采矿论文-沿空巷道围岩变形破坏机理及稳定性分析

word文档可自由复制编辑第二章沿空巷道围岩变形破坏机理及稳定性分析巷道围岩变形破坏是巷道失稳的外在表现，研究沿空巷道变形破坏机理是研究巷道失稳的前提与基础。因此，本章通过通过理论分析、数值模拟结合现场观测研究沿空巷道围岩变形破坏特征，归纳出其影响因素，为研究沿空巷道失稳机理及巷道控制技术打下基础。2.1沿空巷道围岩应力分布规律巷道表面位移、破坏表现为巷道顶底板及两帮的变形破坏，在沿空掘巷围岩结构中小煤柱的变形失稳是整个巷道变形失稳的重点，围岩结构的应力变化引起巷道的变形，因此有必要对沿空掘巷的围岩结构的应力变化进行深入分析。有研究表明，沿空掘巷在掘进及回采期间巷道围岩应力表现出一定的规律性[24-27]。（1）顶板垂直应力在巷道的掘进期间，由于破坏了巷道原来的应力平衡状态，引起应力重新分布。垂直应力沿着顶板层面呈现非均匀状态，巷道中部的垂直应力明显较低，而在煤帮附近应力较高，这是因为由于巷道开挖形成了类似于压力拱的结构存在。在巷道从掘进到稳定期间，垂直应力在整个层面上都有不同程度的降低，这就造成了顶板的变形主要发生在中浅部围岩，且优以顶板的中部破坏严重。水平应力在受到本工作面采动影响时，水平应力有明显的上升。顶板中应力的明显上升，由于压曲作用的存在，致使巷道中垂直应力增大，顶板将在大范围内下沉和变形。小煤柱帮掘巷前靠近上工作面采空区部分为破碎区，靠近巷道部分为原来承受高压的弹性区与塑性区，掘巷后煤体应力急剧降低，发生破坏而卸载，产生向巷道方向的位移。垂直应力在小煤柱与巷道顶板的交界处，垂直应力呈现基本一致性，靠近采空区一侧的煤体因破坏而卸载，应力水平较低。靠近巷道一侧煤体应力相对较高，垂直应力明显集中，受回采时影响达到最大值。水平应力沿小煤柱宽度方向，应力分布呈现明显的区域性，从靠近采空区侧依次分为破裂区、塑性区和弹性区。具体见图2-1，在煤柱两侧存在破裂区，应力承载能力小。在巷道掘进及稳定期间，水平应力沿煤柱高度方向上的分布呈现一致性，应力集中程度较低，在受本工作面采动影响时，在煤柱高度范围内水平应力均有不同程度增加的趋势。实体煤帮的应力分布掘巷前，巷道另一侧的实体煤帮为承受高压的弹性区；掘巷后，衍变为破裂区、塑性区；随着支承压力向煤体深部转移，煤体也向巷道方向显著位移，该帮的应力分布及演化规律：垂直应力在一定高度上，垂直应力的分布随深入煤体内部的深度增加而呈增大的趋势；掘进及回采影响期间，在一定距离范围内均存在一个明显的垂直应力降低区；工作面回采时，在距实体煤帮一定距离范围内，随着深入煤体内部的深度增加，垂直应力是不断增大的。图2-1小煤柱护巷引起的煤帮应力重新分布1-掘巷前的应力分布；2-掘巷后的应力分布Ⅰ―破裂区；Ⅱ―塑性区；Ⅲ―弹性区应力升高部分；Ⅳ―原岩应力区如图2-1所示，掘巷前实体煤帮的应力分布如图2-1中曲线1所示，小煤柱掘进位置一般刚好处于残余支承压力峰值下。巷道掘进后小煤柱遭到破坏而卸载，引起煤柱向巷道内的强烈移动。巷道另一侧的煤体，掘巷后应力重新分布，靠近巷道的煤体因卸压衍变为破碎区与塑性区，煤体向巷道方向位移显著，在实体煤帮内部为承受高压的弹性区应力升高部分，应力集中系数为K.煤帮深处又恢复到原岩应力区,最终应力分布如图2-1中曲线2所示。水平应力在掘巷稳定期间，围岩破坏是引起煤帮变形的主要的因素，地水平应力及垂直应力都有不同程度的降低;在受到本工作面采动影响时，煤帮较深处的水平应力有很明显的增加，此时，实体煤帮的破坏随着垂直应力的增加而向较深部煤体中扩展。2.2沿空巷道侧向顶板结构特征分析煤层开采以后，采场上覆岩层的运动情况、特别是侧向顶板岩层的破断是引发回采巷道及护巷煤柱剧烈变形的主要原因，研究回采巷道煤柱宽度留设,首先应该对侧向顶板结构运动与破断规律有所认识。