专题-长壁巷道对水平应力集中反映的研究过程

长壁巷道对水平应力集中反映的研究过程摘要职业安全和健康组织（NIOSH）匹兹堡研究实验室（PRL）、宾西法尼亚州RAG和澳大利亚岩层控制技术合作对在宾西法尼亚州西南部的爱尔兰矿的地表行为、加固措施、应力分配进行了透彻研究。研究点是一个由严重水平应力集中的长壁顺槽。现场测量表明研究点的应力在长壁开采期间几乎增加了一倍，导致顶板变形延伸到巷道以上4.8m（16ft）的高度。现场点的计算机模拟用FLAC-2D指导，包括岩体的行为范围和失稳性能。测量和模拟的比较显示模型能抓住顶板和支护系统行为的显著方面，特别是沿层面的深部滑移，它能在直接顶形成局部卸压的软化区。模型也显示了有增补锚索的普通顶板锚杆支护形式允许巷道在实际水平应力增加20-25时仍保持完好。这些信息能被实际运用到煤矿顶板支护系统设计中。Case history of the response of a longwall entry subjected to concentrated horizontal stressABSTRACTThe National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) Pittsburgh Research Laboratory (PRL), RAG Pennsylvania and Strata Control Technologies of Australia collaborated in an intensive study of ground behavior, reinforcement performance, and stress redistribution at the Emerald Mine in Southwestern Pennsylvania. The study site was a longwall tailgate subjected to a severe horizontal stress concentration. Field measurements indicated that the stresses applied to the study site nearly doubled during longwall mining, resulting in roof deformations extending to a height of 4.8m (16ft) above the entry. A computer simulation of the field site was conducted using FLAC-2D, incorporating a broad rang of rock behaviors and failure mechanisms. Comparison between the measurements and the simulation showed that the model was able to capture the most significant aspects of the roof and support system behavior, particularly, the extensive slip along bedding that created a partially distressed “softened” zone in the immediate roof. The model also showed that supplementing the normal roof bolt support pattern with cable bolts would allow the entry to survive a further 20-25% increase in the applied horizontal stress. Such information could have very practical application to the design of roof support systems for coal mines.1.