文摘
巷道顶板巷道的稳定性是一个关键因素。目前,顶板稳定性的分析主要是基于数值计算和现场测量理论基础相对较弱,屋顶上的加载机制研究不足。本文直接直接顶板的力学计算模型的均布荷载下矩形煤巷。屋顶上的应力分布和顶板沉降计算理论和数值计算,验证了物理试验和工程应用。解决方案基于经典梁理论、应力分布和沉没的薄直接顶在均布荷载和验证了数值计算。结果高度一致。两种类型的屋顶薄直接失败均布荷载下进行了分析:正常的失败引起的截面底部拉应力和倾斜的失败部分的综合效应引起的腹部地区的拉应力和压应力。薄直接顶稳定性的矩形均布荷载下煤巷道进行了测试在1905年代采矿巷道的长城号# 3煤炭挖掘场。本研究可以进一步填写空白的加载机制巷道屋顶和提供理论和实际值来控制巷道压力和岩石地层以及科学引用地脚螺栓的设计支持系统。
1。介绍
在煤矿巷道顶板的稳定性的关键之一是保证矿井安全、高效生产。然而,现有的研究没有提供一个明确的稳定机制和足够的理论对巷道顶板的支持系统(1- - - - - -5]。在最初的研究巷道围岩稳定、围岩的自给能力常被忽视。暂停或螺栓支持发挥作用提供了支持抵抗巷道的表面(1,6,7]。随着地脚螺栓技术的发展,人们逐渐认识到,巷道围岩的压力主要是由围岩本身与周围岩石作为主要装载车和支持系统作为二次装载车8,9]。巷道的围岩的承载能力是首先提出Terzaghi理论(10]。Protodyakonov理论(11)表明,对支持系统的压力源于重量的松散的岩石拱围岩的坍塌。奥地利的方法(12]理论表明,围岩的self-bearing能力扮演着主导的角色在实现围岩的稳定性。奥地利方法的核心思想在于利用围岩的self-bearing能力支持巷道围岩,形成一个综合支持系统以及外部支持结构通过专注于围岩的self-bearing能力(13]。
作为研究对巷道围岩稳定性的进一步发展,人们意识到某些包含在巷道围岩承载结构,有利于优化巷道围岩的(14]。萨拉蒙等人提出的能量支持理论,认为巷道的支护结构和围岩相互作用和变形。Man-chu [15)进行了非连续变形分析(DDA),发现的交替布局高预紧长时间运行和短螺栓实现高的支撑结构稳定的关键。此外,螺栓在径向模式可以达到更好的控制比垂直巷道顶板的模式。陈等人。16]认为围岩实质性self-bearing能力,表明外部支撑结构的有限的配角。很多因素能导致围岩的压力包括隧道的埋深、隧道尺寸和形状、物理力学性能和灵活性的支持系统。赵et al。17]分析地脚螺栓的约束的可扩展性隧道岩石通过分析岩体之间的交互膨胀螺栓在地下工程的支持和建议,地脚螺栓支承系统可以有效地改善压力环境相邻隧道和抑制高压力的岩石在该地区的扩张压力较低。
在目前的研究需要改进。所有研究结果未能包括煤体的强度参数,往往影响围岩的承载能力。一些参数不能获得,导致之间的差距理论和现场应用。没有量化的诗律,准确性是有问题的。摘要薄直接顶板的力学计算模型建立了矩形煤巷均布荷载下分析背后的机制屋顶倒塌。此外,该结果应用于现场核查。
2。应力理论计算矩形薄立即屋面均布荷载下的煤巷道
2.1。理论计算模型
薄直接顶的道路,为研究对象,熊的均布荷载,通常源于顶部岩层的重量,在双方横向水平应力。屋顶也熊煤炭强加的垂直压力和剪切应力的身体。应力分布首先增加和减少随后从巷道中心,相当于节中提到的轴承负荷和压力3,不同的方向(18]。均布荷载下的薄直接顶视为梁结构在平面应力下,显示在图1。
