回采巷道围岩结构特征及变形破坏规律研究

1、第31卷第4期太原理工大学学报V o l 131N o 142000年7月JOU RNAL O F TA IYUAN UN I V ER S IT Y O F T ECHNOLO GY Ju ly 2000文章编号:100729432(20000420444203回采巷道围岩结构特征及变形破坏规律研究薛亚东,康天合(太原理工大学采矿工艺研究所摘要:通过对西山、汾西、霍州等矿区9个煤矿21个煤层的调查统计,将回采巷道顶板按岩层结构分为多层薄层顶板、复合顶板、厚层整体顶板和厚煤层顶板4种类型,并对典型围岩结构进行了相似材料模拟试验。 关键词:回采巷道;围岩;分类;相似模拟中图分类号:TD 326文

2、献标识码:A煤矿回采巷道在整个煤矿生产中占有很重要的地位。为了研究回采巷道的稳定性,许多学者根据岩体的质量指标和分类方法(RQD 指标、RM R 分类、N G I 分类等,提出了用于煤矿回采巷道围岩的分类方法,如B ien iaw sh i 的修正RM R 方法12。修正的RM R 方法考虑岩体强度、岩石质量指标(RQD 、弱面间距、弱面条件和地下水等因素,但从巷道支护设计角度和实际研究出发,巷道围岩的岩性和层次结构对巷道的稳定性有重要的影响。本文拟在调查统计的基础上,结合相似材料模型试验,研究回采巷道围岩的结构特征、力学特性及其变形破坏规律。1巷道围岩结构特征与力学特性由于回采巷道多布置于较

3、松软的煤层中,其稳定性主要受顶板围岩结构特征与力学特性的控制,因此本文的研究重点集中于巷道顶板岩体。通过对西山、汾西、霍州等矿区9个煤矿21个主采煤层的钻孔及采掘面地质资料的调查统计3,将回采巷道顶板按岩层结构分为多层薄层顶板、复合顶板、厚层整体顶板和厚煤层顶板4种类型。表1列出了前3类顶板的岩层岩性与厚度分布的统计结果4。各类顶板的主要特征见表2。表1顶板岩层岩性与厚度分布统计结果顶板类别个岩层平均厚度 m ;构成比例%煤泥岩砂质泥岩粉砂岩细纱岩中砂岩石灰岩多层薄层顶板平均厚层015711451100110501951157构成比例31.89.1012.13.023.031.52复合或组合顶

4、板下位薄岩层平均层厚1.372.001.351.56构成比例76.42.9414.75188上位厚岩层平均层厚2.223.584.966.188.11构成比例11.611.720.629.426.4厚层整体顶板平均层厚4.093.915.246.297.127.54构成比例21.620.410.812.114.420.4由统计结果可以看出,泥岩、砂岩、石灰岩和砂质泥岩是组成煤系地层的主要岩石。表3列出了回采巷道各类顶板岩石的物理力学参数测定结果。从表中可以看出,煤系地层岩石具有强度指标低和变形指标高的特点。作者简介:薛亚东,男,1971年11月生,在读博士,研究方向:岩石力学与地下工程稳定性研

5、究,太原,030024收稿日期:1999211202表2顶板岩层结构主要特征分类类型主要特征1多层薄层顶板由两层以上薄层岩层组成,结构面间距一般小于0.3m ,完整系数小于0.4,节理发育,层间错动,结构面多为泥质物充填,结合力差2复合顶板煤层之上有一层或几层软弱薄岩层(一般单层厚度<1.5m ,总厚度<2.0m ,薄岩层上部赋存一层坚硬厚岩层3厚层整体顶板煤层上直接赋存一层厚度较大(>3.0m 的整体岩层,结构面间距一般大于1m ,完整性系数>0.75,结构面多为4或5级4厚煤层顶板巷道顶板为整体煤层表3回采巷道各类顶板岩石力学指标 岩性密度 g c m -3抗压强度

6、 M Pa 抗拉强度 M Pa 弹性模量 M Pa 泊松比砂岩21535.565.1046800.30石灰岩21657.256.0898860.37泥岩21329.212.9264760.36砂质泥岩21531.242.9939170.252相似材料模型试验为进一步研究回采巷道围岩结构特征及其变形破坏规律的关系,在室内进行了相似材料模型试验。211模型设计根据巷道模拟试验架和模型试验的要求,确定几何相似常数l =25,密度相似常数=115,应力相似常数=3715.相似材料配比及其物理力学参数见表4.212模型结构针对回采巷道围岩的3种典型结构,设计了相应相似模型结构,模型结构柱状结构见图1图3