介绍在美国的井工开采煤矿每年有将近1500起顶板冒落事故发生，造成严重的安全灾害和运行障碍。安装用于防止顶板冒落的支护费用每年达到10亿美元。尽管已有50多年的研究，但还没有一种普遍适用的顶板支护设计方法1。在过去的25年里，已明确水平应力是发生在井下的许多顶板冒落事故的决定性因素2。一个重要的突破是认识到矿井里监测到的盈利是由地球构造应力产生的3。应力测试已证实了在美国东部矿井水平应力是垂直应力的2-3倍，甚至在长壁开采过程中会在特定的、关键的地点发生水平应力集中4，5。影响长壁巷道的应力集中引起了特别关注（图1）。这些应力集中都是由于应力不能通过在长壁工作面后的跨落采空区传递导致的。发生在上顺槽或装载点的顶板跨落都是主要的安全灾害，因为它们能干扰通风或堵塞主要运输巷道，也能导致高额的生产干扰损失。合理的长壁工作面方向和接替可以避免大多数的水平应力集中。然而在一些情况下，储量的几何分布或其它的一些因素都会限制矿井设计的选择，例如：在适合布置先前大小的盘区的地方布置一个较长的长壁盘区，“应力窗”将很难控制（图2）。在这种情况下矿井必须适合于储量的地理条件布置。在美国，较差质条件的矿井的一个普遍方法是安装增补支护，如锚索。然而，增补支护与临时顶板支护间的联系相对的几乎没有获得研究注意。传统的研究顶板支护性能是和现场测量联系在一起的。在20世纪90年代，在美国的许多地点做过顶板变形和顶板锚杆载荷的测量7,8。这些研究提供对影响锚杆性能的因素许多的见解，包括安装张力、支撑能力和注浆环形孔。不幸的是这些研究中没有一个与应力测试或广泛的地质特征和岩石力学测试相结合。甚至，在美国尖端的数值模拟像是专用于其它领域被相对的限制应用在煤矿岩层控制9-10。这论文所述的研究是宾夕法尼亚RAG和职业安全与健康国际组织合作的结果。它的目标是：1 测量由于预期长壁应力集中产生的应力改变和地表变形；2 估计出典型的美国临时支护（顶板锚杆）在高水平应力集中时的性能；3 观察增补支护系统（锚索）和临时支护间的联系；4 完善分析高应力煤矿实际运用中支护选择所需的数值模拟技术。2.研究场所研究场所在宾西法尼亚州格林镇爱尔兰煤矿北11长壁工作面的上顺槽（图3）。之所以选择它是因为它能预料到北11工作面推进接近北10工作面的开始边界线时可能导致明显的水平应力集中5。从爱尔兰矿过去的经验看，像北11工作面产生的一样，水平应力窗可能预期的产生严重载荷在联络巷和上顺槽上。因此，这个地点能提供一个少有的机会学习在长壁开采的推进过程中随水平应力的增加顶板失稳的过程。图3 爱尔兰矿和研究点爱尔兰煤矿位于宾西法尼亚州西南部的匹兹堡媒床，回采巷道大约2.12.4米(7-8英尺)高、4.9米(16英尺)宽。从巷道顶板割下有大约0.39米(1英尺)的顶板页岩。从研究点的一个垂直岩芯钻孔获得的煤矿顶板地质柱状图如图4。顶板可以完全的分为三个部分：最底层2.7米（9英尺）依次是煤、弱层面光滑页岩；1 从2.7米到5.4米为稍微坚固的粘土岩；2 5.4米以上为明显较坚固的石灰岩。在矿内的岩芯钻孔能勉强达到石灰岩，因此，它的厚度和强度根据附近的表面岩芯钻孔估计。由锚固水平的最低单轴压缩强度和RQD得出一个估计的煤矿顶板等级（CMRR）为3712。从以前煤矿测试的综合和研究点获得的地下岩样测试得到模型的岩石配比。倾斜岩芯特别重要，它取自研究点并用于多极三轴测试以决定层理面强度。层理面强度测试的两个页岩单元的结果如图5所示。用在模型中的UCS分布与层理粘结性分布和实验室岩芯测试结果分别如图表6、7所示。在模型分布中层与层之间的变化划分根据顶板岩芯的观察和测试结果。在模型中煤的就地强度设为6.5MPa（900psi），它是煤的经典体积强度。曾在爱尔兰矿和其附近的哥伦布矿的一些位置测量了应力场，但不是在特殊的研究点。这些测量被用于估定测试点的预应力范围。主应力方向为北偏东70。区域应力场表现为与大约550微应变的侧向构造应变相对一致14。这就意味着杨氏模量为20GPa（3000000psi）的岩石的推断最大应力为11MPa（1600psi）。