文摘

道路与保留底煤厚煤层回采巷道中很常见,和地板膨胀是一个突出的问题。在这项研究中,基于地板和之间的交互的两面roadway-surrounding岩石,建立了文克尔弹性地基梁模型,分析了底鼓的问题。3 dec模型被用来分析故障范围,失效模式,和移民法律的floor-surrounding岩石具有不同底煤厚度和煤炭的身体优势。结果表明,(1)底部的厚度的增加煤导致巷道一侧的刚度减少煤炭的身体(支持的基础岩层)和弯曲变形范围的增加,层岩石梁变形的数量,和挤压的力量。这将导致扩大范围的煤体内挤压的地板岩层,导致额外的失败和变形煤的身体两侧。因此,损伤层岩层是扩展和提高。(2)地板的扩张承压拱和拱围岩巷道底鼓发生的原因是与保留底煤在煤巷道深处。(3)由于底部的厚度的增加煤和煤体内的力量,减少地板承压拱扩展到更深的部分;因此,在拱围岩变形的范围和失败的增加,导致巷道底鼓发生增加。现场实践表明,支持战略的“高预应力锚杆强(电缆)支持双方在时间和底部角落”可以有效地控制巷道的底鼓与保留底煤。

1。介绍

近年来随着更深层次的发展煤炭资源(1- - - - - -3],巷道埋深的增加。深公路占道路挖掘中国每年的30%,其中70%需要修复由于大变形,大大增加生产成本(4]。相比于屋顶和两侧,巷道层通常表现出更大的变形,因为它经常缺乏支持(5,6]。道路与保留底煤厚煤层开采中经常使用,和他们的软弱层底鼓发生可能导致非常严重的(7]。

有两个主要因素导致煤矿巷道层起伏。第一个因素,原位压力,是一种由贪婪导致的局部应力巷道开挖。径向卸货和剪切载荷是围岩变形和破坏的主要原因(8- - - - - -10]。地板,增加水平原位压力的初始值切线stress-aggravates岩体的变形和破坏(11,12]。巷道底鼓也从煤矿开采引发的应力活动(13,14]。第二个因素包括地板上岩体的特点;高弹性模量和强度的地板岩体巷道底鼓发生减少。然而,地板岩体不连续的增加导致巷道底鼓发生增加(7,15]。地板岩体也恶化水从地板上和道路穿过断层破裂带(16,17),进一步加大底板隆起(18]。

控制巷道底鼓应该从上面列出的两个因素(19,20.]。第一个是应力控制。优化开采布局和实现插在地板上可以减少地板上岩体的应力水平,从而控制底鼓(21]。另外,底鼓也可以减少强化地板岩体。地板上岩体的强度可以提高通过安装地板螺栓(22- - - - - -24),构建一个具体的反拱(25,26),或修改层灌浆(27,28]。

上面引用的论文大多只关注地板本身。然而,地板和围岩应该被理解为一个单元。因此,屋顶和巷道变形和破坏的方面也会影响地板(29日]。此外,很难加强地板上钻孔安装螺栓或修改地板灌浆,并构建一个具体的反拱是昂贵和费时。因此,底鼓的机理应该进一步研究开发更有效的支持方法。

巷道底鼓发生累积超过2 m在矿业020202号青云煤矿的巷道,山西省介休。巷道底鼓是由删除底部煤和添加螺栓和电缆巷道底部的角落。

本研究采用理论分析、物理相似模拟和现场观察,全面评估的演化机制和控制底鼓与保留底深巷道煤。本研究建立了一个力学模型来评估的影响下煤岩石变形和破坏的地板上使用的020202号后挡板青云煤矿为研究主题。进化机制引起的底鼓巷道的地板膨胀与保留底煤是使用数值模拟研究。新支持的方法和参数,提出了基于地面岩层的变形和迁移。现场应用证实,巷道底鼓控制方法使用新的支持。

