CN107503795A - 一种回采巷道底板破坏范围的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回采巷道底板破坏范围的确定方法，通过建立巷道底板破坏力学模型，给出了确定巷道底板破坏范围的方法，为底鼓型回采巷道选择合理有效的支护方案提供新技术。本发明紧密结合巷道底板变形破坏特征，通过建立巷道底板破坏力学模型分析了巷道底板稳定性，并给出了稳定性判据。建立了巷道底板破坏范围计算模型，定量分析确定了巷道底板的破坏范围，可为类似回采巷道支护方案的合理选择提供借鉴。

Description

一种回采巷道底板破坏范围的确定方法

技术领域

本发明涉及回采巷道底板技术领域，特别涉及一种回采巷道底板破坏范围的确定方法。

背景技术

我国多数煤矿已进入深部开采，随煤层埋藏深度(埋深)增加，在高地应力作用下，巷道底板大范围出现塑性，底鼓严重，导致巷道整体变形量大，严重影响矿井的通风和运输，威胁安全和正常生产，成为矿区亟待解决的技术难题之一。

针对回采巷道底板破坏范围的定量分析与计算，从而为确定合理的支护参数提供理论依据，是确保矿区安全、经济开采的关键技术。

然而目前，尚没有相关成果结合巷道底板变形破坏特征，对巷道底板破坏范围进行定量分析，造成底鼓形成机理与过程不清，支护范围确定困难。工程中治理底鼓所采用的方法主要有：

(1)加固法。底板注浆、底板或帮脚锚杆、封闭式支架与混凝土反拱；

(2)卸压法。切缝卸压、钻孔卸压、松动爆破与卸压煤柱；

(3)巷旁充填法。把回采巷道两帮一定范围内的煤采出,再填入既有一定支护阻力又有一定让压性能的充填材料,使巷帮应力向深部转移。

(4)联合支护法。根据具体地质条件，结合加固和卸压技术，对巷道进行必要支护。

工程实践中，上述方法主要存在以下问题：

(1)其采用的理论依据与回采巷道底板实际变形破坏特征不尽相符，相关设计参数的选取不当；

(2)底板施工困难，造成底板控制效果差，工程返修量大；

(3)巷道维护费用较高，增加成本，且矿井正常生产接替紧张。

为解决以上问题，本申请提供一种回采巷道底板破坏范围的确定方法，结合工程中巷道底板变形破坏特征，通过建立理论模型，计算出巷道底板破坏范围，完善了“极限平衡圈”理论，为回采巷道支护提供了理论依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种回采巷道底板破坏范围的确定方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明提供了一种回采巷道底板破坏范围的确定方法，包括以下步骤：

(1)建立巷道底板破坏力学模型：

对于挤压流动型底鼓型巷道，由于底板岩层强度低，较松散，可将巷道底板看作抗剪、抗拉与抗弯能力都较差的岩体，建立巷道底板破坏力学模型：受巷帮均匀载荷P和底板上均布载荷q的作用，根据土力学地基极限承载力原理，巷道将底板极限平衡区简化为主动极限区oac三角区、被动极限区odb三角区和过渡区cod扇形区，底板oac区与odb区分别处于主动和被动塑性应力状态；底板最大破坏深度为h_d；主动契体A上的最小主应力为σ_3A，最大主应力为σ_1A；被动契体B上的最小主应力为σ_3B，最大主应力为σ_1B；根据极限平衡条件，σ_3A＝σ_1B；A区底板最大主应力为垂直应力σ_1A，B区最大主应力为水平应力σ_1B；

巷道底板稳定性分析：

被动破坏区B的最小主应力为σ_3B＝q，主动破坏区A的最大主应力为岩体极限承载力P，内摩擦角 为岩石内摩擦角；根据摩尔-库伦强度准则：

将σ_3B＝q代入(1)式得：

由极限平衡条件σ_3A＝σ_1B，得：

对主动破坏区A，根据摩尔-库伦强度准则，有：

将(3)代入(4)得：

由σ_1A＝P，巷道两帮底板极限承载力P为：

若巷道底板不采用任何处理，即q＝0时：

借鉴双折减系数强度折减法提出底板强度折减系数η，折减后内聚力c^*＝ηc，内摩擦角可得：

考虑巷道开挖后的支承压力峰值系数k，巷帮承受的载荷为P₁：

P₁＝kP₀ (9)

