鄭西貴,劉 娜,張 農(nóng),花錦波,馮曉巍

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116)

深井巷道撓曲褶皺性底臌機(jī)理與控制技術(shù)

鄭西貴1,2,劉 娜1,2,張 農(nóng)1,2,花錦波1,2,馮曉巍1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116)

為研究巷道底臌的破壞機(jī)理,提高底板巖層的長(zhǎng)期穩(wěn)定和控制,保證礦井的運(yùn)輸生產(chǎn)正常,采用理論推導(dǎo)的方法,分析了巷道底板滑移線(xiàn)場(chǎng)、極限載荷和速度的運(yùn)移演化特征,對(duì)大屯礦區(qū)千米深井層狀巖體撓曲褶皺性巷道的底臌機(jī)理和控制手段進(jìn)行了探討。結(jié)果表明:巷道寬度和底板巖層內(nèi)摩擦角是影響巷道底板應(yīng)力區(qū)分布特征的主要因素,給合推導(dǎo)出的反底拱錨固梁力學(xué)模型可以對(duì)底板支護(hù)強(qiáng)度和錨固參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),可有效控制底臌。特別對(duì)于深井層狀巖體巷道底板支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到0.4 MPa時(shí),底板巖層可達(dá)到長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定,孔莊煤礦2 a期巷道底臌量小于10 mm,表明研究成果具有較強(qiáng)的可行性與實(shí)用性。

深井;撓曲褶皺性;底臌機(jī)理;層狀巖體;反底拱;錨固梁

底臌是影響煤礦正常生產(chǎn)和運(yùn)輸安全的重要因素之一,在煤礦領(lǐng)域底板鼓起10 cm乃至1 m的現(xiàn)象十分普遍,進(jìn)入深部開(kāi)采后,底臌造成返修巷道的工程量有時(shí)甚至超過(guò)新掘巷道[1－2]。因此,研究底臌機(jī)理和控制手段勢(shì)在必行,而底臌的機(jī)理和演化規(guī)律在高地壓[3]、強(qiáng)動(dòng)壓[4]、圍巖性質(zhì)[5]、巖石力學(xué)行為[6]、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(lèi)表現(xiàn)為撓曲褶皺性,并沿巷道中部漸次撓曲,縮短巷道斷面,造成巷道生產(chǎn)系統(tǒng)失效。因此,研究撓曲褶皺性底臌機(jī)理與控制技術(shù)十分必要。圖1為淮南礦區(qū)朱集煤礦1111(1)工作面軌道運(yùn)輸巷底板巷掘進(jìn)工作面揭露的薄層狀巖石和底板變形,該巷道埋藏深度948 m。

圖1 深井巷道掘進(jìn)工作面揭露的巖層及底臌實(shí)照Fig.1 The reality of rock strata and heaving floor in deep mine

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)底臌的機(jī)理和控制手段,已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究,對(duì)底臌的類(lèi)型也進(jìn)行了分類(lèi),治理底臌的方法和手段目前主要有反拱封閉棚、錨注和底板施工錨桿等方式[7－9]。也有學(xué)者通過(guò)研究巷道周?chē)鷳?yīng)力環(huán)境提出通過(guò)加固兩幫和頂板來(lái)提高底板的穩(wěn)定性[10－12]。本文通過(guò)建立底板滑移線(xiàn)與速度場(chǎng)模型,研究撓曲褶皺性底臌的演化規(guī)律[13],提出增加底板支護(hù)強(qiáng)度,應(yīng)用錨桿索和反底拱錨固梁進(jìn)行主被動(dòng)協(xié)同承載的底臌控制技術(shù)[1415]。

1 撓曲褶皺性巷道底臌機(jī)理

1.1 巷道底板滑移線(xiàn)場(chǎng)

前聯(lián)邦德國(guó)學(xué)者M(jìn).奧頓哥特[16]等研究表明:煤礦水平薄層狀的靜壓巷道底臌多表現(xiàn)為撓曲褶皺性,永久性巷道在原巖應(yīng)力影響下產(chǎn)生彈塑性變形,如圖2所示,底板滑移線(xiàn)和速度場(chǎng)在層狀巖體發(fā)生撓曲變形后也隨之發(fā)生變化,其演化規(guī)律十分復(fù)雜,為便于分析作以下基本假設(shè):①巷道圍巖性質(zhì)與圍壓條件分別為薄層狀巖石靜壓巷道和靜水壓力;②巷道幫部松動(dòng)圍巖對(duì)底板產(chǎn)生的水平摩擦阻力不計(jì);③底板巖層破壞滑移區(qū)域與幫部圍巖松動(dòng)范圍及所產(chǎn)生的垂直應(yīng)力密切相關(guān),略去水平應(yīng)力的影響;④巷道圍巖按照均質(zhì)的莫爾－庫(kù)侖材料考慮,底板圍巖簡(jiǎn)化為彈塑性介質(zhì)[17]。