2。项目背景

青云的020202工作面煤矿2号煤层开采。没有采矿活动或在工作面采空区,如图1。我青云的020202号后挡板的埋深792 - 810米,它作为一个深埋巷道围岩分类(30.]。沿着屋顶的道路被发掘的2号煤层的宽4.5米,高3.8米。采用锚杆支护系统,包括岩石螺栓长度为3000毫米,直径20毫米,约10 - 20的预加载kN,,行间距为800毫米(11每行岩石螺栓),以及电缆的直径17.8毫米,长度6200毫米,大约50 - 60的预加载kN,行间距为1600毫米(8电缆每一行)。周围的岩石的物理力学性质表列出巷道1。

在挖掘之前,020202号后挡板的变形严重,大位移的双方巷道底鼓发生和严重的。然而,屋顶被完成,其位移很小。巷道底鼓发生累积超过2 m,如图2,严重限制了安全生产。

地板的厚度煤巷道020202号是1.3米。地板地面起伏引起的煤破碎只是0.26粉碎膨胀系数为1.2,远低于累积巷道的底鼓。因此,地板的变形和破坏岩石的道路是不可避免的。地面起伏不仅与地板的变形本身,而是也与双方的变形。围岩的低强度起伏双方还增加了地板上。

3所示。地板的变形和破坏机理与保留底深巷道煤

3.1。反向地基模型巷道的地板上

岩石巷道挖掘时,地板梁弯曲地应力的作用下巷道。因此,一个弹性地基梁模型用于分析巷道变形的地板上,如图3。煤炭的身体在巷道的双方是弹性地基(屋顶是困难的和固定,所以它可以假设屋顶变形很小)。岩石梁与地基弹性地基模型中使用弹性的身体。为了简化半定量的分析条件,煤体的弹性模量在巷道的塑性区是近似的。

假设岩石和煤在地板上符合文克尔地基假设31日),垂直力煤体内满足下列条件: 在哪里煤层的垂直力,煤层的地基系数,的变形引起的煤层吗 。

根据得票率最高的解决方案,描述层岩石梁弯曲变形的微分方程(32)如下: 在哪里是地板的硬度的岩石地层,是完整的煤的地基系数的身体,的系数是煤炭的身体之间的平行的基础支持和底部煤不支持,接触层岩石梁的荷载,接触层岩石梁的荷载,接触层岩石梁的荷载,是压力的函数公式在地板上岩石梁,是压力的函数公式在地板上岩石梁,煤层的变形,巷道的宽度的一半,巷道的塑性区宽度,是压力区巷道的宽度增加。不考虑当整个刚性位移加载,加载可以计算如下:

表达式可以使用微分方程得到。

当采用弹性地基梁模型,它必须假定塑性区两边的道路 遵守法律的弹性变形。地基系数是在弹性区和在塑性区,如下: 在哪里是基础系数后的安装螺栓的支持,然后呢是基础底部系数煤的塑性区没有锚杆支护巷道的两面。应该注意的是,地基系数的值煤壁的塑性区表示平均系数经验值小于基础完整的煤的身体。

一般来说, 在哪里基础的厚度,是基础的弹性模量和等效弹性模量的煤的身体支持的螺栓可以根据以下公式计算33- - - - - -35]: 在哪里螺栓的直径,螺栓的刚度,和分别是径向和轴向螺栓间距。

在方程(9等效弹性模量),是由煤的弹性模量的塑性区和锚杆支护的刚度。如果螺栓支持实现前围岩的塑性变形,然后双方的煤的塑性变形的身体可以有效地限制。因此,煤体的弹性模量增加,更好地控制围岩的变形。

当 ,没有支持,没有塑料失败的煤炭。半无限地基梁的位移在未知的时刻和剪切力下,和 ,在 如下: 在哪里 , , ,和函数公式,是一个常数,这里所描述的那样:

