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        巷道圍巖塑性區(qū)形成的力學(xué)機(jī)制與形態(tài)特征

        2018-11-01 05:44:52申建忠
        山東煤炭科技 2018年10期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖區(qū)域

        申建忠

        (潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司,山西 長治 047105)

        對巷道圍巖塑性區(qū)域的形成和特征進(jìn)行分析,可以得出巷道圍巖變形機(jī)理,從而對冒頂事故進(jìn)行有效合理的控制和預(yù)防。以司馬煤礦1208工作面為研究背景,根據(jù)塑性區(qū)域理論,對巷道的塑性區(qū)域進(jìn)行了力學(xué)分析,研究了塑性區(qū)域的力學(xué)特性和影響因素,有助于實(shí)現(xiàn)圍巖的穩(wěn)定控制。

        1208工作面地面無重要建筑物,蓋山厚度591~767 m,平均679 m。工作面井下位于中六采區(qū)北配巷西北部,工作面東北部為1210工作面,與本工作面相距30m,西南部為未采區(qū)。3#煤層四鄰均未采,2#煤與3#煤層間距約16.79m。工作面設(shè)計(jì)走向長1640~1664 m,可采走向長1535 m,采長225 m,煤層平均厚度2.89 m,可采儲(chǔ)量115.1萬t。

        1 圍巖塑性區(qū)域形成機(jī)理

        1208工作運(yùn)輸巷、運(yùn)料巷初步確定采用圓形巷道,因此1208工作面圓形巷道的圍巖塑性區(qū)域分布問題是兩巷是否順利掘進(jìn)的重點(diǎn),目前以Kirsch研究的平面應(yīng)變公式分析圓形巷道應(yīng)力和塑性區(qū)域較為廣泛。但其公式建立背景為雙向等壓力作用,實(shí)際工程并不能完全符合應(yīng)用條件,雙向并不完全等壓力,對于非均勻應(yīng)力作用的巷道圍巖的應(yīng)力和塑性區(qū)域分布情況有必要進(jìn)行分析。在1208工作面掘進(jìn)前假設(shè)巷道圍巖挖掘前后都是彈性,求解后根據(jù)塑性條件判斷塑性破壞區(qū),近似確定塑性區(qū)域?qū)τ趪鷰r破壞機(jī)理具有較大參考作用,為1208工作面兩巷順利掘進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。

        1.1 雙向不等壓應(yīng)力影響的巷道力學(xué)分析

        目前對巷道應(yīng)力精準(zhǔn)求解較困難,因此對1208工作面兩巷進(jìn)行簡化,圍巖應(yīng)力視為分布均勻,巷道挖掘視為平面應(yīng)變,巖層各向視為同性。雙向不等壓力作用下的圓形巷道力學(xué)分析如圖1所示。

        圖1 不等壓力作用的1208工作面圓形巷道力學(xué)分析

        可以依據(jù)彈性力學(xué)相應(yīng)計(jì)算理論,由以下公式對雙向不等壓力作用的巷道某點(diǎn)計(jì)算其應(yīng)力。

        式中:

        σr-某點(diǎn)周向應(yīng)力,MPa;

        σθ-某點(diǎn)徑向應(yīng)力,MPa;

        τr-某點(diǎn)剪應(yīng)力,MPa;

        γH-某點(diǎn)垂直載荷,MPa;

        λ-側(cè)壓系數(shù);

        R-巷道半徑;

        r、θ-某點(diǎn)極坐標(biāo)值。

        1.2 圍巖強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

        在巷道掘進(jìn)過程中巷道圍巖破壞受其極限應(yīng)力作用較大,本研究采用庫倫莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則對其進(jìn)行分析,如圖2所示。

        圖2 庫倫莫爾準(zhǔn)則

        通過直線莫爾包絡(luò)線描述圍巖平衡,當(dāng)巷道圍巖處于彈性極限與塑性臨界狀態(tài)時(shí),根據(jù)庫倫莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則可得出平衡方程為:

        式中:

        σ1、σ3-極限應(yīng)力值;