式中，P₀为巷道原岩应力，单位为MPa；

则巷道底板稳定性判据为：

(2)确定巷道底板破坏范围

当巷道底板破坏，根据图2，建立底板破坏范围计算模型如图3，图中，L为巷帮下部底板极限平衡区宽度，单位为m；r₀为主动极限区与过渡区共线oc边长，单位为m；r_θ为过渡区螺旋半径，单位为m；h_bd为巷帮底板破坏区深度，单位为m；h_dmax为底板最大破坏深度，单位为m；l_max为底板破坏最深点位置与煤帮的水平距离，单位为m；

由于△oac和△bod为等腰三角形，则有ac＝oc＝r₀，可得：

主动极限平衡区A和被动极限平衡区B的滑移线为两组直线，主动区滑移线边界角被动区滑移线边界角而过渡区C的滑移线一组为对数螺线；其中心点为O，曲线方程为：

式中，θ为r_θ与r₀之间的夹角，单位为度；

由于△oac和△bod为等腰三角形，可得：

∠cod＝π-α-β＝π/2 (12)

则，过渡区的巷道底板破坏深度为：

当时，h_d达最大破坏深度，简化得：

可得：

将(16)代入(14)可得底板最大破坏深度为：

当时，帮脚处底板破坏深度：

将(10)代入(17)和(18)，得：

由(19)可以求得：

进而得到一定时，底板岩体破坏最大深度与煤帮极限平衡区宽度成线性增长；

巷道底板破坏最深处与巷帮的距离l_max为：

本发明和现有技术相比，其优点在于：

本发明提供的一种回采巷道底板破坏范围的确定方法，为高地应力作用下的回采巷道的底板破坏范围提供一种确定方法，为回采巷道选择合理有效的支护方案提供新技术。本发明紧密结合巷道底板变形破坏特征，通过建立巷道底板破坏力学模型分析了巷道底板稳定性，并给出了稳定性判据。建立了巷道底板破坏范围计算模型，定量分析确定了巷道底板的破坏范围，可为类似回采巷道支护方案的合理选择提供借鉴。

附图说明

图1本发明提供的方法流程图；

图2为巷道底板破坏力学模型；

图3为巷道底板破坏范围计算模型；

图4为巷道变形特制图；

图5为巷道物理模拟模型；

图6为实验巷道变形图；

图7为巷道变形位移矢量图；

图8a为数值计算模型平面示意图；

图8b为数值计算模型立体示意图；

图9为巷道垂直位移分布；

图10为巷道水平位移分布。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1所示，本发明实施例提供一种回采巷道底板破坏范围的确定方法，包括以下步骤：

(1)建立巷道底板破坏力学模型：

对于挤压流动型底鼓型巷道，由于底板岩层强度低，较松散，可将巷道底板看作抗剪、抗拉与抗弯能力都较差的岩体，建立巷道底板破坏力学模型(如图2所示)：受巷帮均匀载荷P和底板上均布载荷q的作用，根据土力学地基极限承载力原理，将巷道底板极限平衡区简化为主动极限区(oac三角区)和被动极限区(odb三角区)和过渡区(cod扇形区)，底板oac区与odb区分别处于主动和被动塑性应力状态；底板最大破坏(极限平衡区)深度为h_d；主动契体A上的最小主应力为σ_3A，最大主应力为σ_1A；被动契体B上的最小主应力为σ_3B，最大主应力为σ_1B；根据极限平衡条件，σ_3A＝σ_1B；A区底板最大主应力为垂直应力σ_1A，B区最大主应力为水平应力σ_1B；

巷道底板稳定性分析

被动破坏区B的最小主应力为σ_3B＝q，主动破坏区A的最大主应力为岩体极限承载力P，内摩擦角 为岩石内摩擦角；根据摩尔-库伦强度准则：

将σ_3B＝q代入(1)式得：

由极限平衡条件(σ_3A＝σ_1B)，得：

对主动破坏区A，根据摩尔-库伦强度准则，有：

将(3)代入(4)得：

由σ_1A＝P，巷道两帮底板极限承载力P为：

若巷道底板不采用任何处理，即q＝0时：

借鉴双折减系数强度折减法提出底板强度折减系数η，折减后内聚力c^*＝ηc，内摩擦角可得：

考虑巷道开挖后的支承压力峰值系数k，巷帮承受的载荷为P₁：

P₁＝kP₀ (9)