如图3,半无限梁的位移分布载荷下也应该被考虑。

当 ,它是

当 ,它是

当 ,煤炭主体由螺栓的支持,加强煤是塑料底部受损,煤炭的地基系数的身体变化,和地板层的位移可以作为一个有限长度的基础梁计算如下: 在哪里 , , ,和转换参数对位移、旋转角,弯矩,剪力,分别在哪里 当没有其他外力,

当 ,地基系数是零,岩石变形的弯矩 在哪里计算岩石接触地板的负载梁。

通过使用 和变形协调条件 中间的梁 和 在梁的两端,地板的变形曲线和弯矩方程可以计算。

基于围岩的物理力学参数和巷道的原位应力,地板的变形和弯矩计算岩石巷道中没有失败底部煤厚度0 m时,2米,4米,垂直巷道的压力 。应力集中的因素对巷道的两面都是1.5。道路被发掘,屋顶荷载 。塑性区宽度的计算和减压区2米和4米,分别。地板的弹性模岩石、煤的身体,身体和煤的塑性区10 GPa,平均绩点3.7,和1.1的绩点,分别。弹性模量的增加煤炭的支持后计算使用方程(9)和文献[36]。

3.2。影响不同的底煤厚度在地板上,双方之间的横向进给动作

通过挖掘道路获得不同底煤厚度,地板的变形和弯矩岩石可以计算。随着煤炭底部厚度增加从0米到4米,地板的弯曲变形和最大弯矩岩石显著增加,如图4。相比的最大变形和最大弯矩与底部煤厚度0 m,地板的最大变形岩石底部煤2米和4米的厚度增加了45%和83%,分别和地板的最大弯矩增加24%和29%,分别。

如图4(一),欧元区 是煤矿巷道一侧身体区域。巷道的变形范围地板从巷道巷道和6 - 10米以下。当底部煤厚度0米,2米,4米,地板变形的扩展深度范围从深部围岩巷道一侧是8.94米,9.86米,10.57米,分别和变形占89%,90%,和91%的总变形。结合图5,它可以观察到,在巷道的开挖,地板上煤强度最低,不支持。因为深度围岩压力高,地板上煤失败首先,然后地上岩石卸载。地板上岩石地应力的作用下弯曲和膨胀到巷道。地板的变形岩石挤压底部两边煤。如果不及时应用,支持煤炭的塑性区,双方将进一步恶化,扩张,并迁移到巷道。反过来,这削弱了地板的轴承基础岩石,减少了“跨度增加”效应的等效梁,使地板岩石进一步弯曲,使地板的损伤岩石,和大范围的岩石转换成整形失败状态。

如图4 (b)岩石,地板的弯矩随底煤的厚度的增加,最终导致地上石头打破,首先在中间,然后最后,形成一块破碎的岩石。

如图4底部的厚度的增加煤炭的刚度降低煤炭的身体(支持的基础岩层),而弯曲变形范围内,地面岩层变形,挤压迫使所有增加。这将导致扩大范围的煤体内挤压的地板岩层,导致额外的失败和变形煤的双方的身体。因此,地板上岩层的破坏是扩展和提高。与岩体的范围在塑料失败状态,巷道底鼓显著增加。

3.3。不同的支持策略对地板和双方之间的横向进给动作

图6显示了变形和弯矩时巷道层地层底部煤厚度是2 m而应用不同的支持策略。采用密切支持时,假设双方的塑性区是有效控制,和弹性模量的煤炭塑性区煤的弹性模量是一样的,没有损坏。煤体的弹性模量的增加和预应力non-pre-stressed支持决定根据方程(9)和文献[36]。双方煤炭的基础系数之前和之后的身体底部角落安装支持计算根据方程(7)和方程(8)。

相比nontimely non-pre-stressed巷道一侧的支持不支持底部角,地板的最大变形和弯矩岩石巷道的及时和预应力支持,增加底部角支持分别减少了33%和36%,分别,而地板的最大变形和弯矩岩石巷道一侧的及时和预应力支持但没有底部角的支持都减少了13%。因此,支持底部角可以有效地控制地面岩石的变形与保留底煤巷道。