其它岩石单元的垂直应力将是不同的并依赖它们的弹性。次水平应力大约是主应力的一半。垂直应力大约为5MPa，其上覆岩层大约200m。用在这个研究地区的临时支护由三个直径22mm、长2.4m的联合锚杆组成。锚杆和1.2m的树脂药卷一同安装在35mm的钻孔中。锚杆的屈服载荷为19吨和一个28吨的基本能力。在每个安装线上由每组三个锚索组成的增补支护被安装在临时锚杆组间，这些锚索长3.6m、直径15mm，并由1.2m的树脂涂层。3.现场仪器在研究点，两个控制线布置在一个联络巷，第三个临近上顺槽（图8）。在联络巷的两点标为点B和点C，它们是本篇论文的焦点。这两点的条件比上顺槽点的条件差得多，因为联络巷指向不利得相关区域最大水平应力。仪器用来测量顶板运动、支柱载荷和顶板应力改变。图9是一个联络巷每个测线的仪器布置。大多数顶板的细微运动数据有多点声速伸长计和位于顶板线以上5.8m、相隔0.3m的磁性锚杆提供。这些由遥控的机动三点伸长器增补。顶板联合锚杆较低1.2m没有涂层部分的载荷用应变计测量。这些应变计用McGill大学Hani Mitri 博士发明的技术安装在锚杆内15。这些测量锚杆从爱尔兰矿获得，由McGill准备。在每个锚杆的端部钻一个小洞以装一个小应变计，在锚杆端部附近安一个接线盒。这些锚杆每个都被NIOSH校准为13吨，并发现在粘性范围内载荷应变成线性关系。NIOSH通过测定联合锚杆确定屈服载荷和变形的关系，因此能在屈服前估计锚杆的载荷。在研究期间应变计锚杆表现很好，没有失稳。液压U型管用来监控在点C的三个锚索上的载荷，但不幸的是仅一个提供有用的测量。用安装在邻近联络巷采区顺槽煤柱上顶板内的7个CSIRO中空包体(HI)管测得水平应力的改变。每个HI管由一组12个应变计组成，准许三向应力变化布置。用特别为HI管提供岩石和应变计在管中耦合得环氧设计在适当地点给管注浆。7个管都用SCT的Jan Nemcik博士发明的工序安装，成功率100。安装前，钻洞以识别合适的布置区和获得测试物理性能的样品。应力管以图10所示的扇形安装。H7管安装达到较低页岩单元的顶部，H6管设在石灰岩的底部。安装其它的5个管以提供在上部粘土岩单元内应力干扰时的变形。从HI管获得的应变数据用美国矿务局研究的软件处理16。为了达到陈述的目的，应力变化被变换成垂直于联络巷的主要应力。4.模拟方法和模型应用在许多国家煤矿进行的详细模拟研究表明矿山巷道失稳机理非常复杂，包括岩石裂隙、层理或节理失稳、局部岩块的二次破坏、沿层面的滑移1，4，9。因此，计算机模拟的应用需要一个岩层的地质性能和应力场，必须包含许多潜在的失稳过程17，18。发现岩石性能的一般性或在平均性能基础上的岩石共同部分能限制模拟岩石实际的大多数行为的能力。用在模型中的软件是由SCT组织开发的FLAC，它被编制用来模拟岩石所谓失稳过程。STC用的本构模型和FLAC2D最近发表的应力松软、节理普遍的模型相似。岩石失稳基于与当地的限制条件有关的莫尔-库仑标准。模拟了宽范围内潜在失稳方式，包括： 致密岩石的剪切断裂； 岩石的拉伸断裂； 层面剪切； 层面拉伸断裂。原始节理、断层、解理的稳定性能在模拟中相似的地方标出。模型能模拟新的或再生岩石裂隙和裂隙的贮存方向。在SCT的本构模型中，和Itascas SU一样，致密岩石模型展示了已经失稳的应变软化行为。一个任意方向的弱面也能显示应变软化行为。这个本构模型非常适合测试这种致密岩石应变软化和曾有单向弱面的水平层面的岩体。在SCT和Itasca本构模型中，内聚力、内摩擦角、膨胀角、抗拉强度像塑性应变函数一样精确。根据这些函数的性质能产生许多复杂的加强和弱化行为。岩石材料的就地强度推断为0.58试验室非限制性抗压强度（UCS）。原始的试验室与现场的比例因子是由Hoek E. Brown提出的20，并用在所有的SCT模型研究中。模型的几何形状和由实验室非限制性压缩强度描述的各种岩层特性一起被显示在图11中。关注区域典型的主要尺寸为大约2010cm（84in）。这个主要尺寸正好能够抓住可能对煤矿巷道等级非常重要的地质多样性。模型包括岩石锚杆。