负载对瘦煤直接顶的身体可以计算基于方程(1)。然而,相对于坐标图1坐标图2感动b向左/ 2的长度,从而导致一个新的方程计算负载对瘦煤直接顶的身体,提供如下(19]: 在哪里 。
2.2。计算
2.2.1。负荷强度、剪切力和力矩的薄立即屋顶矩形均布荷载下煤巷道
与经典梁理论相比,薄不仅直接屋面均布荷载下熊垂直荷载也底部的剪切应力负荷由于煤炭身体外侧(20.]。图2演示了一个放大的部分x点从原始点,从梁如图中选择1。F问和米问指左横截面的剪切力和时刻,分别。当x增加了维x,F问和米问是增加了维F问和d米问相应的行动。
内力包括在选定的部分都是积极的。后 和 ,得到以下方程: 在哪里米薄的中心矩立即屋顶,N·m和h薄的厚度直接屋顶吗米。
后跳过高阶跟踪 ,内力可以表示如下:
2.2.2。水平应力均布荷载下的薄直接顶的矩形煤巷道
根据方程(4),内部的剪切力薄立即屋面均布荷载下可以表示如下: 在哪里K1和K2参数被确定。
积分方程(5),薄的弯矩立即得到均布荷载下屋顶的如下: 在哪里K3和K4参数被确定。
薄的时刻直接屋顶继续当 和 。在方程(6),K3和K4计算如下:
薄的水平应力直接顶在巷道宽度得到如下:
考虑薄上的横向载荷的影响直接的屋顶,水平应力计算如下:
2.2.3。沉积薄立即屋面均布荷载下的矩形煤巷道
薄的沉积直接顶在巷道宽度满足以下方程: 在哪里是薄的偏转立即屋顶(沉积),米;E是薄的弹性模量直接屋顶,绩点;和我惯性矩,米4。
薄立即屋顶采用对称结构中心零位的一团。屋顶的沉积计算基于方程(10)如下: 在哪里K5是一个参数待定。
这个问题是一个无限的超静定问题,需要测定煤的身体两侧的垂直位移在解决方案。为了简化计算,假设变形煤体内某处是零的变形协调条件,得到以下方程: 在哪里x问是变形假定为零的点的塑性区。
x问取决于煤层内的塑性区宽度。当煤的硬度很高,一个相对较小的值x问被选中时,相当于巷道宽度的一半。在低硬度的情况下,零变形深的煤层区域迁移,导致以下方程: 在哪里η是一个参数待定。
屋顶的沉积计算如下:
在面板应变下,屋顶的沉积计算如下:
3所示。数值计算和验证的薄的压力立即屋顶矩形均布荷载下煤巷道
基于FLAC3D软件建立了一个模型,其尺寸是100×30×1米。路的尺寸是4.8×4米与3 m的屋顶和23米,构成共36000户,如图3。顶部,底部,左,和右侧的模型是固定的均布荷载2.5 MPa顶部,不含煤层的重量。
的垂直应力和水平应力均布荷载下的屋顶薄直接显示在图4。
(一)
(b)
如图4横向支承压力峰值系数是1.75和塑性区宽度在3.72米通过理论计算。对于认为直接顶厚度5.8米,数值计算表明,垂直应力峰值系数薄直接顶为1.64,而理论计算表明塑性区宽度为3.46米。理论和数值计算比较,见图5。
作为显示在图4,薄的水平应力直接屋顶是一致的,包括理论计算结果和数值计算结果为5.8 m的厚度薄立即屋顶。最大的区别是限制在0.67 MPa。然而,在3米的厚度薄的情况下立即屋顶,最大的区别是高达5.2 MPa。
相对较大的差异在3 m的厚度薄立即屋顶是由所选的值α。在理论计算,α得到平衡的基础上垂直接触表面的应力,外侧的曲线被分为两个部分:积极的指数函数在左边右边和消极的指数函数。然而,数值计算表明,上述曲线之后在5.8米的厚度薄立即屋顶。当薄直接顶的厚度是3米,上下观察周围的压力峰值。积极的横向垂直压力被选中。图6提供了详细的横向垂直应力分布。
