急傾斜煤層巷道圍巖變形破壞機理及支護研究(修改稿)

1、急傾斜煤層巷道圍巖變形破壞急傾斜煤層巷道圍巖變形破壞機理及支護研究機理及支護研究1伍永平1，王俊超12，解盤石1，陳忠輝2（1.西安科技大學能源學院教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，陜西西安710054；2.四川廣旺船景煤業(yè)有限責任公司，四川宜賓625250）摘要：要：急傾斜煤層巷道支護大多采用單一的支護體系，巷道變形破壞嚴重.為了找出適合急傾斜煤層巷道的支護體系，對急傾斜巷道圍巖變形破壞特征進行了深入的分析。以趙家壩煤礦3964

2、運輸平巷作為研究對象，借助巖石點荷載試驗、圍巖松動圈測試和數(shù)值模擬軟件，對該巷道圍巖力學性質(zhì)、圍巖松動范圍、應(yīng)力分布、變形情況分別進行研究，得出急傾斜煤層巷道圍巖變形破壞機理，并通過工程實踐也取得了非常好的效果，為控制急傾斜煤層巷道穩(wěn)定性提供了科學依據(jù)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：急傾斜煤層；點荷載試驗；松動圈測試；數(shù)值模擬；圍巖變形破壞機理中圖分類號中圖分類號：TD353文獻標識碼文獻標識碼：ARoadwaySurroundingRockDefm

3、ationFailuremechanismsupptingresearchintheSteeplyinclinedseamWuYong—ping1WangJun—chao12XiePan—shi1ChenZhong—hui2(1.XianUniversityofScienceTechnologyKeyWesternChinaLabatyofMiningDisasterControlfMinistryofEducationXi’an710

4、054china；2.SichuanGuangwangChuanjingcoalLimitedLiabilityCompanysichuanyibin625250)Abstract:RoadwaydefmationwasdeeplydestructionasroadwaysupptmostlywasadoptedasinglesupptingsystemintheSteeplyinclinedseam.Indertofindoutthe

5、suitablesupptingsystemfsteeplyinclinedseamroadwaysurroundingrockdefmationfailureacteristicswasdeeplyanalyzedintheSteeplyinclinedseam.TakeZhaoXiangjiaba3964coalhaulagedriftastheobjectofstudy，roadwaysurroundingrocklooseran

6、gemechanicalpropertystressdistributiondefmationwerestudiedWiththehelpofpointloadtestofrockrockloosecircletestnumericalsimulationsoftware，toobtainroadwaysurroundingrockdefmationdestructionmechanisminthesteeplyinclinedseam

7、，Engineeringpracticehadachievedverygoodresults.Soitprovidesatheeticalbasisonthecontrolofsteeplyinclinedseamroadwaystability.Keywds:Steeplyinclinedseam；pointloadtestofrock；rockloosecircletest；numericalsimulation；Surroundi

8、ngrockdefmationdestructionmechanism1基金項目：國家自然科學基金項目（51074120）；陜西省教育廳重點實驗室項目（08JZ01，08JZ02）作者簡介：伍永平（1962），男，陜西省漢中市人，教授，博導，從事礦山壓力及巷道支護方面的研究。Email：136554061@Tel：18283116823根據(jù)點荷載測試數(shù)據(jù)，由平均點荷載強度指標和平均抗壓強度公式：nIInss??nn????得出老頂巖樣抗

9、壓強度為49.24MPa；直接頂巖樣抗壓強度為52.66MPa；煤樣抗壓強度為15.00MPa，底板巖樣的抗壓強度為42.18MPa。2圍巖松動圈測試圍巖松動圈測試巷道開挖前，地下巖體處于三向受壓平衡狀態(tài)。開挖后，該平衡系統(tǒng)遭到破壞，一方面圍巖應(yīng)力將進行重新分布與調(diào)整，另一方面巷道表面圍巖由原來的三向受壓變?yōu)殡p向受力狀態(tài)，其強度將大大降低。在開巷初期，由于巷道周邊產(chǎn)生很大的集中應(yīng)力，當其超過圍巖強度時，該處圍巖將發(fā)生破壞，導致圍巖承載能

10、力和所受應(yīng)力降低；之后，應(yīng)力峰值和圍巖破壞范圍向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移，直至達到新的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)為止。此時圍繞巷道的一圈巖層中將出現(xiàn)一定厚度的破裂區(qū)，這個破裂區(qū)稱為圍巖松動圈。大量研究結(jié)果揭示，巷道支護的主要對象是松動圈形成發(fā)展過程中的碎脹變形。松動圈厚度越小，圍巖碎脹變形就越小，巷道圍巖也越穩(wěn)定，支護越容易；相反松動圈越大，由此產(chǎn)生的碎脹變形量也越大，巷道圍巖就越不穩(wěn)定，支護越困難，因此有必要進行巷道松動圈的測試，以便更好的依據(jù)松動圈的范圍