式中，P₀为巷道原岩应力，单位为MPa；

则巷道底板稳定性判据为：

(2)确定巷道底板破坏范围

当巷道底板破坏，根据图2，建立底板破坏范围计算模型如图3，图中，L为巷帮下部底板极限平衡区宽度，单位为m；r₀主动极限区与过渡区共线为oc边长，单位为m；r_θ为过渡区螺旋半径，单位为m；h_bd为巷帮底板破坏区深度，单位为m；h_dmax为底板最大破坏深度，单位为m；l_max为底板破坏最深点位置与煤帮的水平距离，单位为m；

由于△oac和△bod为等腰三角形，则有ac＝oc＝r₀，可得：

主动极限平衡区A和被动极限平衡区B的滑移线为两组直线，主动区滑移线边界角被动区滑移线边界角而过渡区C的滑移线一组为对数螺线；其中心点为O，曲线方程为：

式中，θ为r_θ与r₀之间的夹角，单位为度；

由于△oac和△bod为等腰三角形，可得：

∠cod＝π-α-β＝π/2 (12)

则，过渡区的巷道底板破坏深度为：

当时，h_d达最大破坏深度，简化得：

可得：

将(16)代入(14)可得底板最大破坏深度为：

当时，帮脚处底板破坏深度：

将(10)代入(17)和(18)，得：

由(19)可以求得：

可见，一定时，底板岩体破坏最大深度与煤帮极限平衡区宽度成线性增长；

巷道底板破坏最深处与巷帮的距离l_max为：

设W₀为巷道开挖宽度，巷道左右帮符号下标分边取1和2，若l_1max+l_2max<W₀，则巷道底板成“W”型破坏，破坏深度相对较小；若l_1max+l_2max≥W₀，巷道底板破坏叠加形成反拱形破坏，巷道破坏深度较大；

当l_1max＝l_2max＝0.5W₀时，底板破坏深度为代入(21)可得巷帮下部底板极限平衡区宽度最大值为：

若可以估算出L_max≈0.4W₀。

以下结合实施例进行详细说明：

以蒋家河煤矿主采煤层埋深544.8～640.9m为例，该煤矿埋深大，地应力高。煤层底板主要为砂质泥岩及炭质泥岩，强度低，巷道均出现不同程度底鼓。设计回采巷道宽W₀为5m，巷高h_w为3.1m，巷道顶板出现喷层开裂和挤压煤包等变形，顶底板移近量达1300mm，底鼓严重，底鼓量达1100mm。巷道变形特征如图4。

物理模拟：

物理相似模拟实验模型如图5所示，几何比为1：25，模型尺寸为：1200mm×909mm×120mm，巷道宽20cm，高12.4cm。

根据实测支承压力峰值，实验加载至1.68倍原岩应力模拟采动影响，巷道变形破坏规律如下：

1)加载后，顶底板移近量1350mm，两帮移近量700mm，顶板下沉量为350mm，底鼓量1000mm。模拟巷道变形情况基本与实际相符。

2)巷道围岩变形破坏主要为底板破坏，底板破坏深度3750mm。

3)巷道顶板和两帮下沉，两帮脚内收，底板中部向上隆起，两帮脚底板向内平移，形成以底鼓为主的收敛移动(图6)。

4)巷道底板和帮脚处围岩变形最为剧烈，以挤压流动型变形破坏为主，如图7所示。

数值模拟：

依据巷道围岩地质条件，建立数值模拟模型(图8a和图8b)。该数值模拟模型从上到下依次为粗砂岩、4-1煤层、细砂岩、4煤层、砂质泥岩和泥岩，其中巷道位于4煤层中；模型长宽高尺寸为25m×25m×22.73m，覆岩载荷为16.25MPa(原岩应力)。

巷道围岩位移规律：垂直位移分布为巷道中间底鼓量最大达800mm，底板两侧底鼓量为300mm，顶板最大下沉量500mm，两肩下沉量300mm，顶板相对于两肩下沉200mm，顶底板最大移近量1300mm。巷道底鼓变形量呈“中间大两边小”(图9)，水平位移分布为巷道顶帮移近量200～300mm，中帮最大移近量600mm，下帮移近量500mm(图10)。

以蒋家河煤矿ZF204运输顺槽为例，巷道底板未支护，q＝0MPa；内聚力c＝1.72MPa；底板容重γ＝24kN/m³；W₀＝5.0m，η＝0.9；c^*＝ηc＝1.55MPa；k＝1.68；P₀＝16.25MPa。得巷道极限承载力：