根据图6薄的厚度时,立即屋顶3 m,观察波动压力峰值。压力波动导致的计算参数的公差α的宽容,导致横向垂直应力分布。为了解决这个问题,引入了一个校正因子。修正后的结果与数值计算的比较进行,如图7。
根据图7校正因子为1.5,两个计算取得了最接近的结果。因此,对于薄直接顶,垂直压力的波动引起的宽容需要纠正获得准确的结果。
4所示。破产机制的分析均布荷载下的薄直接顶矩形煤巷道
均布荷载下的薄立即屋顶会导致更高的正截面失效的可能性。另一方面,一个厚直接屋面均布荷载下会导致更高的一个斜剖面失败的可能性。以下从两个角度进行分析包括正截面和斜截面。
4.1。分析正截面破坏机构的薄立即屋顶矩形均布荷载下煤巷道
以下4.4.1。部队的正常部分薄立即屋面均布荷载下
当负载对薄立即屋面均布荷载下相对较小,内部时刻薄直接顶相对较小,其力量是类似于均质弹性体梁。加压区和拉伸的应力分布区域形成了一个三角形的形状,显示在图8(一个)。
(一)
(b)
(c)
(d)
当负载对薄直接顶在均匀负载的增加,拉伸区域的应力分布趋于弯曲而不是保持一条直线,这是由于岩石的压缩能力高于抗拉能力。拉伸区域应力分布的曲线发展向中性轴。当那一刻达到的应变极限拉伸区边界,将打破正常的部分,见图8 (b)。这时,加压带的应力分布仍接近一个三角形的形状,而拉伸的应力分布区域已经发展成为一个曲线。
预防的关键的失败的正常部分薄直接顶底部在于控制地层压力。桁架结构或螺栓(电缆)以及可以使用钢带。最理想的情况是确保屋顶薄直接经历失败在加压区和拉伸区域,同时充分利用self-bearing容量的岩层。当裂缝发展的较低部分薄立即屋顶,负载由拉伸区域转移到领带棒或钢带(参考中的钢筋机制引导酒吧和混凝土梁施工;和领带杆桁架结构或钢带和阶梯梁在标准螺栓相当于钢筋抗拉钢筋的钢筋和混凝土结构)。领带棒或钢带往往承担更高的力量。与此同时,中性轴向上移动,将领带棒和钢带张力。加载层展示了更多的塑料特性,导致弯曲应力分布,显示在图8 (c)。
当负载对薄立即屋面均布荷载下达到极端时,领带棒或钢带往往产量,导致剧烈的沉积薄立即屋顶和部分失败,显示在图8 (d)。
4.1.2。崩溃的机理均布荷载下的薄直接顶
引用失败的混凝土梁,薄立即崩溃的屋顶可以分为三类:加强梁失败,over-reinforced梁失败,和low-reinforced梁失败,如图9。
(一)
(b)
(c)
加强梁失败是特色与早期产量的领带棒或钢带。节不休息,直到层负载区边缘压碎,这是归类为韧性失败。领带棒和钢带了剧烈的塑性变形过程中,导致的沉积薄立即屋顶,显示在图9(一个)。这种类型的失败往往是伴随着早期预警。over-reinforced梁失败是特色与早期破碎地层的负荷区没有领带棒或钢带的产生。发生故障突然由于破碎地层的没有任何明确的警告,这是归类为脆性破坏,显示在图9 (b)。low-reinforced梁故障,故障一旦拉伸岩层产生裂缝,这是归类为脆性破坏,显示在图9 (c)。
4.2。崩溃机理分析矩形薄立即屋面均布荷载下的煤巷道
主拉应力和荷载应力均布荷载下的薄立即屋顶上可以表示,分别如下: 在哪里主拉应力,MPa,是主要的荷载应力,MPa。
当俯瞰底横向剪应力的影响上的负载内部剪切应力、剪切应力的中心屋顶薄立即可以表示如下: 在哪里是薄的剪切应力直接屋顶,MPa。
主拉应力和梁之间的角度轴可以表示如下: 在哪里是主拉应力和轴之间的角度。
薄的主应力轨迹直接屋面均布荷载下可以在图进行描述10。