11、進行巷道支護設(shè)計。2.1測試儀器測試儀器圍巖松動圈測試選用的是美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR20探地雷達，其精度高、性能穩(wěn)定、可靠。SIR20地質(zhì)雷達系統(tǒng)包括硬件（主機、天線、傳輸電纜等）和軟件（現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、后處理等)兩大部分。從數(shù)據(jù)采集、儲存、到數(shù)據(jù)處理都已實現(xiàn)數(shù)字化，邊采集數(shù)據(jù)邊顯示波形，數(shù)據(jù)后處理軟件功能強大，目前SIR20地質(zhì)雷達系統(tǒng)可用于工程地質(zhì)勘查。采用SIR20型多通道雷達透視儀，對趙家壩煤礦3964平巷圍巖頂、底

12、板及兩幫進行了松動圈探測，最大探測深度12m本次共設(shè)置4個測站，每個測站布置4條測線分別放在頂?shù)装逡约皟蓭蜕稀?.22.2探測成果分析探測成果分析根據(jù)所分析的結(jié)果，得到3964平巷圍巖松動范圍，見表2。對數(shù)據(jù)進行分析整理后，得到3964底板松動圈范圍為1.65~2.6m右?guī)退蓜尤Ψ秶鸀?.68~3.93m，頂板松動圈范圍為1.73~2.85m，左邦松動圈范圍為2.4~3.7m。從中可以看出，巷道左幫的松動圈范圍明顯大于右?guī)?，其原因是急傾

13、斜巷道上幫巖層在沿層面法向力作用下，向開掘空間移動，造成了急傾斜巷道上幫圍巖的松動圈范圍值較大。由此可知急傾斜巷道圍巖松動圈范圍呈現(xiàn)非對稱分布特征。表2松動圈測試結(jié)果Tap.2Loosecircletestresults測站測線編號松動范圍測站測線編號松動范圍第1測線2.5~4.0m第1測線2.0~2.4m第2測線2.1~4.2m第2測線2.7~3.2m第3測線1.2~2.3m第3測線2.0~2.4m一測站第4測線1.7~4.2m三測站

14、第4測線1.9~2.2m第1測線1.2~1.8m第1測線2.5~3.8m第2測線2.5~3.2m第2測線2.0~4.2m第3測線1.8~3.0m第3測線1.3~2.2m二測站第4測線3.5~4.3m四測站第4測線2.0~4.2m根據(jù)圍巖松動圈理論[7]，該巷道屬于Ⅴ類大松動圈不穩(wěn)定圍巖，其中左幫和右?guī)筒糠值囟芜_到了Ⅵ類大松動圈極不穩(wěn)定圍巖，結(jié)合圍巖性質(zhì)，巷道圍巖屬于破碎性軟巖。3數(shù)值模擬分析數(shù)值模擬分析通過數(shù)值計算分析了解3964巷道變

15、形破壞的基本特征，從而為得出急傾斜巷道圍巖的變形破壞機理提供依據(jù)。本次數(shù)值計算的方法為有限差分法，采用的計算程序為大型巖土工程專用軟件FLAC5.0[8]，利用該程序?qū)ΜF(xiàn)3964平巷的變形破壞特征進行了數(shù)值模擬分析，巷道斷面選取拱形作為典型進行研究。3.1圍巖應(yīng)力分析圍巖應(yīng)力分析圖4水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力云圖Fig.4Hizontalstressverticalstresscloudt巷道開挖后，圍巖應(yīng)力分布變化明顯，呈明顯的非對稱分布。從

16、水平應(yīng)力云圖可看出，巷道左幫水平應(yīng)力釋放明顯，在靠近幫部范圍內(nèi)（3m左右），圍巖應(yīng)力輪廓呈現(xiàn)半圓狀分布，隨著向深部延伸應(yīng)力輪廓呈不規(guī)律分布；巷道右?guī)偷蛻?yīng)力范圍較左幫??；底板亦存在小范圍低水平應(yīng)力區(qū)，頂部零應(yīng)力特征不明顯，高水平應(yīng)力集中區(qū)域處于巷道頂部直接頂與老頂?shù)慕佑|面上，且影響范圍較大，最大應(yīng)力值達到11MPa，右?guī)涂拷享數(shù)膸r體也出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，但應(yīng)力值較小。從垂直應(yīng)力特征中可看出，巷道圍巖應(yīng)力分布特征與巖層賦存特征具有明顯的一致