地板的最大变形和最大弯矩岩石巷道一侧的及时预应力支持和安装底部角支持分别减少了27%和32%,分别比不合时宜的预应力支持巷道侧和底部角支持安装。相反,当及时预应力应用巷道一侧的支持,但支持下角是不习惯,地板的最大变形和弯矩的岩石都是不合时宜的预应力相比减少了13%的支持巷道一侧安装没有底部角的支持。因此,及时的支持可以有效地减少地板的变形和应力岩石巷道开挖后。

的及时应用预应力双面和底部角支持与保留底煤巷道的开挖后的刚度可以有效改善巷道的两面,减少地面岩石的破坏范围,减少对围岩的破坏。

4所示。进化机制深巷道底鼓的保留底煤

利用弹性地基梁模型,底部的诱导效果煤岩石变形和破坏的地板上,双方的巷道进行了分析。因为地板的失败变形岩石巷道底鼓发生不等于,有必要研究底板隆起演化的机制引起的围岩迁移失败后的岩石和楼边。

4.1。数值模型的建立

根据地质资料和光学观测结果我青云的钻孔,一架飞机模型成立。模型的大小是 的方向道路宽度和 的方向巷道高度。减少误差,模型边界是30米的巷道边界。因为连续介质有利于应用更精确的边界条件,而一个离散介质更适合模拟大变形(因为深roadway-surrounding岩石大变形不连续和结构(37],许多研究已经采用了这种方法(38,39]),飞机模型分为两个部分:离散介质在10米的巷道(大于显著的范围围岩的变形),剩下的是一个连续介质。巷道底鼓发生后挡板,砂质泥岩层厚度为5.7 m分为12个不同的颜色层(12层的物理和机械性能都是一样的)。莫尔-库仑模型用于分析和计算岩石的块模型和关节。考虑重力加速度 ,模型的底部固定的,正常的位移模型的有限,和压力边界条件的顶部使用模型来取代上覆岩层的重量。当岩石节理的分布规律是未知的,岩石的块和节理面3 dec模型被分配一个统一的强度和刚度,代表模型中允许开裂的位置(40]。

在这项研究中,在运动的影响下煤巷道围岩的模拟来确定煤的影响强度和底部煤厚度。在莫尔-库仑模型中,煤层和地板的强度主要取决于凝聚力和内摩擦角。然而,在这种情况下,内摩擦角的变化很小。因此,我们简化了模型,假设煤层和地板强度只影响凝聚力。基于地质条件的020202号煤矿清运的后挡板,三个参数被设置为每一个因素在共同的价值观:底煤的厚度是0米,2米,4米;煤的凝聚力身体1 MPa, 3 MPa,和5 MPa;和其他围岩的力学参数设置表1。五个模拟方案被用于这项研究。在底部煤厚度0 m为例,数值模型如图7。

4.2。扩张与保留法律的底拱巷道底煤

因为道路层的应力环境类似于巷道的屋顶,没有区别时观察比较floor-surrounding岩石的变形和破坏的roof-surrounding岩石。因此,可以认为轴承arch-similar roof-surrounding岩石时形成的一个烂也形成了在地板上(41]。地板岩体没有崩溃,但底鼓发生。数值模拟结果如图8更好地证明这一点。应力张量的演变与数值步骤保留底煤巷道的围岩图所示9。当巷道开挖,围岩的压力重新分配,和压力偏差发生在巷道的肩角和底部角,形成了轴承拱。压力被转移到通过轴承拱拱脚。

拱脚位置的运动水平和垂直方向的数值时间步骤如图9记录,结果如图10和11。与底部的厚度的增加煤炭、拱脚的位置远离道路。当底煤的厚度0米,2米,4米,拱脚的位置远离了3米的巷道,3.5米,水平和4米,1.7米,2.2米,3.5米的垂直,分别。与煤强度,减少地板拱脚的位置也离开道路。煤炭凝聚力5 MPa时,3 MPa,和1 MPa,拱脚的位置远离巷道2米,2.3米,2.3米的水平,和2.8米,3 m,分别和5.6垂直。围岩破坏的范围和边界形状估计基于拱脚之间的距离,巷道一侧,拱形结构的地板上。

