)圈厚度越小，圍巖碎脹變形就越小，巷道圍巖也越穩(wěn)定，支護(hù)越容易；相反松動(dòng)圈越大，由此產(chǎn)生的碎脹變形量也越大，巷道圍巖就越不穩(wěn)定，支護(hù)越困難，因此有必要進(jìn)行巷道松動(dòng)圈的測(cè)試，以便更好的依據(jù)松動(dòng)圈的范圍

11、進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)。2.1測(cè)試儀器測(cè)試儀器圍巖松動(dòng)圈測(cè)試選用的是美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)的SIR20探地雷達(dá)，其精度高、性能穩(wěn)定、可靠。SIR20地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)包括硬件（主機(jī)、天線、傳輸電纜等）和軟件（現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、后處理等)兩大部分。從數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、到數(shù)據(jù)處理都已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，邊采集數(shù)據(jù)邊顯示波形，數(shù)據(jù)后處理軟件功能強(qiáng)大，目前SIR20地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)可用于工程地質(zhì)勘查。采用SIR20型多通道雷達(dá)透視儀，對(duì)趙家壩煤礦3964平巷圍巖頂、底

12、板及兩幫進(jìn)行了松動(dòng)圈探測(cè)，最大探測(cè)深度12m本次共設(shè)置4個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站布置4條測(cè)線分別放在頂?shù)装逡约皟蓭蜕稀?.22.2探測(cè)成果分析探測(cè)成果分析根據(jù)所分析的結(jié)果，得到3964平巷圍巖松動(dòng)范圍，見(jiàn)表2。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理后，得到3964底板松動(dòng)圈范圍為1.65~2.6m右?guī)退蓜?dòng)圈范圍為2.68~3.93m，頂板松動(dòng)圈范圍為1.73~2.85m，左邦松動(dòng)圈范圍為2.4~3.7m。從中可以看出，巷道左幫的松動(dòng)圈范圍明顯大于右?guī)?，其原因是急傾

13、斜巷道上幫巖層在沿層面法向力作用下，向開(kāi)掘空間移動(dòng)，造成了急傾斜巷道上幫圍巖的松動(dòng)圈范圍值較大。由此可知急傾斜巷道圍巖松動(dòng)圈范圍呈現(xiàn)非對(duì)稱分布特征。表2松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果Tap.2Loosecircletestresults測(cè)站測(cè)線編號(hào)松動(dòng)范圍測(cè)站測(cè)線編號(hào)松動(dòng)范圍第1測(cè)線2.5~4.0m第1測(cè)線2.0~2.4m第2測(cè)線2.1~4.2m第2測(cè)線2.7~3.2m第3測(cè)線1.2~2.3m第3測(cè)線2.0~2.4m一測(cè)站第4測(cè)線1.7~4.2m三測(cè)站

14、第4測(cè)線1.9~2.2m第1測(cè)線1.2~1.8m第1測(cè)線2.5~3.8m第2測(cè)線2.5~3.2m第2測(cè)線2.0~4.2m第3測(cè)線1.8~3.0m第3測(cè)線1.3~2.2m二測(cè)站第4測(cè)線3.5~4.3m四測(cè)站第4測(cè)線2.0~4.2m根據(jù)圍巖松動(dòng)圈理論[7]，該巷道屬于Ⅴ類大松動(dòng)圈不穩(wěn)定圍巖，其中左幫和右?guī)筒糠值囟芜_(dá)到了Ⅵ類大松動(dòng)圈極不穩(wěn)定圍巖，結(jié)合圍巖性質(zhì)，巷道圍巖屬于破碎性軟巖。3數(shù)值模擬分析數(shù)值模擬分析通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了解3964巷道變

15、形破壞的基本特征，從而為得出急傾斜巷道圍巖的變形破壞機(jī)理提供依據(jù)。本次數(shù)值計(jì)算的方法為有限差分法，采用的計(jì)算程序?yàn)榇笮蛶r土工程專用軟件FLAC5.0[8]，利用該程序?qū)ΜF(xiàn)3964平巷的變形破壞特征進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，巷道斷面選取拱形作為典型進(jìn)行研究。3.1圍巖應(yīng)力分析圍巖應(yīng)力分析圖4水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力云圖Fig.4Hizontalstressverticalstresscloudt巷道開(kāi)挖后，圍巖應(yīng)力分布變化明顯，呈明顯的非對(duì)稱分布。從

16、水平應(yīng)力云圖可看出，巷道左幫水平應(yīng)力釋放明顯，在靠近幫部范圍內(nèi)（3m左右），圍巖應(yīng)力輪廓呈現(xiàn)半圓狀分布，隨著向深部延伸應(yīng)力輪廓呈不規(guī)律分布；巷道右?guī)偷蛻?yīng)力范圍較左幫小；底板亦存在小范圍低水平應(yīng)力區(qū)，頂部零應(yīng)力特征不明顯，高水平應(yīng)力集中區(qū)域處于巷道頂部直接頂與老頂?shù)慕佑|面上，且影響范圍較大，最大應(yīng)力值達(dá)到11MPa，右?guī)涂拷享數(shù)膸r體也出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，但應(yīng)力值較小。從垂直應(yīng)力特征中可看出，巷道圍巖應(yīng)力分布特征與巖層賦存特征具有明顯的一致