文摘

在弱胶结隧道软岩地层,岩性、岩层的关节,骨折发挥重要作用在控制整体屋顶巷道的稳定性。基于弱胶结的案例研究软岩在Bojianghaizi矿井巷道进行地址灾害造成的突然变化和崩溃以及困难弱胶结软岩石巷道的维护。首先,物理和机械性能弱胶结软岩石进行了x射线衍射矿物成分分析和扫描电子显微镜。第二,故障特征,分析了巷道的失稳机理结合实地调查和理论分析。裂缝发展的力学模型的复合顶板巷道,起始角和临界压力推导了裂缝发展。裂缝的稳定标准基于开裂角( )建立了。此外,屋顶下降造成的不稳定机制被披露。骨折后形成剪切破坏巷道的顶角。裂缝带的软层面扩展到分离层沿断裂传播角度和连接,从而诱导屋顶下降。在此基础上,高强度和high-preload“倒梯形”锚定mesh-beam字符串支承结构+拱形巷道截面垂直墙+全剖面喷浆耦合提出了控制技术,取得了良好的现场应用效果。

1。介绍

逐步开发的煤炭资源在中国mideastern,煤炭资源开发中心逐渐转移到中西部地区。由于青藏小板块挤压影响,华北板块和塔里木板块与煤系岩地层在中国中西部,广泛的弱胶结软岩地层中存在当地煤系岩地层(1- - - - - -3),这主要是通过围岩强度低、胶结性差,风化肿胀在水,容易不同岩层之间的分离层的发展。在这些地质条件,挖掘巷道的特点是大变形、高应变率与很长一段时间,这就增加了困难,巷道的支持。

弱胶结地层的隧道中,骨折和关节发生在相对较高的发展推进和后续服务时间。当巷道顶板熊强调,一个伟大的拉应力出现在下部,很容易导致不均匀的沉降。此外,软弱夹层胶部队存在由于复杂的屋顶结构,这很容易开发一个极端分离层。这种分离的空间域地层变化迅速从渐进扩展突然变化和屋顶falling-induced灾害,造成事故弱胶结软岩巷道(4,5]。许多专家和学者在中国和其他国家进行了理论和实验研究,以解决弱胶结的突然变化和屋顶falling-induced灾害软岩巷道维护控制以及困难。例如,张和江[6),Zhang et al .,赵et al,贾庆林等。7- - - - - -9]研究bending-induced不稳定机制的分层屋顶可分地层煤巷道和指出,它可以很容易地导致剪切应力集中在顶角由于层状顶板分离和弯曲,进而扩展到屋顶上坚硬的岩石地层和加剧的风险下降。郭Zhang et al ., et al .,和曹et al。10- - - - - -12)建立了系统的力学模型的岩石组合系统,其中包含夹层披露的失败和不稳定机制在巷道围岩夹层岩石和确定围岩稳定性判断指标。研究结果为层状岩石稳定性的控制设计提供了参考。考虑到分层屋顶结构特点full-coal巷道的大截面,Zhang et al。13,14]分离层的变形特征进行了分层屋顶后隧道通过使用状态非线性模拟层间接触表面的方法。基于软岩石巷道的变形破坏特征的分析,孟et al。15- - - - - -17]研究了围岩的变形破坏机制弱胶结软岩石巷道;他们也调查和监督在巷道围岩演化规律以及优化设计的支持。李等人。18]分析了矩形巷道的变形破坏过程的弱胶结软岩石,将仿真结果与现场监督结果。一些建议在横截面形状的选择和道路提供了支持。李和侯19)指出,一个半圆拱形巷道与垂直墙壁和锚定mesh-beam喷支护结构能有效改善围岩的物理和机械性能,提高围岩的承载能力。

虽然相关专家和学者研究软岩变形破坏特征和机制的巷道,弱胶结软岩的变形破坏特征的道路不同于普通软岩巷道。这是目前仍在探索阶段。基于矿物组成、空间特征和微观结构的弱胶结软岩石,本研究进一步探讨了巷道的内部变形失稳机理,建立了顶板不稳定的理论标准。研究结论提供理论参考的设计弱胶结的巷道顶板支护方案。