数据12和13表明,地面起伏的曲线和位移的双方巷道随时间增加。双方的底鼓和位移的巷道与拱脚的运动是一致的。双方的底鼓和位移增加长满了与底部的厚度的增加与减少煤炭和煤炭的强度的身体。双方的巷道变形和地面拱脚停止时立即停止移动。向外运动的拱脚位置意味着周围的岩石地上拱的故障范围增加,导致巷道的变形的增加。

应力集中发生在巷道开挖后的表面。由于巷道表面的卸载,围岩浅部分迅速被毁,将集中应力转移到深度围岩的一部分,直到达到平衡与围岩的强度。诱导底煤对底鼓的影响,底煤厚度的增加和减少煤强度降低巷道表面附近围岩的强度,这是更可能被摧毁的作用下集中压力。集中应力转移更深,直到达成一种平衡与深巷道的围岩。最后,两个地板的变形和破坏的深度,以及围岩的失败的宽度增加。

失败的形状边界周围的岩石地上决心使用上面的仿真。巷道的支持取决于围岩的承载能力。锚索应固定在稳定拱围岩在地板上。支持锚链的长度可以估计使用拱脚位置如图10和11。例如,当底部角支持应用于煤矿巷道的底部厚度3 MPa的2 m和凝聚力,垂直和水平的深度不应小于2.2米和3米,分别。

4.3。移民法律的地板拱围岩的巷道和保留底煤

除了地板的范围和边界形状的岩石失败,这也是必要的调查和迁移的围岩变形拱来确定一个合理的支持计划。

图14显示仿真结果的地层、塑性区、位移的五个模拟方案。数据15和16现在四个计量点的布局及其移动曲线沿水平和垂直方向的地板上保留下的巷道煤。

如图15巷道的开挖后,地板上的测量分明显在水平方向上移动,最大0.6米的水平运动。当底煤的厚度0 m,测量分2和3在浅的部分,水平位移。在其他情况下,没有发生水平位移测量点2和3。然而,测量分1和4的水平运动浅的部分是很有意义的。测点4的水平运动总是最大的,大约0.3 - -0.6米。因此,地板的水平位移岩石通常发生在浅巷道岩石的一部分。因此,浅层围岩剪切位移的设置时应考虑锚索底部角落的支持,和锚索支持系统应该有一定的抗剪强度。此外,水平位移测点1首先降低,然后增加,随着时间的推移。分析表明,围岩测点1搬到双方首先,然后中线的道路。这一发现与结论部分是一致的4.2,在水平应力,floor-surrounding岩石巷道的第一中间休息,双方,然后移动到中间的道路。如图15(d),增加底煤的强度可以有效地控制地板的水平位移。

如图16巷道的开挖后,测量分楼明显在垂直方向移动。测点1的最大垂直运动大约是0.9 - -1.4米。计量点的垂直运动3和4的双方下巷道很小,大约0.1 - -0.2米。在图16(a),测点2浅的部分围岩变形约0.5米。与煤炭底部的厚度的增加,变形测点2显著降低到0.2米或更少。因此,浅的地板上,可以由一个锚或短锚链的长度约2米。

总之,的floor-surrounding岩石巷道的变形与保留底煤主要发生在浅层围岩(约2米)靠近巷道表面。floor-surrounding岩石主要在水平方向迁移,而主要巷道层在垂直方向移动。围岩的水平运动可以通过设置一个有限斜锚索底部角,改善与锚的抗剪能力支持电缆底部角,提高围岩的强度在底部,或控制地板的垂直运动与锚电缆或短电缆底部角。