锚杆连接在顶板内1.2m，并有一个到顶板县的富裕长度。锚杆的屈服强度为19吨（21吨），并有大约15吨每英尺的拆除力。部分已25吨(27吨)的屈服能力连接的锚索也被模拟。特别模拟了锚杆的树脂/岩石接触面的抗剪强度和刚度。锚杆的性能根据在2-D模型中的排间距校正。模拟顺序依据巷道掘进的实际工序，先掘进巷道，再安装顶板周边锚杆，最后安装中央锚杆。模拟允许根据每一步调整。如果锚索用在模型中，将放在最后一步。对于这个模型，在巷道中央线用到对称性。它加快了模拟过程，特别在要考虑许多应力条件和支护系统的地方。5.结果：现场测量研究点在以下三个开采方面期间的水平应力增加： 巷道原始变形； 北11长壁工作面的开采； 北11长壁工作面后退经过研究点。随着研究点的确定，应力破坏的证据包括沿联络巷内帮的一个小切口。随着北11长壁工作面的开采，甚至在采动空间在大约100m（300ft）远的地方，研究点上的地面情况明显恶化（图30）。这归因于在北11采空区边角水平应力集中的发展。这时传导的顶板测量显示顶板失稳已从采动空间延伸一定距离，并包括至少一次大的顶板下沉。很明显接近采动空间的顶板冒落使应力逐渐传到研究点范围内。第三方面，接近和沿北11长壁工作面开采导致和在上顺槽角的应力集中相联系的更大的顶板变形。条件没有和在爱尔兰矿过去应力窗中遇到的一样严重。几乎到工作面通过后为止，研究点保持可接近。图12 位于顶板上4.0m和在巷道煤柱里7.6m的H4管得到HI管应力改变应力测量：HI管直到巷道掘好后才安装，因此与巷道掘进有关的应力改变没有记录。随着北11长壁开采，有两个HI管显示顶板应力增加了3.5MPa（500psi）。应力增加率逐渐缓和，但不能完全稳定（图12）。图13是在方面2（北10长壁开采）结束点测得应力变化的快照。主要应力都非常复杂，大小范围达到20MPa（3000psi）。主应力增加方向暗示着联络巷直接顶的屈服或软化，并且不能分散附加的水平应力。结果应力被迫传向联络巷顶板上较高处。伸长计数据将被讨论以提供顶板软化的证据。在北11长壁开采后，工作面到上顺槽交点中心大约192m（640ft）时，开始通过HI管观察决定性的应力改变。当工作面达到27-32m（90-110ft）时，管中的应力改变速率快速增加。在大多数情况，伴随着工作面的接近应力增加大约7MPa（1000psi）。最大主应力增加方向继续在一个近水平方向，沿联络巷的软化顶板（图14）。只有H7例外，它安装在较低的页岩单元，盈利保持不变。当工作面经过研究点时，几乎每个HI管测得一个大约10MPa（1400psi）的瞬时应力减少，表明盘区直接顶的跨落导致应力降低。总体上来说，表现为开采导致的应力集中大约为原始就地应力的两倍。用HI管测得的应力增加方向表明应力主要是跳过而不是穿过联络巷的软化（屈服）顶板。顶板变形：在掘好后几天第一次读取伸长计的原始读数，因此数据不包括原始顶板下沉量，但是到11月中旬，顶板的三个研究点都稳定在至少5mm（0.2in）的总变形量（图15）。然而，顶板运动的最大高度大约为3.3m（11ft），在锚固水平顶部以上2.4m（8ft）。在方面2，北10开采期间，B和C组的顶板变形最大高度增加到3.9-4.2m（13-14ft），并有相对的16和10mm（0.6和0.4in）的总变形量。在这期间，在锚杆载荷和顶板运动的测量中明显的有顶板软化的进一步证据。在C组伸长计中只有一点的应变超过1%的同时，B伸长计有两点测得顶板最大应变超过1.5%。随着北11工作面的推进，在联络巷的两个声速伸长计记录了顶板的显著运动。每个得总变形增加大约20mm（0.8in）,并且顶板运动高度达到4.9m（16ft）。这些变形大部分发生在工作面达到联络巷前的最后23m（75ft）期间。当两组在顶板变形时间和大小上不同时，很明显在两点的变形过程的形式非常相似。运动的最大高度为大约5m（16ft），并且显著的顶板应变发生在接近联合锚杆顶端（2.4m）和在它们以上大约1.5m（5ft）处。顶板锚杆载荷：图16显示了锚杆的平均载荷，它是在两个仪器组的研究过程中测得的，当它们第一次安装时，原始的顶板锚杆载荷为3-8吨。在随后的几个星期内，载荷增加，特别是在B点，没有锚索。