圖2 巷道底板滑移線(xiàn)與速度場(chǎng)模型Fig.2 The slip line of floor and speed field model

目前煤礦巷道斷面形狀多為直墻半圓拱型,巷道開(kāi)挖以后,底板受到來(lái)自幫部圍巖的影響,首先從巷道底角A,B兩點(diǎn)進(jìn)入到塑性極限狀態(tài),然后波及至整個(gè)底板圍巖。如圖2所示,圖中上覆巖層壓力ps= γH,其中,γ為巖石容重,N/m3;H為巷道的埋藏深度,m;b為圍巖的松動(dòng)寬度,m。

首先討論分析ABC區(qū)應(yīng)力,在該區(qū)域巷道底板AB為水平自由面,區(qū)內(nèi)的α與β滑移線(xiàn)均為直線(xiàn),因此底板ABC區(qū)是均勻應(yīng)力區(qū)。在A(yíng)B線(xiàn)上的邊界條件為:σn=0,τn=0。由圖3可得到ABC區(qū)內(nèi)的底板巖層應(yīng)力狀態(tài):

圖3 底板極限載荷q與莫爾－庫(kù)侖條件Fig.3 Limit load of floor q and the Mohr-Coulomb condition

其中,θ為BCF區(qū)主應(yīng)力與x軸夾角。根據(jù)ABC區(qū)內(nèi)應(yīng)力狀態(tài),由上式和圖3關(guān)系得

式(2)即為BCF區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)。

在A(yíng)CGH和ADG區(qū)運(yùn)用同樣的原理構(gòu)造出滑移線(xiàn)場(chǎng),進(jìn)一步算出各個(gè)區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。鑒于對(duì)以上幾個(gè)區(qū)域的應(yīng)力和滑移線(xiàn)場(chǎng)的綜合分析,得到最終滑移線(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

1.2 巷道底板極限載荷和速度場(chǎng)

由圖3及各區(qū)的應(yīng)力狀態(tài),得出底板在不施加反底拱時(shí),保持底板圍巖不發(fā)生明顯底臌的極限承載力q為

1.3 底角錨桿的排距、錨桿長(zhǎng)度

根據(jù)文獻(xiàn)[18]得到的確定原則是錨桿對(duì)圍巖產(chǎn)生的繞流阻力必須大于或等于保持BEF,ADG區(qū)極限平衡所需的繞流阻力,底板方可維持平衡,根據(jù)鐘新谷等相關(guān)學(xué)者推導(dǎo)的保持底板穩(wěn)定沿巷道軸向所需的錨桿排距[17]為

其中,c1為巖石的阻力系數(shù);D為錨桿直徑;其中c1與φ的關(guān)系如圖4所示。

圖4 巖石內(nèi)摩擦角和阻力系數(shù)關(guān)系Fig.4 Relation of the internal friction angle and drag coefficient of rock

要使布置在底角BF,AG位置的錨桿發(fā)揮作用,設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度至少應(yīng)大于BF,AG的長(zhǎng)度,根據(jù)抗滑樁設(shè)計(jì)原理,基于安全因素,給予一定的富裕系數(shù),按2倍BF,AG的長(zhǎng)度設(shè)計(jì),得到錨桿的長(zhǎng)度為

從圖2可得出CF弧線(xiàn)為對(duì)數(shù)螺線(xiàn),利用對(duì)數(shù)螺線(xiàn)的性質(zhì)可推導(dǎo)出巷道開(kāi)挖以后幫部松動(dòng)寬度b與巷道寬度a有如下關(guān)系:

巷道底板巖層鼓起累計(jì)高度與巖石的內(nèi)摩擦角和巷道寬度之間的關(guān)系如下:

由以上的分析容易得出巷道底板塑性區(qū)的劃分和巖層的移動(dòng)方向,進(jìn)而得到底角錨桿的設(shè)計(jì)參數(shù),以及巷道兩幫松動(dòng)寬度b和巷道寬度a之間的關(guān)系,如圖5所示,確定了參與巷道底臌的破碎巖層深度h,只有根據(jù)底板的受力規(guī)律,制定出比較合理的底臌治理方案或措施,方能有效地控制巷道底板的破壞范圍。