4.4。巷道的底鼓机理与保留底煤

因为提供的支持力量支持组件的原位应力远小于围岩,现有支持概念抵制使用轴承的原位应力拱结构围岩的巷道顶板支护。正如上面提到的,地板的变形和破坏规律的作用下原位应力相似的屋顶,如图17,地板拱结构形成。

深高应力条件下,不支持的地板拱的塑性区逐渐扩大,直到围岩的应力和强度达到平衡。相比拱支持的屋顶,地板拱,不限制的支持系统,明显向外扩展。破碎的围岩在地板上拱展品不连续变形和巷道走向。扩大范围的地板拱越大,越大拱围岩的膨胀变形,巷道底鼓发生,因此,更重要的。因此,不支持的地板深层煤巷道底鼓的主要原因。

5。工程实践

基于这一理论计算和数值模拟,支持战略的“高预应力锚杆强(电缆)支持双方在时间和底部角落”提出了(42]。020202号的支持模式我青云的后挡板设计,和一个工业测试是在一个新的100开挖部分。支持策略如图18。支持包括MG500螺旋钢岩石螺栓长度为3000毫米,直径22毫米,和70 kN的预加载,以及电缆的 结构、直径21.8毫米和6200毫米的长度。预加载的电缆在屋顶上,双方300 kN, 200 kN底部角落。限制使用的电缆支持底部角落,水平位移和锚杆的支持被用来抵制岩层的水平剪切位移;w - type钢带的宽度280毫米用于屋顶,和w - type钢护板的宽度280毫米用于双方。

如图19,现场试验表明,位移和损伤的双方没有显著降低。020202后挡板通过加强双方的支持,增加底部角支持,及时采用预应力锚索的支持。最大的底鼓巷道服务期间是不超过0.6(考虑到成本,经济、合理的支持方案设计的前提,巷道断面满足生产和安全的要求,虽然变形仍相当大),也没有解除,确认支持设计的可行性。

6。讨论

底鼓是一个复杂的工程问题,特别是对道路与保留底煤。分析这个问题通过建立文克尔弹性地基梁模型,并给出了底鼓机理及其影响因素。应该注意的是,浅的部分围岩已进入塑性阶段,这是与文克尔弹性地基梁模型的假设。在塑性区地基系数低于在弹性区采用为了解决这个问题,但错误存在。然后,巷道层岩体的进化机制是由离散单元数值分析方法,但网格依赖将被忽略。最后,基于理论分析和数值模拟获得的法律,一个支持方案适用于020202号煤矿提出清运后挡板,可为类似地质条件下巷道支架提供参考。

7所示。结论

与底部的厚度的增加煤炭、煤的硬度身体(支持的基础岩层)减少,而地板上岩层的弯曲变形范围增加。这导致扩大的范围,双方的身体受到挤压地板煤岩体层,导致额外的失败和变形煤的身体两侧。因此,损伤层岩层是扩展和提高。

底部煤厚度的增加和减少煤强度将降低巷道表面附近的围岩强度,这是更容易毁在一个更集中的压力。因此,集中应力应该转移到更深的一部分围岩达到平衡与卸载围岩巷道深处的一部分。最后,地板变形和破坏的深度增加,岩石和失败的宽度增加。深部巷道的底鼓是由地上拱围岩的扩张。底煤厚度的增加使地板拱的扩张,导致巷道底鼓发生大变形。

“高预应力锚杆强劲的支持战略(电缆)支持双方在时间和底部角落”。巷道的开挖后,预应力锚杆强(电缆)支持双方的巷道应用,倾斜的电缆应用于巷道的底部角落限制围岩的水平运动,和底部角落锚杆应用于改善底部角落的剪切能力。实践表明,这种支持方案有效控制底鼓,和支持计划的可行性验证。

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

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家重点研究和发展计划(批准号2017 yfc0603003),山西省的应用基础研究项目(批准号201901 d111049),和山西省的重点研发项目(批准号201903 d321080)。