积极的压力低和高剪切应力都观察到中性轴拉应力方向45°原则。当负载增加瘦立即屋顶达到地层的强度极限,裂缝发展。斜裂缝是沿纵向拉应力原理开发的腹部,被任命为腹部剪切斜裂缝。从主应力轨迹,拉应力接近道路原则主要是水平方向上。没有任何额外的支持,短期和垂直裂缝倾向于发展,慢慢扩大到负载区,称为弯曲剪切斜裂缝。
剪跨比反映了相对比斜截面上的正应力和剪切应力,表明的相对比率弯矩截面的剪切力在某种程度上,该基金持有一个决定性意义的失败斜剖面,可以表示如下: 在哪里剪跨比。
在薄的中心立即屋顶,屋顶失败的时刻起着至关重要的作用,导致高正截面失效的可能性。由于在屋顶双方剪跨比越低,短圆筒的主应力轨迹遵循一个模式,导致高斜剖面失败的可能性。换句话说,斜剖面的地层往往是切成小腹部斜柱单元的剪切斜裂缝,最终失败。的承载能力相对较高的这种类型的失败,这取决于地层强度的负载和归类为脆性破坏。
一些以前实验中也验证了倾斜薄的失败直接屋面均布荷载下,显示在图11。尽管一些偏离测试条件和理论计算,一般的模式和规则是一致的。
(一)
(b)
(c)
在模拟演示图(11日),小薄立即巷道顶板裂缝发展,表明正截面薄直接顶的失败。然而,由于约束产生的钢带、裂缝发展被限制在一个相对较小的宽度。原则拉应力导致斜剖面的失败,这是类似于斜向加载的失败。明显损坏的地层中可以观察到前视图的底部角落的屋顶。失败后,裂缝持续增长受到拉应力原则。由于斜锚定螺栓,没有出现崩溃;只有裂缝发生。实验显示在图11 (b)模拟道路两侧和屋顶。相比之下,图(11日)观察,下面的差异。①没有观察到裂纹在屋顶中心由于不均匀分布载荷引起的不同的加载方法,导致低负载在中心和高负载。②斜裂缝顶部底部向中心移动。巷道运动可以评估基于黑色线条图11 (b),这表明巷道运动有影响的裂缝发展薄直接顶和进一步薄直接顶板的稳定性的影响,未能被包含在上述理论计算。图11 (c)演示了物理模拟测试困难和薄的屋顶。五倍的原始垂直应力(原来的垂直应力约为17.5 MPa)对屋顶,导致通过斜裂缝的发展。尽管螺栓,崩溃仍然发生在拱的形状。三个实验说明了失败的斜剖面薄立即屋顶。通过斜裂缝的发展没有足够支持会导致屋顶倒塌。
5。参数分析的最大拉应力均布荷载下的薄直接顶的矩形煤巷道
薄直接顶的最大拉应力位于薄直接顶板的中心。当拉应力超过地层的抗拉强度,正常部分很容易出现故障。因此,最大拉应力在屋顶中心被选为参数分析的屋顶厚度5.8米,以避免横向垂直压力波动,显示在图12。中包含的基本参数是相同的数值计算模型。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
根据图12其他参数保持不变时,(1)煤炭内摩擦角和凝聚力,接触表面的摩擦角和凝聚力,支持强度(0∼0.1 MPa),和巷道高度最大拉应力的影响有限;(2)的厚度薄立即屋顶有一个相对较高的影响最大拉应力;随着屋顶厚度增加,最大拉应力相应减小;经典梁理论不再适用于屋顶与极端的厚度由于增加公差;(3)巷道宽度有显著影响的最大拉应力薄立即屋顶;随着巷道宽度的增加,最大拉应力近似线性增加。
6。工程验证薄直接顶稳定性的矩形均布荷载下煤巷道
均布荷载下的薄立即屋顶主要适用于薄基岩下的巷道,巷道hard-immediate屋顶。工程验证是在1905年代进行的采矿巷道的长城号# 3煤炭挖掘场。
1905年代采矿巷道的长城号# 3煤田位于号# 9煤层的道路总长度2665米,12∼24°是谁的倾斜角,平均17°。1905年代运输条目的埋深约700米与600米采矿巷道埋深。固体煤是围绕工作的脸。详细的工作表面是显示在图13。
