高水平應(yīng)力對復(fù)合頂板巷道穩(wěn)定性影響的分析＊

張在金,王 林,王衛(wèi)軍

(1.湖南第一工業(yè)設(shè)計研究院, 湖南長沙 410011;2.湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院,湖南湘潭市 411201)

高水平應(yīng)力對復(fù)合頂板巷道穩(wěn)定性影響的分析＊

張在金1,王 林2,王衛(wèi)軍2

(1.湖南第一工業(yè)設(shè)計研究院, 湖南長沙 410011;2.湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院,湖南湘潭市 411201)

水平應(yīng)力是影響巷道圍巖穩(wěn)定的重要因素,采用縱橫彎曲理論及其數(shù)值模擬的方法分析研究水平應(yīng)力對復(fù)合頂板離層、煤層巷道圍巖的位移及其應(yīng)力分布狀態(tài)的影響。研究結(jié)果表明:水平應(yīng)力可使頂板的巖層的彎曲變形量增加,且水平應(yīng)力越大,巖層的彎曲變形量越大,巷道頂?shù)装宓淖冃纹茐某潭却笥谙飵偷淖冃纹茐某潭取?/p>

復(fù)合頂板;彎曲變形;離層;巷道穩(wěn)定性;水平應(yīng)力

據(jù)統(tǒng)計,在所有的煤礦事故中,頂板事故占總數(shù)的 50%以上,而復(fù)合頂板是煤巷頂板的主要結(jié)構(gòu)類型之一,國內(nèi)的許多學(xué)者對不同水平應(yīng)力作用下復(fù)合頂板的彎曲變形及其離層的特性進行分析[1～5],其成果表明,高水平應(yīng)力對復(fù)合頂板巷道圍巖具有巨大的破壞作用。本文采用縱橫彎曲理論[6]分析高水平應(yīng)力對復(fù)合頂板彎曲變形及離層的影響。

1 離層機理

復(fù)合頂板離層是指因直接頂各分層巖層的抗彎強度不同及不同巖層層間的粘聚力很小,在上覆巖層垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力及礦山支承壓力的共同作用下,巖層分離而產(chǎn)生離層現(xiàn)象。簡單的說就是指當(dāng)直接頂在外力作用下發(fā)生彎曲變形時,由于各巖層的最大撓度不同,導(dǎo)致巖層的整體變形量不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生離層。

巖層產(chǎn)生離層的原因主要包括 2個方面[7]:巖層受拉產(chǎn)生離層、撓度不同產(chǎn)生離層。巖層受拉產(chǎn)生離層則根據(jù)巖石破壞的主要分為張拉和剪切破壞,因此可以將頂板離層可歸納為其中一種,是指頂板產(chǎn)生彎曲變形,致使巖層的橫截面下部產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力大于巖石的抗拉強度時,巖層破壞導(dǎo)致離層。撓度不同產(chǎn)生離層即巖層在彎曲變形時產(chǎn)生的變形不均勻所致或撓度 (彎曲變形量)不一致,其產(chǎn)生離層的規(guī)律為,從巷道表面巖層逐步向頂板深部巖層擴展。

根據(jù)文獻[8]可知,當(dāng)存在不同的水平應(yīng)力時,頂板的破壞范圍和程度會明顯不同,若水平應(yīng)力很大時,頂板的撓度會增加,導(dǎo)致頂板巖層的彎曲變形量增加,可使層間的離層程度增大。

2 復(fù)合頂板受力變形分析

由于復(fù)合頂板的離層破壞首先從頂板下面的巖層開始,然后逐步向上擴展,頂板發(fā)生離層后,下層巖層在垂直方向僅受自重應(yīng)力的作用。假設(shè)巷道走向無限長,下層巖層是連續(xù)均勻介質(zhì),根據(jù)平面理論,將該巖層簡化成簡支梁,其力學(xué)模型見圖1。

圖1 巖層簡支梁模型

在圖1中任取一截面 x,對其左端利用縱橫彎曲理論進行分析。得其撓曲軸的微分方程為:

將式 (1)與式 (2)聯(lián)立得:

式 (3)中,Pω1/EI表示的是軸向應(yīng)力對彎曲變形的影響,若 p取絕對值,由于梁的彎曲變形向下,所以ω1為負值,則對 Pω1/EI分析可知:軸向應(yīng)力事實上是增大了彎矩的數(shù)值,并且彎矩的數(shù)值隨軸向應(yīng)力的增加而增大;由于 Di=EI,則可知隨厚度的減小,彎矩的數(shù)值急劇增加,且隨彈性模量的減小,彎矩的數(shù)值逐漸增大。