2。工程概况和岩性特征

2.1。工程概述

Bojianghaizi煤矿区位于东升,内蒙古。第一个工作面是113101,先进的2603米。表面的长度和矿区200米和520600米²,分别。# 3 - 1煤层稳定,属于单斜和大约水平结构。煤层的厚度是3.2 - -6.4米,平均为5.4 m。基本的屋顶medium-coarse砂岩,平均厚度为7.07米。直接底砂质泥岩,旧的底是5米厚的粉砂岩。地理位置如图1。

113101工作面现场屋顶坠落事故。屋顶下降部分的长度和最大高度14.6米和10.2米,分别。屋顶坠落地区就像一个倒扣着的碗,狭窄的上部和底部宽。屋顶上的四个孔钻在这个区域使用SGZ-IIIA钻探屋顶检测。现场钻探和调查的资料图如图2。

根据综合分析,巷道的屋顶由压碎岩段(0 - 3米),灌浆部分(3 - 6米),空的屋顶部分(6 - 10.2)和硬屋顶(> 10.2)。因此,屋顶失败的最大高度是10.2米,和空顶的最大距离是7.2米。钻井综合分析表明,岩性在屋顶的部分下降区底部的上方是煤炭、薄层泥岩和煤线,细砂岩、砂质泥岩。岩性脆,和完整的部分通常是水平的。电缆固定部分基本上是桑迪砂岩组成。明显的断裂表面和埋结构中存在下降的屋顶。两边垂直裂缝的发展,导致贫困形成的前后巷道屋顶下降和严重的墙屈服。特别是,最大的墙屈服在肩膀达到高达1.5米。针对现场钻井检测在屋顶,屋顶厚度的下降6 - 6.5米的范围内。换句话说,软弱的地层或夹层完全除了锚定电缆的有效支持范围。

2.2。岩性特征分析

可开采的煤层主要分布在侏罗纪和白垩纪地层。的平均单轴抗压强度细粉砂岩和砂质泥岩巷道围岩的29.9 MPa和24.1 MPa,分别。平均单轴抗压强度的砂质泥岩变化7.8 MPa,由吸水软化,软化系数达到0.32。

四个岩石样本收集屋顶和地板的煤层,砂岩和砂质泥岩。在所有岩石样本进行了XRD分析。砂岩和砂质泥岩的XRD谱图所示3。石英、长石、伊利石、高岭石和绿泥石主要矿物成分。扫描电镜下的岩石的微观结构特征(图4),形成多孔胶结砂结构和骨架结构是多孔的特性,叠加和失去。细黏土是随机分布的,白色的,温和的圆度。他们现在稍有棱角的,半圆的形状和大小不均匀,清晰的边缘。

换句话说,弱胶结的岩石的微观结构细胞,在不均匀的颗粒堆积在一起。大量的毛孔带来好连接。整个结构相对薄弱和展品岩石强度较低。粘土矿物是主导,高岭石占比例最高,特点是容易肿胀和解体。

3所示。不稳定机制和机械软轴分析弱胶结的岩石

老顶岩层的应力释放后隧道。由于合作行动的抗压、抗拉和剪切应力,不同的阶层有不同的变形。任意两个阶层之间的明显分离了,屋顶进一步弯曲。骨折形成顶角的道路。

3.1。裂缝尖端应力场分析

3.1.1。应力分布和强度系数的压缩剪切断裂

图5显示初始裂缝长2。受垂直压力的组合( )和水平应力( ),正常和切向应力断裂表面可以得到如下: 在哪里和是积极的断裂表面应力和切向应力,分别和侧压力系数。

在这种情况下,裂纹尖端的应力强度因子是20.]