由关键层理论得知，煤层顶板岩层中，由于成岩矿物成分及成岩环境等因素的不同，岩层厚度和力学性质存在较大的差别。其中一些较坚硬并具有一定厚度的岩层起着主要控制作用，它们破段后形成的结构直接影响着采场周围及巷硐的矿压显现和岩层活动，这些对岩体活动全部或者局部起控制作用的岩层称为关键层。当关键层破断时，上覆全部或者局部岩层的下沉变形是协调一致的。因此对于煤层顶板中存在一层或者数层较坚硬的岩层时，在研究回采工作面侧向顶板结构稳定性时，应用关键层理论的基本原理和方法是适宜的，对侧向顶板稳定性影响的是此层较坚硬的岩层，即所谓的关键层。因此，我们仅研究此关键层断裂、运动、稳定对回采巷道煤柱稳定性的影响。当长壁工作面推过后，工作面上方基本顶在两侧形成了悬臂梁式的结构，其力学计算模型简化为图2-6所示。图2-6悬臂梁结构力学模型Fig.2-6Cantileverbeammechanicalmodelofstructure对于沿空掘巷，由于是窄煤柱护巷，围岩整体稳定性相对于实体煤巷来说更容易遭到破坏。但是如果把巷道布置在上个工作面的采空区边缘形成的应力降低区域时，巷道受力环境将会得到明显改善。在上区段采空区边缘煤体弹性应力高峰一侧存在一个相对的应力降低区即煤体内的破裂区和塑性区，将巷道布置在这个区域，受到的上覆荷载相对较小。依据实践经验和理论计算老顶破断的位置一般位于煤体的弹塑性交接处。图2.1为沿空掘巷与上覆岩层结构平面图，剖面关系如图2.2所示。图2.1沿空掘巷与上覆岩层结构平面图图2.2沿空掘巷与上覆岩层结构剖面图Fig.2.1Structureplanargraphofgob-sideFig.2.2Structureprofileofgob-sideentrydrivingandoverlyingStrataentrydrivingandoverlyingStrata形象描述应力降低区的形成图在上区段工作面回采后，采空区上覆岩层随之发生垮落，随着工作面的推进，；老顶发生周期性的破断形成砌体梁结构，在工作面的端头处会断裂形成弧形三角块。一般老顶岩层在直接顶跨落后在煤体内发生断裂、回转或者弯曲下沉形成一种承载结构。沿着工作面倾向方向，块体A、块体B、块体C组成铰接结构，如图2.2所示，块体A为本区段工作面的老顶岩层，块体B为上区段工作面采空区相邻煤体一侧的弧形三角块，块体C为上区段工作面采空区垮落矸石。这样形成一种铰接结构，该结构一个支点位于本区段老顶岩层，一个支点位于上区段采空区的垮落岩石上。当采空区上覆岩层运动稳定后，沿空掘巷位于块体B的下方，块体B这种两端铰接的状态对本工作面下的沿空巷道形成一种承载“保护”结构。沿空巷道在这种结构下受力较小容易支护。因此块体B对沿空巷道上覆岩层大结构的稳定性起着重要作用。根据采空区上覆岩层的运动规律，窄煤柱受力是由于上腹弧形三角块回转变形引起的弧形三角块结构的参数主要有3个，老顶沿工作面推进方向断裂长度L1,沿侧向断裂跨度L2，弧形三角块在煤体中的断裂位置X0。（此处加入柏建彪p18）老顶在侧向煤壁的断裂位置对沿空掘巷弧形三角块结构的稳定性影响很大，是一个重要的参数，它影响采空区侧向煤体重的应力分布规律、小煤柱合理宽度的确定、巷道围岩的完整性及外部力学环境。影响老顶断裂的因素很多，主要有采深、原岩应力、应力状态、采高、煤层、直接顶及老顶的力学性质、厚度等。通过研究分析[28]，认为工作面回采后，老顶破断位置基本位于煤体弹塑性交接处，破断后的老顶以该轴为旋转轴向采空区旋转下沉，断裂位置距上区段采空区侧煤体的距离可以用式（2.1）计算[29]。