2 反底拱錨固梁的力學(xué)模型及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 反底拱錨固梁力學(xué)模型

圖5 圍巖松動(dòng)寬度與巷道寬度和內(nèi)摩擦角之間關(guān)系Fig.5 The relationship of the width of the loose rock and roadway width and internal friction angle

圖6 反底拱力學(xué)模型Fig.6 Inverted arch mechanics model

2.2 反底拱錨固梁錨桿索間距分析

假設(shè)錨桿索間距為s,反底拱弦長(zhǎng)為巷道寬度a,則布設(shè)錨桿索個(gè)數(shù)為m=a/s;如圖7所示,反拱兩端垂直支反力為

式中,u為錨桿的數(shù)量,u=0.5(m－1);z為錨索的數(shù)量,z=0.5(m+1);Fb和Fc分別為錨桿和錨索施加給底板巖層的約束力,kN;qd為反拱梁上承受的均布載荷,一般由地應(yīng)力測(cè)試所得,kN/m;換算公式為qd= σzzSfz/a,σzz為底板垂直應(yīng)力,MPa;Sfz為反拱所支護(hù)的面積,m2。

首先在均布載荷和錨桿索的協(xié)同作用下,運(yùn)用疊加原理[12]得,在α角處的彎矩方程為

圖7 布設(shè)底角錨桿索的反拱受力Fig.7 Stress of the inverted arch laid the corner bolt

均布載荷作用彎矩:

把上述3式相加得到總彎矩:Mt=M1+M2+M3,要使反拱梁抵抗局部非均勻載荷保證底板巖層不致迅速破壞,就必須考慮一定的富裕系數(shù),使ξMt≤[M],式中的ξ為富裕系數(shù),參考安全規(guī)程和工字鋼梁材料的極限彎矩強(qiáng)度,一般取1.2～2.5;[M]為反拱梁材料的許可彎矩,kN·m。

上述3式所有參數(shù)均已知,只有錨桿索間距s未知,由ξMt≤[M]解出:

支反力作用彎矩:

錨桿索提供的拉力作用彎矩:

要想能夠控制底板給反拱施加的反力qd,錨桿的間距s必須滿(mǎn)足上式的要求。并由材料力學(xué)的知識(shí)可得,兩排反拱梁間加強(qiáng)筋的強(qiáng)度必須能夠滿(mǎn)足反拱之間的底板巖層給予的壓力,一般用直徑在15～40 mm范圍內(nèi)的鋼筋,以達(dá)到能夠均衡反底拱的受力。

2.3 支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

圖8 錨桿索拉力投影Fig.8 Anchor cable tension force projection

錨索提供拉力投影為

由于巷道兩側(cè)的垂直應(yīng)力是ps=νH,因此反拱所能提供的支護(hù)力是錨桿索和上覆巖層的疊加作用。所以錨桿索和上覆巖層共同給反拱提供的支護(hù)力最終:Ft=2Fbv+Fc+2Fcv+ωps=2(Fbv+Fcv)+Fc+ωps,kN, ω為折減系數(shù),一般取0.1～0.6。因此每個(gè)反底拱錨固梁給底板巖層提供的支護(hù)強(qiáng)度:pz=Ft/Sfz,MPa。由式(15),(16)得到支護(hù)強(qiáng)度一般表達(dá)式:

通過(guò)Excel軟件計(jì)算式(17)并解析出在不同巷道埋深條件下,巷道寬度a和支護(hù)強(qiáng)度pz之間的曲線(xiàn)簇關(guān)系如圖9所示。

由圖9中曲線(xiàn)簇關(guān)系可以看出,當(dāng)巷道寬度位于4.5～5.5 m時(shí),隨著巷道埋深的增加,支護(hù)強(qiáng)度則在0.20～0.33 MPa急劇增長(zhǎng);當(dāng)巷道寬度大于5.5 m時(shí),支護(hù)強(qiáng)度則在0.33～0.40 MPa,此階段的變化趨于平緩,且反底拱錨固梁的支護(hù)強(qiáng)度逐漸趨于0.4 MPa,而最終達(dá)到穩(wěn)定。

3 工程應(yīng)用

圖9 不同埋深條件下支護(hù)強(qiáng)度和巷道寬度之間關(guān)系Fig.9 The relationship between the support strength and the width of the roadway under the conditions of different depth