3.1.2。应力分布和强度系数的拉伸剪切断裂

屋顶上的实际加载岩石梁通常不均匀,强度系数可以通过积分计算方法在这种情况下(20.]。结果如图6。

在这种情况下,裂缝尖端的应力强度因子 在哪里 在哪里泊松比。(1)水平,岩石梁的上部位置巷道熊积极向上和向下线性应力,如图7

这时,强度系数可以计算如下: (2)垂直,岩石梁的上部位置巷道熊左和向右线性剪切应力。在这种情况下,斜裂缝的应力分析如图8

因此,应力强度因子可以获得如下:

3.1.3。协作的多重压力下复合骨折

单元块矩形巷道顶板岩石梁的次级的协同效应有多个压力。根据应力叠加原理(21),复合断裂的强度系数计算通过使用应力叠加法(图9)。

根据文献[22),然后在裂纹表面拉应力行为;初始裂缝受到拉应力,然后成为广泛的裂缝。根据前面的分析结果,方程(2),(5)和(6)组合计算复合强度压力因素:

根据材料力学相关知识,和可以表示如下:

方程(7)和(8)组合如下:

3.2。复合断裂准则

在实际工程中,几乎所有的骨折都是复合类型。许多专家和学者在中国和其他国家进行了大量研究裂纹扩展方向的判断和临界荷载的扩张。其中,最大周向应力标准(主要用于23),假定如下:(1)当到达临界值 ,裂缝开始传播(2)复合裂纹的传播方向时的方向是最大的

根据上述标准,起始角裂缝的

最大周向应力的临界值是

3.3。分析断裂传播参数对巷道屋顶

弱胶结软岩的复合顶板巷道在第一工作面Bojianghaizi煤矿使用的案例研究。破损的标准应用的最大周向应力标准。我的第一工作面Bojianghaizi在地下540米,和净矩形巷道的断面尺寸 米宽度和 米高。根据主应力和实验测试,垂直压力、侧压力系数、岩石的泊松比,初始开裂角的岩石梁和横梁上均匀分布载荷 MPa, , , ,和 分别kPa。上述数值带入方程(10)和(11),导致数据的数据10- - - - - -14。

图10表明,随着地层厚度的增加,积极和剪切应力骨折逐渐减少。地层中的裂缝发展角减少,和骨折出现小角度的发展。在这种情况下,断裂的临界应力发展也下降。当上岩石的岩性束巷道相对较弱,弯曲和下沉的岩石梁变稠的直接顶板巷道容易发展连接断裂,从而导致屋顶坠落事故。因此,必须设计合理的支护结构,防止断裂传播。

图11表明,随着距离的增加岩石梁的两端,裂缝延伸的角度增加,临界压力减少。换句话说,骨折两端的岩石梁向大角度更容易传播。因此,一个斜锚杆或电缆的两端必须应用于巷道顶板,防止裂纹扩展。

图12表明,随着距离的增加岩石梁的两端,裂缝延伸的角度增加,临界压力减少。换句话说,骨折两端的岩石梁向大角度更容易传播。因此,一个斜锚杆或电缆的两端必须应用于巷道顶板,防止裂纹扩展。

如图13增加,裂缝发展角度逐渐随侧压力系数的增加,而临界压力逐渐下降。这个结果表明,水平应力的增加,岩石梁的大倾角下降的风险也增加。

4所示。巷道顶板的失稳机理分析

弱胶结屋顶薄层,层间粘结力较弱。屋顶开始弯曲和水槽的严重性上覆石头和水平应力,从而产生剪切力。时剪切位错发生层间剪力比层间剪切强度。当岩层较低的抗弯刚度高于上部岩层,它维护协调运动和分离层不明显;否则,该层是分开的。增加的层分离,屋顶进一步弯曲和剪切应力很容易生成的顶角的道路。剪切破坏发生在这个剪切应力超过岩石的抗剪强度在屋顶上。当剪切破坏形式裂缝顶角的巷道,这个裂缝带在一个角度向上延伸到深岩层。随后,裂缝带连接的软层面分离层或软软弱夹层,从而诱导屋顶下降。这个过程如图14。