式中--工作面采高，m；--测压系数；--煤体内摩擦角，（o）--煤体内聚力，MPa；--应力集中系数；--上覆岩层平均体积力，MN/m3--巷道埋深，m；--上区段工作面巷道煤帮的支护阻力，MPa。有公式可知，断裂位置距上区段采空区侧煤体的距离,的影响因素主要有采高，采深煤体内摩擦角.对于东怀煤矿来说，=3m，=18o，=3MPa，=0.25MN/m3，=200m，=0，=1.2，（要认真计算），所以=4.1m。2.2.2巷道的具体位置选择121处于采空区引起的松弛区内，此时煤柱内应力水平低于原始地应力，煤柱损失最小，煤炭回采率高，但煤柱塑性区发育，煤体破碎，容易出现片帮、冒顶等安全事故；在位置2掘进巷道，正处于侧向支承压力峰值区，围岩压力大，巷道变形较大，支护强度高，不易维护；在位置3掘进巷道，虽然巷道比较容易维护，但煤柱损失比较大。因此，保留煤柱最合理的宽度应遵循以下几个原则[24]：保证煤柱及巷道处于相对较低的应力环境；保证巷道支护系统具有良好的整体支护性能；保证巷道围岩变形满足生产要求；留设的煤柱尺寸应满足隔离采空区、防止漏风发火和挡矸要求；应尽量减少煤炭损失。如何得出采空区侧向支撑压力分布规律，计算煤柱载荷与煤柱强度，确定煤柱屈服区的宽度，并进行稳定性分析一直是国内外学研究合理保留煤柱宽度的理论基础和核心工作。（把东怀煤矿条件加入进行分析为什么22m煤柱留不住）.2.3沿空掘巷窄煤柱力学分析在分析煤柱的力学状态时，首先应当了解采空区边缘煤体的应力状态。根据煤体边缘应力分布情况建立如图2.3所示的坐标系统和力学模型，图中为支护作用对煤体的约束力,为煤层与顶底板界面处的剪切应力,为煤层开采厚度，为塑性区域的宽度。图2.3沿空煤体力学模型Fig.2.3Mechanicsmodelofcoalalongtheempty求解塑性区界面应力的平衡方程为[48]：(2.1)其中,和分别为沿空煤体边缘极限平衡区在和方向的体积力，为煤层与顶底板界面处的黏聚力，为煤层与顶底板交界面处的摩擦角。由式2.1可得：(2.2)设(2.3)将式(2.3)代入式2.2)并整理得(2.4)方程两侧分别只是或的函数,故可令方程两侧等于同一常数(2.5)求解式(2.5)得(2.6)联立式(2.4)，(2.5)，(2.6)可得(2.7)式中，、均为待定常数，；假设整个塑性区为分离体，同时由沿空煤体边缘极限平衡区内方向的合力为0可得：(2.8)β为屈服区与核区界面测压系数方程两边是关于的平衡方程，对求导得：(2.9)式中，为煤体平均体积力。求解式(2.9)得(2.10)同时考虑到时煤柱的应力边界条件：(2.11)令式2.7中，，同式2.11联立可得(2.12)联立2.8,2.9,2.12可得(2.13)因为：(2.14)由式(2.13)和式(2.14)可得(2.15)将和式(2.15)代入式(2.12)可得(2.16)因此，极限平衡区内任意一点的应力为：(2.17)将，，带入上式，求得沿空煤体极限强度发生处的距离为：(2.18)由式2.18我们可以知道，沿空边缘煤体屈服区的宽度与煤层倾角有关，通过分析了解到，当煤层倾角较小时，塑性区范围变化较小，但当煤层倾角增大时，煤体极限强度发生的位置差异将增大。通过以上沿空煤体边缘应力的分析，我们可以得出未开巷时的煤柱的应力状态，即屈服区域煤体的应力状态。在不考虑倾角的情况下，屈服区域的宽度L为：(2.19)巷道开挖后，围岩在应力重分布情况下产生塑性变形。运用极限平衡理论，在各向等压条件下，圆形巷道围岩塑性区半径的计算公式为：(2.20)式中，圆形巷道半径（方形巷道可取宽的1/2）；上覆岩层压力；；上覆岩层的平均容重；支护作用力；煤体粘聚力和内摩擦角。从式(2.20)可知，