CN107503795B - 一种回采巷道底板破坏范围的确定方法 - Google Patents
一种回采巷道底板破坏范围的确定方法 Download PDFInfo
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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
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hd;主动契体A上的最小主应力为σ3A,最大主应力为σ1A;被动契体B上的最小主应力为σ3B,最大主应力为σ1B;根据极限平衡条件,σ3A=σ1B;A区底板最大主应力为垂直应力σ1A,B区最大主应力为水平应力σ1B;
巷道底板稳定性分析:
被动破坏区B的最小主应力为σ3B=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σ3B=q代入(1)式得:
由极限平衡条件σ3A=σ1B,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σ1A=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;rθ为过渡区螺旋半径,单位为m;hbd为巷帮底板破坏区深度,单位为m;hdmax为底板最大破坏深度,单位为m;lmax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rθ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,hd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lmax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hd;主动契体A上的最小主应力为σ3A,最大主应力为σ1A;被动契体B上的最小主应力为σ3B,最大主应力为σ1B;根据极限平衡条件,σ3A=σ1B;A区底板最大主应力为垂直应力σ1A,B区最大主应力为水平应力σ1B;
巷道底板稳定性分析
被动破坏区B的最小主应力为σ3B=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σ3B=q代入(1)式得:
由极限平衡条件(σ3A=σ1B),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σ1A=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;rθ为过渡区螺旋半径,单位为m;hbd为巷帮底板破坏区深度,单位为m;hdmax为底板最大破坏深度,单位为m;lmax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rθ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,hd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lmax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l1max+l2max<W0,则巷道底板成“W”型破坏,破坏深度相对较小;若l1max+l2max≥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l1max=l2max=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Lmax≈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hw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lmax=0.5W0=2.5m,由公式(22),巷道底板最大破坏深度hdmax=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hbd=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:受岩体极限承载力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;底板岩体破坏最大深度为hdmax;主动契体A上的最小主应力为σ3A,最大主应力为σ1A;被动契体B上的最小主应力为σ3B,最大主应力为σ1B;根据极限平衡条件,σ3A=σ1B;A区底板最大主应力σ1A为垂直应力,B区最大主应力σ1B为水平应力;
巷道底板稳定性分析:
被动契体B的最小主应力为σ3B=q,主动契体A的最大主应力为岩体极限承载力P,主动区滑移线边界角 为岩石内摩擦角,c为内聚力;根据摩尔-库伦强度准则:
将σ3B=q代入(1)式得:
由极限平衡条件σ3A=σ1B,得:
对主动契体A,根据摩尔-库伦强度准则,有:
将(3)代入(4)得:
由σ1A=P,岩体极限承载力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,折减后岩石内摩擦角可得:
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;rθ为过渡区螺旋半径,单位为m;hbd为巷帮底板破坏区深度,单位为m;hdmax为底板岩体破坏最大深度,单位为m;lmax为巷道底板破坏最深处与巷帮的距离,单位为m;
由于△oac和△bod为等腰三角形,则有ac=oc=r0,可得:
主动契体A和被动契体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的滑移线为一组对数螺线;其中心点为O,曲线方程为:
式中,θ为rθ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hd为:
当时,hd达最大破坏深度,简化得:
可得:
将(16)代入(14)可得底板岩体破坏最大深度为:
当时,巷帮底板破坏区深度:
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巷帮下部底板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lmax为:
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