根据不稳定机理分析,薄层屋顶弯曲,变形是由于死亡的双重行为负载和巷道的水平应力,从而产生剪切应力集中在顶角,造成剪切破坏。裂缝形成的顶角巷道。这个裂缝带延伸向上沿断裂传播角度的软层面的分离层软软弱夹层,然后连接,最后导致屋顶下降。

5。围岩控制和工程应用

5.1。巷道控制技术

由于合作的影响主要沉积和成岩作用弱胶结软岩石巷道,岩层的固结度低,伴随着胶结不良或岩石和弱层间附着力。岩石抗压和抗拉强度较低。由于后期构造抬升作用阶段,垂直和拉伸断裂岩层广泛发展,从而使岩石脆性,容易崩溃。基于前面的分析,关键控制变形和不稳定的弱胶结软岩巷道维护的连续性在分层岩石梁屋顶和防止软弱夹层的软化或层面上锚定的身体,控制分离层和抑制顶角失败的道路。

克服弱胶结软岩石巷道的变形失效,本研究提出了一种高强度和high-preload“倒梯形”锚定mesh-beam字符串支承结构+拱形巷道截面垂直墙+全剖面喷浆耦合优化支撑结构(图15)。围岩的self-bearing能力是充分利用,这不仅使围岩变形,也限制了变形。屋顶变得越来越稳定合作行动的过程中周围的岩石和锚固支护结构。

5.2。工程应用

验证支持技术优化后的可靠性,本研究探讨了这一技术的应用在现场试验工作面回采巷道的#煤层113102 # 3 - 1。进一步阐述优化支持计划的影响在屋顶的分离和挠度控制,研究了巷道顶板的内部结构使用TS-C0601钻成像仪在巷道先进了10个月。结果如图16。

通过钻成像,白色裂缝附近发现了1.6年的上部位置的屋顶,分离层。分离层的大小大约是6 - 7毫米。此外,一个环形的黑色区域在一定范围内发生在多孔墙,这是6.2在屋顶上的位置附近,和分离层的大小大约是7 - 10毫米。在实验部分,在巷道顶板围岩相对积分,没有明显的开床上用品和屋顶的分离值很小。裂缝还未连接,进一步证明了优化支护结构能有效地控制分离层,裂缝发展,和屋顶连接,从而提高整体结构的屋顶。

6。结论

(1)根据实验室测试的矿物成分和结构分析的屋顶,弱胶结的岩石通常形成一个弱结构和岩石强度较低。此外,粘土矿物的主要矿物成分。高岭石占比例最高,肿胀和解体的特点在水里(2)断裂的力学模型开发的复合顶板巷道构造,从而获得了裂缝发展的起始角和临界压力。临界开裂角( )屋顶获得根据裂纹扩展的应变能密度因子(3)通过工程案例研究中,关系的岩石梁高度、跨度巷道,裂缝发展角度的岩石梁裂缝发展趋势和临界应力裂纹扩展的披露。在此基础上,屋顶坠落在巷道的失稳机理是总结。剪切破坏发生在巷道的顶角,从而形成裂缝。裂缝带延伸沿一定角度的软层面分离层或层面,最后连接较弱,从而导致屋顶下降(4)高强度和high-preload“倒梯形”锚定mesh-beam字符串支承结构+拱形巷道截面垂直墙+全剖面喷浆耦合优化支护结构提出了解决弱胶结软岩石巷道的变形破坏。根据现场试验结果,这种优化的支撑结构可以有效地控制巷道的分离和变形,从而大大提高围岩的稳定性

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突,关于这篇文章的出版。

确认

这项研究是由重点实验室开放研究基金项目的安全和高效的煤炭开采教育部的中华人民共和国(JYBSYS2021202),西方的研究高层次人才创业费用安徽大学(WGKQ2021071),国内研究访问和培训项目为优秀青年骨干教师安徽省高校(gxgnfx2020096)和省级质量工程项目的学院和大学安徽省教育部(2020 jyxm2153和2020 szsfkc0953)。