設(shè) P/EI=k2,則式 (3)的通解為:

根據(jù)梁兩端的邊界條件可知,梁的兩端彎曲變形量為 0,當(dāng) x=0時 ,ω1=0,即:

當(dāng) x=l時 ,ω1=0,即 :

經(jīng)整理得:

當(dāng) x=l/2時,式 (5)中的撓曲度取得最大值,其值為:

通過分析ω1可知,梁的撓曲度 (彎曲程度)與分布在梁的自重應(yīng)力 q、水平方向上的軸向應(yīng)力 P、梁的懸露長度 l、梁截面的極慣性矩 I、梁的彈性模量 E等因素密切相關(guān)。在其他條件相同的情況下,巖層的密度越大,則該巖層的彎曲變形越大,導(dǎo)致與上覆巖層的離層程度亦越大。

3 數(shù)值模擬分析

利用 FLAC3D建立數(shù)值模型,采用摩爾庫倫準(zhǔn)則進行運算,模型的四周和下端固定,上端為自由面,施加的垂直應(yīng)力為 10 MPa,巷道的尺寸為 3×2.8 m,研究側(cè)壓系數(shù) k為 1,1.2,1.5,2,2.5時,水平應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響。

不同水平應(yīng)力的塑性區(qū)分布如圖2所示,隨側(cè)壓系數(shù)的增加,巷道圍巖的塑性區(qū)范圍顯著增大,巷道變形量急劇增加,復(fù)合頂板的彎曲變形程度增大,復(fù)合頂板與上覆堅硬頂板間的離層程度增加。

圖2 不同側(cè)壓系數(shù)的塑性區(qū)分布示意

側(cè)壓系數(shù)不同時,巷道表面位移曲線如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知,隨側(cè)壓系數(shù)的增加,底鼓量、頂板下沉量、兩幫鼓起量均增大,頂板的下沉量明顯大于底鼓量,當(dāng)側(cè)壓系數(shù)超過 2時,巷幫表面的位移量增加速率急劇增大。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)達到 2.5時,巷道斷面縮小到僅為掘進時斷面的 1/3。

圖3 頂、底板的位移

圖4 巷幫位移

通過對圖2、圖3、圖4進行分析,巷道開挖后,巷道圍巖的穩(wěn)定性受到破壞,表現(xiàn)為隨水平應(yīng)力的增大,圍巖破壞的范圍增大,塑性區(qū)的范圍增加,由于塑性區(qū)巖體的承載能力很低,支承壓力的峰值向巷道深部轉(zhuǎn)移,致使頂板的懸露范圍增加。由前面的理論分析可知,由于受水平應(yīng)力 P和頂板的懸露長度 l增加的影響,巷道復(fù)合頂板的下沉量顯著增大。因巷道兩幫圍巖塑性破壞,抵抗變形的能力降低,導(dǎo)致兩幫的鼓起量隨水平應(yīng)力的增加而明顯增大。在水平應(yīng)力增加的過程中,由于巷道底板受到兩幫的約束影響,底板的鼓起量亦增加但增長速度小于頂板的下沉量的增加速度。

4 結(jié) 論

(1)運用縱橫彎曲理論分析巷道頂板巖層產(chǎn)生彎曲變形的原因,分析復(fù)合頂板巖層間產(chǎn)生離層的條件,并強調(diào)了高水平應(yīng)力可使巷道頂板的下沉量顯著增大。

(2)水平應(yīng)力越大,巷道圍巖的塑性區(qū)范圍越大,導(dǎo)致巷道淺部圍巖的承載能力降低,使頂板的懸露范圍增加,引起巷道表面的位移量增大,并且當(dāng)側(cè)壓系數(shù)很大 (K>2)時,巷道掘進后斷面面積會大幅度的縮小甚至閉合,因此布置巷道時應(yīng)使巷道的走向與最大水平應(yīng)力的方向平行。

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國家自然科學(xué)基金資助(51074071).

2011-05-03)

張在金 (1984-),男,貴州金沙人,助理工程師,主要從事煤礦設(shè)計的研究,Email:zhangzaijin110@yahoo.cn。