大屯煤電公司孔莊煤礦Ⅳ水平井底車(chē)場(chǎng)埋藏深度達(dá)到1 055.5 m,井底車(chē)場(chǎng)等重點(diǎn)工程施工兩年多來(lái),巷道變形和底臌并未停止,局部地段底臌突出,如馬頭門(mén)附近底臌量近1 m,澆筑的厚砼多處出現(xiàn)幫頂貫穿性裂逢,局部已表現(xiàn)碎裂弱載性松散塊體,圍巖變形整體呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)失衡,嚴(yán)重威脅到Ⅳ水平的開(kāi)拓延深和安全生產(chǎn)。

3.1 反拱支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算

鑒于2.3節(jié)通過(guò)力學(xué)分析得到的巷道底板支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算公式(17),現(xiàn)用于計(jì)算孔莊礦Ⅳ水平巷道底板的支護(hù)強(qiáng)度。孔莊煤礦Ⅳ水平井底車(chē)場(chǎng)巷道寬度為5 500 mm,每套反拱體系的控底面積:Sfg=800× 5 500=4.4 m2,由于該區(qū)域巖性為軟巖,為保證支護(hù)質(zhì)量,實(shí)際控底面積取折減系數(shù)0.5～0.6,本例中取0.57,因此最終確定反拱支護(hù)面積為2.5 m2。在本工程應(yīng)用中,取錨桿拉力Fb=50 kN,錨索拉力Fc= 250 kN,拱高h(yuǎn)=500 mm,a=5 500 mm,s=1 300 mm,把這些參數(shù)代入式(15)和式(16),得到錨桿索鉛垂方向投影力:Fbv=50cos(20.6－1.04)=47.1 kN,Fcv= 250cos(20.6－10.01)=246 kN,而反拱上錨桿索提供的總拉力:Ft=2Fbv+Fc+2Fcv=2×47.1+250+2×246= 836.2 kN。支護(hù)強(qiáng)度:pz=Ft/2.5=836.2×103/2.5= 0.33 MPa,與2.3節(jié)由巷道埋深和寬度分析的底板支護(hù)強(qiáng)度基本吻合。根據(jù)規(guī)程,為保障煤礦永久性巷道的安全穩(wěn)定,應(yīng)取富裕系數(shù)為ξ1為1～1.3,本例中取1.2,得到最終的支護(hù)強(qiáng)度約為0.4 MPa,支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)如圖10所示。

3.2 支護(hù)技術(shù)參數(shù)

井底車(chē)場(chǎng)區(qū)域,已知巖石內(nèi)摩擦角φ=30°,阻力系數(shù)c1=6,巷道兩幫的松動(dòng)寬度根據(jù)式(7)確定為1.4 m,略去圍巖黏聚力C等參數(shù)。

圖10 孔莊煤礦井底車(chē)場(chǎng)區(qū)域反底拱錨固梁支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)Fig.10 Inverted arch anchor beam support design parameters of Kongzhuang Mine shaft bottom area

實(shí)施反底拱梁半徑按照式(9)計(jì)算,并考慮一定安全系數(shù)1.1～2.2,把底板按照半徑為8 300 mm刷擴(kuò)為反弧形狀,加固后的圍巖用11號(hào)礦用工字鋼實(shí)施反底拱,反拱的高度按照式(8)確定為250 mm,考慮富裕系數(shù)ξ2為2,最終確定拱的高度為500 mm;梁上自正中按等間距開(kāi)5處錨桿索安裝孔,孔的間距按照式(14)計(jì)算得到錨桿索間距為1 300 mm,孔直徑32 mm,反底拱梁排距與底角錨桿的排距相同,按式(5)計(jì)算,錨桿直徑取20 mm,得出間距為1 600 mm,考慮底板巖層為軟巖,折減系數(shù)取0.5得到間排距為800 mm。另外在反底拱梁孔位中施工的錨桿規(guī)格為Φ×L=20 mm×2 200 mm等強(qiáng)錨桿,錨桿長(zhǎng)度能夠滿(mǎn)足式(6)。錨桿間排距1 300 mm× 800 mm,預(yù)緊力矩不小于200 N·m,預(yù)緊力40～50 kN。錨索規(guī)格Φ×L=21.8 mm×6 200 mm,錨索間排距1 300 mm×800 mm,預(yù)緊力200～300 kN,錨桿與錨索按五花眼形式布置。對(duì)加工完的兩排反底拱梁間要用?25 mm的鋼筋,按200 mm間距焊接加固和砼澆筑地坪處理。而且澆筑的砼等級(jí)為C20,厚度為200 mm。