而P₁＝kP₀＝27.3MPa＞P，故底板破坏。

①根据物理模拟与数值模拟，巷道中部破坏深度最大，即l_max＝0.5W₀＝2.5m，由公式(22)，巷道底板最大破坏深度h_dmax＝3.57m；

②由公式(21)，巷帮破坏深度L＝1.87m；

③由公式(20)，巷帮底板破坏深度h_bd＝2.83m。

根据上述计算，两帮锚杆长度取2m。在巷帮底板设置底板锚杆，鉴于底板锚杆施工困难，根据工程经验，按照帮部底板破坏深度的70％取底板锚杆长度2.0m。工程实践表明，巷道变形量小于10％，巷道在使用期间安全稳定，取得良好的支护效果。

可见，本申请所确定的回采巷道底板破坏范围的确定方法具有可行性。

综上所述，本发明实施例提供的一种回采巷道底板破坏范围的确定方法，为高地应力作用下的回采巷道的底板破坏范围提供一种确定方法，为底鼓型回采巷道选择合理有效的支护方案提供新技术。本发明紧密结合巷道底板变形破坏特征，通过建立巷道底板破坏力学模型分析了巷道底板稳定性，并给出了稳定性判据。建立了巷道底板破坏范围计算模型，定量分析确定了巷道底板的破坏范围，可为类似回采巷道支护方案的合理选择提供借鉴。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种回采巷道底板破坏范围的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立巷道底板破坏力学模型：

建立巷道底板破坏力学模型：受巷帮均匀载荷P和底板上均布载荷q的作用，根据土力学地基极限承载力原理，把巷道底板极限平衡区分为主动极限区oac三角区、被动极限区odb三角区和过渡区cod扇形区，底板oac区与odb区分别处于主动和被动塑性应力状态；底板最大破坏深度为h_d；主动契体A上的最小主应力为σ_3A，最大主应力为σ_1A；被动契体B上的最小主应力为σ_3B，最大主应力为σ_1B；根据极限平衡条件，σ_3A＝σ_1B；A区底板最大主应力为垂直应力σ_1A，B区最大主应力为水平应力σ_1B；

巷道底板稳定性分析：

被动破坏区B的最小主应力为σ_3B＝q，主动破坏区A的最大主应力为岩体极限承载力P，内摩擦角 为岩石内摩擦角；根据摩尔-库伦强度准则：

将σ_3B＝q代入(1)式得：

由极限平衡条件σ_3A＝σ_1B，得：

对主动破坏区A，根据摩尔-库伦强度准则，有：

将(3)代入(4)得：

由σ_1A＝P，巷道两帮底板极限承载力P为：

若巷道底板不采用任何处理，即q＝0时：

借鉴双折减系数强度折减法提出底板强度折减系数η，折减后内聚力c^*＝ηc，内摩擦角可得：

考虑巷道开挖后的支承压力峰值系数k，巷帮承受的载荷为P₁：

P₁＝kP₀ (9)

式中，P₀为巷道原岩应力，单位为MPa；

则巷道底板稳定性判据为：

(2)确定巷道底板破坏范围

当巷道底板破坏，建立底板破坏范围计算模型，其中，L为巷帮下部底板极限平衡区宽度，单位为m；r₀为主动极限区与过渡区共线oc边长，单位为m；r_θ为过渡区螺旋半径，单位为m；h_bd为巷帮底板破坏区深度，单位为m；h_dmax为底板最大破坏深度，单位为m；l_max为底板破坏最深点位置与煤帮的水平距离，单位为m；

由于△oac和△bod为等腰三角形，则有ac＝oc＝r₀，可得：

主动极限平衡区A和被动极限平衡区B的滑移线为两组直线，主动区滑移线边界角被动区滑移线边界角而过渡区C的滑移线一组为对数螺线；其中心点为O，曲线方程为：

式中，θ为r_θ与r₀之间的夹角，单位为度；

由于△oac和△bod为等腰三角形，可得：

∠cod＝π-α-β＝π/2 (12)

则，过渡区的巷道底板破坏深度为：

当时，h_d达最大破坏深度，简化得：

可得：

将(16)代入(14)可得底板最大破坏深度为：

当时，帮脚处底板破坏深度：

将(10)代入(17)和(18)，得：

由(19)可以求得：

进而得到在一定时，底板岩体破坏最大深度与煤帮极限平衡区宽度成线性增长；

巷道底板破坏最深处与巷帮的距离l_max为：