7、.213试验结果分析模型1(硬岩顶板煤巷在加载至4115kN 时,两帮开始出现裂隙。当载荷加至6213kN 时,两帮下部沿59°斜角破坏(煤的内摩擦角一般为28°5,因而有=45°+ 2=59°,两帮均为剪切破坏。当载荷加至8311kN 时,巷道发生梯形状大块冒落,巷道完全破坏。表4相似材料配比及其物理力学参数岩石名称骨料胶结物石膏可赛银石膏水泥骨料中云母的质量分数 %水中硼砂的质量分数 %抗压强度M Pa抗拉强度M Pa密度g c m -3泥岩9155310.670.0531.60石灰岩9173311.200.0751.63砂岩7155311.870.

8、0851.83煤6155310.530.0560.97模型2(复合顶板煤巷在加载至4115kN 时,两帮下部开始出现破坏裂隙,两帮上部的顶板出现垂直剪切裂隙,这是由于硬底板造成巷道两帮底角应力集中,从而导致帮的剪切滑移破坏。当载荷加至8311kN 时,两帮裂隙呈X 型发展。载荷加至10318kN 时,两帮受拉发生剪切破坏,直接顶发生离层破坏。模型3(多薄层顶板煤巷当载荷加至4115kN 时,两帮受拉出现拉破坏,底板两侧剪切断裂,顶板下沉。当载荷加至8311kN 时,两帮严重破坏。载荷加至18619kN 时,顶板离层,形成多层抛物拱式破坏。由模型试验可以看出,不同类型的围岩结构,巷道发生变形破坏

9、的规律不同。从巷道支护的角度出发,针对巷道变形破坏特点,巷道的支护重点和方式也有不同。表5总结了各类巷道的破坏形式和支护544第4期薛亚东等:回采巷道围岩结构特征及变形破坏规律研究要求。巷道变形破坏过程参见文献3。表5各类巷道破坏形式与支护要求 编号巷道模型破坏形式顶板两帮最终破坏形式支护要求重点顶板锚固1厚层硬岩顶板煤巷剪切剪切大块梯形冒落两帮垂直锚固2复合顶板煤巷张拉剪切垂向裂纹两帮悬吊锚固3多薄层顶板煤巷张拉张拉多层抛物拱两帮组合压缩梁锚固从试验中还发现,大多巷道破坏从两帮开始,进而导致顶板和巷道整体破坏。因此,加强回采巷道两帮的支护在巷道维护中有重要的意义。3结论1巷道围岩(特别指顶板

10、根据岩性和层次结构特征可分为多层薄层顶板、复合顶板、厚层整体顶板和厚煤层顶板4种类型,每种类型巷道的变形破坏规律各不相同。从研究结果看,这种分类和研究方法具有科学、简便和实用的特点,可为进一步研究回采巷道的支护提供指导。2煤系地层岩层具有呈层性显著、强度指标低、变形指标高、分层厚度小和裂隙发育等特征,其变形破坏规律不同于岩巷。3回采巷道变形破坏多从两帮开始,并最后导致顶板和巷道整体破坏。在设计和生产中,应重视巷帮的支护。参考文献1B H G B rady ,E T B row n .Rock M echanics fo r U nderground M ining M .L ondon :Ge

11、o rge A llen &U nw in ,1985.7784.2康天合.断续岩体力学引论M .北京:地震出版社,1998.292294.3薛亚东.回采巷道围岩结构破坏规律及锚杆支护的研究C :硕士论文.太原:太原理工大学矿业工程学院,1996.4康天合,薛亚东,靳钟铭.基于围岩条件与动载作用的回采巷道锚杆支护设计原则J .岩石力学与工程学报,1996,15(增刊:571576.5李先伟.岩块力学性质M .北京:煤炭工业出版社,1983.79816林韵梅.实验岩石力学M .北京:煤炭工业出版社,1984.123130Study on the Structure Character a

12、nd the D eforma tionLaws of Surround i ng Rocks of M i n i ng RoadwaysXue Yadong ,Kang T i anhe(Inst .of M in ing T ech .of TU T Abstract :B ased on the su rvey and statistics resu lts of 21seam s of 9m ines in X ishan ,Fenx i and H uozhou ,the roof of m in ing roadw ays w as classified in to m u lti 2th in 2layer roof ,com pound roof ,th ick and in tegral roof ,and th ick coal seam roof .Som e si m ila