3.3 控制效果

在反底拱錨固梁實(shí)施之前,井底車(chē)場(chǎng)區(qū)域的底臌嚴(yán)重,經(jīng)多次刷臥,雖然從一定程度上解決了暫時(shí)性的底臌,但沒(méi)有從根上解決實(shí)際問(wèn)題,而且過(guò)多的擴(kuò)刷量危及井底車(chē)場(chǎng)和井壁的穩(wěn)定。實(shí)施反底拱錨固梁加錨注結(jié)合治理后,井底車(chē)場(chǎng)的維護(hù)周期已達(dá)2 a,底臌量控制在10 mm之內(nèi)。表明反底拱錨固梁可有效解決此工程的底臌問(wèn)題,控制效果實(shí)照如圖11所示。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)對(duì)巷道底板的滑移線(xiàn)場(chǎng)與速度場(chǎng)的分析,揭示了反拱高度與巖石的內(nèi)摩擦角和巷道寬度之間的關(guān)系,同時(shí)解出了底角錨桿的長(zhǎng)度、排距以及底板在沒(méi)有施加反底拱時(shí)所能承受的極限載荷。

圖11 實(shí)施反底拱錨固梁2 a后的底板支護(hù)效果Fig.11 The implementation of inverted arch floor supporting effect of anchor beam after 2 a

(2)把反底拱梁簡(jiǎn)化為梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,推導(dǎo)出了反底拱錨固梁的支護(hù)強(qiáng)度;并通過(guò)Excel軟件分析了當(dāng)巷道寬度位于4.5～5.5 m時(shí),隨著巷道埋深的增加,支護(hù)強(qiáng)度在0.20～0.35 MPa之間急劇增長(zhǎng);當(dāng)巷道寬度大于5.5 m時(shí),支護(hù)強(qiáng)度在0.33～0.40 MPa之間,此階段的變化趨于平緩,且反底拱錨固梁的支護(hù)強(qiáng)度則是逐漸趨于0.4 MPa,最終達(dá)到穩(wěn)定。

(3)在大屯孔莊煤礦井底車(chē)場(chǎng)區(qū)域?qū)嵤┓吹坠板^固梁加錨注結(jié)合治理后,井底車(chē)場(chǎng)的維護(hù)周期已達(dá)2 a,底臌量控制在10 mm之內(nèi),事實(shí)證明反底拱錨固梁技術(shù)是控制深井靜壓巷道撓曲褶皺性底臌的一條行之有效的技術(shù)途徑。

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Floor heave mechanism and control technology of flexural and folded deep mine roadway

ZHENG Xi-gui1,2,LIU Na1,2,ZHANG Nong1,2,HUA Jin-bo1,2,FENG Xiao-wei1,2

(1.School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;2.Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining,Ministry of Education,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

In order to analyze fracture mechanism of floor heave in entry and to enhance the stability of strata under floor,thus further guarantee the normal transportation of coal mine,this paper made a research on the evolution law of stress slip-line field,ultimate load and speed,there also investigated the floor heave mechanism and countermeasures of fold-like entry in bedding stratum,which exists in Datun mining area.The results show that two main factors influence floor stress greatly,namely,width of the entry and frictional angle of strata,it also demonstrates that supporting strength and anchoring parameters can be designed scientifically with the help of deductive anti-heave mechanical model,whose controlling effects is impressively.Especially as to deep buried entry under the circumstance of bedding stratum,longtime stability can be obtained with the supporting strength more than 0.4 MPa,which is demonstrated effectively based on the two years monitoring period of Kongzhuang Mine,and floor heave less than 10 mm,either.

deep mine;flexure and folded type;mechanism of floor heave;stratified rock mass;inverted arch;anchoring beam

TD322

A

0253－9993(2014)03－0417－07

鄭西貴,劉 娜,張 農(nóng),等.深井巷道撓曲褶皺性底臌機(jī)理與控制技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(3):417－423.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0242

Zheng Xigui,Liu Na,Zhang Nong,et al.Floor heave mechanism and control technology of flexural and folded deep mine roadway[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):417－423.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0242

2013－03－02 責(zé)任編輯:王婉潔

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51104152);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2011QNB02);長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT1084)

鄭西貴(1977—),男,山西侯馬人,副教授,博士研究生。E－mail:ckzxg@126.com