1905年代采矿巷道的直接屋顶是由石灰石,其力学性能表中列出1。
根据表11905年代,巷道顶板具有较高的硬度,满足条件的薄立即屋顶。然而,需要更多的参数计算部队出生的屋顶。水平应力被等同的垂直压力。煤煤岩块的凝聚力为1/2。凝聚力的煤接触表面为岩石的块的1/10。煤岩体摩擦角的煤岩块被等同。岩石接触表面的摩擦角是10°与峰值应力系数2。水平应力的理论计算中心的薄立即屋顶如图14。
根据图141.2米,面积从屋顶中心是拉应力区当不进行开采。在采矿、巷道生了一个更高的负载。屋顶的在较低的部分拉应力超过了抗拉强度,将线性分布转变为向中性轴曲线分布。当拉伸区域边界的拉应力达到极限,部分裂缝。防止裂缝的发展,螺栓安装在网站上加强顶板的稳定性。
1905年代的部分air-returning巷道采用斜长方形的形状截面宽度为5400毫米,3910毫米,低和高的4680毫米。支持巷道锚索和净,锚杆Φ22毫米×2400毫米高强度螺栓,钢托盘是150×150×10毫米,每个锚有两个MSK2835树脂墨盒、行间距螺栓是1200×1200毫米,屋顶W钢带是5200×280×3毫米,高(低)钢带是2600(1400)×280×3毫米,顶部钢链锚索Φ17.8×6500毫米,每四个MSK2835树脂墨盒,钢板是300×300×12毫米,和行间距为2400毫米,两个每一行。介绍了锚杆支护的主要参数表2。
力1905年代的屋顶上的螺栓运输条目通过测力计测量现场和呈现在图17。
(一)
(b)
数据显示15来17,得到了以下结果:(1)相对较弱锚定支持系统,两个道路限制下一次性开挖的变形效果。1905年代运输条目的屋顶淀积约为180毫米,而1905年代air-returning道路经历了沉积120毫米,这是与理论计算一致。(2)螺栓上的部队经历有限方差50米以外的工作面。螺栓上的部队经历了一些增加工作面在50米,高达30 kN。增加相对较小,这表明垂直变形的支持范围内围岩的螺栓是有限的,验证的选择经典梁理论研究屋顶稳定在这个研究。
7所示。结论
(1)的应力分布和沉积薄立即屋顶矩形均布荷载下煤巷道是通过理论计算获得的。(2)的应力理论计算和数值计算薄直接顶在均布荷载下得到比较一致的趋势,尤其是在5.8米的厚度薄立即屋顶。然而,理论计算和数值计算结果之间的差异在3 m的薄厚度相对较大的直接的屋顶,这是由于观察到的波动在侧向支承压力峰值,导致公差参数之一。校正因子的引入后,差异都显著降低,呈现之间的一致性的理论计算和数值计算。(3)薄的两个失败直接顶在均布荷载下确认:正常的截面底部拉应力引起的和失败的斜剖面的综合效应引起的腹部地区的拉应力和压应力。(4)最大拉伸应力的参数分析的基础上,理论公式表明,煤炭内摩擦角和凝聚力,接触表面的摩擦角和凝聚力,力量的支持,和巷道高度对最大拉应力的影响有限。薄的厚度直接顶有一个相对较高的对最大拉应力的影响。随着屋顶厚度的增加,最大拉应力相应减小。经典梁理论不再适用于屋顶与极端的厚度由于增加公差。巷道宽度有显著影响的最大拉应力薄立即屋顶。随着巷道宽度的增加,最大拉应力近似线性增加。(5)薄立即屋面均布荷载下的稳定性进行了验证和1905年代采矿巷道的长城我号码# 3。在大多数情况下,硬度高的薄直接顶是稳定持续。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究得到了国家自然科学基金(批准号。51674119、51804119、51804119)。