        φ-內(nèi)摩擦角度,(°)。

        2 圍巖塑性區(qū)域影響要素

        根據(jù)以上計(jì)算公式可發(fā)現(xiàn)巷道圍巖塑性區(qū)域的影響要素包括巷道埋深、巷道角度、巷道內(nèi)摩擦角。

        2.1 巷道埋深

        通過公式代入巷道有關(guān)參數(shù),研究1208工作面巷道掘進(jìn)深度變化對其塑性區(qū)域的影響,結(jié)果如圖3所示。

        由圖3可以看出,幾種不同巖層巷道,埋深較低時(shí)都有無塑性區(qū)的埋深范圍,存在臨界塑性深度,巷道埋深超過臨界深度后,隨深度增加,各巖層塑性區(qū)域都在擴(kuò)充,且擴(kuò)充速度是煤>泥巖>頁巖>砂巖,反映了圍巖硬度低會(huì)增加塑性區(qū)域的擴(kuò)散速率。

        圖3 各種圍巖巷道埋深對于圍巖塑性區(qū)域影響曲線

        2.2 巷道角度

        根據(jù)上述公式得出不同角度巷道圍巖的塑性區(qū)域深度也不同,在0°到45°巷道角度內(nèi)均存在0塑性區(qū)、存在臨界埋深,但總體隨埋深增加塑性區(qū)域增大,在1208工作面巷道掘進(jìn)縱深50 m之前的臨界狀態(tài)之后,隨著巷道角度的增加塑性區(qū)域擴(kuò)充速度減小;縱深50 m之后隨巷道角度增加而擴(kuò)充速度增大。

        2.3 內(nèi)摩擦角

        分別取不同內(nèi)摩擦角進(jìn)行比較,得出圍巖塑性區(qū)域變化滾率,既不同巷道圍巖內(nèi)摩擦角的臨界埋深也不同,隨著內(nèi)摩擦角增大,臨界埋深也增大,巷道圍巖塑性區(qū)域擴(kuò)張隨著內(nèi)摩擦角的增大而增長速率降低。通過對1208工作面非均勻應(yīng)力場巷道圍巖塑性區(qū)理論分析,分析了1208工作面兩巷冒頂機(jī)理,為制定針對性的巷道冒頂控制方法和與之相適應(yīng)的支護(hù)技術(shù)提供理論依據(jù),并以此研究結(jié)果制定了頂板永久支護(hù)、巷幫永久支護(hù)方案。

        (1)頂板永久支護(hù)方案

        錨桿規(guī)格:MSGLW335/20×2400左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,所有錨桿配套使用1010尼龍阻尼圈及球形墊。

        錨桿托盤:150×150×10 mm拱形高強(qiáng)度托盤,拱高不得小于36mm。

        錨固方式:采用端錨錨固形式,每孔2支錨固劑,1支MS(CKb+Z)2360錨固劑,1支MSZ2360錨固劑。

        鋼筋托梁:采用16#圓鋼焊接而成,規(guī)格為:SB-φ16-5000-60mm。

        錨桿布置:每排6根錨桿,間距950mm,排距900mm,靠近巷幫的頂板錨桿距離巷幫225mm,打設(shè)角度與垂線成10°角(朝向巷外),中部錨桿與頂板垂直。

        (2)巷幫永久支護(hù)方案

        錨桿規(guī)格:MSGLW335/20×2000左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,所有錨桿配套使用1010尼龍阻尼圈及球形墊。

        錨固方式:采用端錨錨固形式,每孔1支MSZ2360錨固劑。

        鋼筋托梁:采用14#圓鋼焊接而成,規(guī)格為:SB-φ14-2900-60 mm。

        錨桿托盤:150×150×10 mm拱形高強(qiáng)度托盤,拱高不得小于36 mm。

        錨桿布置:每排4根錨桿,間距900 mm,排距900 mm,兩幫最上部一根錨桿距頂板250 mm,與水平線呈10°仰角,其余3根錨桿水平布置。

        3 結(jié)論

        本文以司馬煤礦1208工作面為研究背景,根據(jù)塑性區(qū)域理論,對巷道的塑性區(qū)域進(jìn)行了力學(xué)分析,研究了塑性區(qū)域的力學(xué)特性和影響因素,得出了不同影響因素對于塑性區(qū)域的影響規(guī)律,為巷道圍巖塑性區(qū)域的形成機(jī)理研究及支護(hù)方案確定提供了參考依據(jù)。

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