实际上，图16显示了在C组的原始载荷较高时B组锚杆载荷很快超过在C点的载荷，并在整个研究过程中保持较高。由于增补锚杆的存在（虽然在C组附近的风墙也能提供一些支护），在C点锚杆载荷较低。随着北10长壁开采，在B组锚杆上的荷载增加另外3-5到12-22吨，同时最高读数显示锚杆已达到屈服。在C组锚杆载荷增加至少为8-15吨。当北11工作面在研究点40m（130ft）内时，B组锚杆都已屈服。当工作面推进105m时，C组锚杆中的一根突然屈服，并且随着工作面的推进，中央锚杆几乎都屈服。在这个时候锚索达到它们的最大允许载荷，明显低于屈服载荷。在工作面经过研究联络巷后，机动伸长计现实发生在锚索顶端以下的顶板变形（大于50mm）足以产生让锚索屈服的载荷。在工作面刚经过联络巷锚杆组合载荷就达到最大值，随后开始减小。不幸的是，由于仪器问题，锚索的载荷记录不完整。然而，测得的将近50mm（2in）的顶板下沉和在C组测得的锚杆最低载荷都支持从可获得的测量中推断：锚索承担了顶板载荷的大部分。最近现场和数值模拟研究表明增补支护可以减少加在顶板锚杆上的载荷。6.用在模型中的应力路径大面积（边界条件）的水平应力和垂直应力应用在模型模拟过程的每个成功阶段就是应力路径。应力路径代表在研究联络巷和两个长壁工作面连续推进的初始发展间产生的额外增加应力。本次研究中的应力路径如图表17所示。它是从就地预应力、研究点测量的应力改变和以前相似研究点的测量估计出的。在这个研究点与长壁开采相联系的大面积应力增加的另一个迹象是沿长壁工作面巷道测得的大约10MPa（1400psi）的应力减少。7.模拟结果：顶板运动模拟结果与现场测量的可比性主要依赖于顶板伸长计数据。用这种方法比较，伸长计结果与顶板线总位移近似相等。从这个意义上讲，导致产生总位移的顶板的变形性质和类型能作比较。这允许不同性能的支护系统用相同的标准来评估，即在煤矿用这种支护有多少顶板运动发生。因此，没有必要用最大应力或安全因素替代。图18比较了通过模型估计的顶板变形和实地测得的顶板变形。显示了模型载荷路径的3条应力线的模拟结果，也显示了在两个联络巷研究点测得的许多变形描述。数据表明模型能抓住两点变形的共同特性，显示了变形类型和运动强度间的密切联系。它也可以记录下模型显示的一些发生在伸长计范围外的一些变形。图19阐明了岩石失稳过程的位置和性质与顶板变形轮廓联系在一起的。在原始发育的断层面的一定区域发生早于变形过程的剪切失稳（图19a）。随着应力水平增加，强度弱的页岩单元发生剪切裂痕。更高的应力水平导致坚固材料发生剪切和附加层面剪切。然而，在应用的大面积应力达到大约1516MPa（2200psi；图19b）之前，顶板的总变形相对较小。超出这个水平，就会发生显著的顶板变形，并向顶板较高的区域发展（图19c）。8.模拟结果：顶板锚固力应用在模型中的顶板锚固力和点B、C的顶板锚杆荷载数据如图表20所示。为了作比较，锚杆平均载荷取为顶板位移的3倍。一般来说，在监控点的锚杆平均载荷有一个相当宽的范围，然而，应用在模型中的所有力都和监控的范围相一致。这提供了一个指示：锚杆围岩关系能以一种和研究点反应相一致的现实方法模拟。结果表明，在就地变化的应力状态（少于大约11-12MPa），顶板条件能像预期一样用采用的锚杆形式控制好。在屈服载荷达到大约15-16MPa的应力水平前，顶板锚杆能保持稳定。然而，一旦顶板开始发生显著变形，锚杆载荷也会快速增加。模拟结果（图表20）显示在初期附加锚索对锚杆负荷几乎没有影响，然而，一旦主要的顶板运动开始，锚索能承担足够的载荷以推迟顶板对锚杆的屈服攻击。锚索表现为在顶板锚杆屈服后改善了它们的整体性能。9.模拟结果：巷道变形导致在联络巷的应力分配研究期间的测量显示在顶板发生显著的变形前附加应力已直接作用在联络巷的直接顶上（图13）。模拟表明较早发生在变形过程中的沿层面剪切能使应力大幅度减小，即使巷道的位移和可见变形很小。图21显示了一个大约20mm（8in）显著位移的例子。在巷道中央2m顶板内传递的原始水平应力量表明了顶板段的稳定性和加强岩体的必要性，当锚固顶板段失去完整性和变得松软时，顶板能获得的水平应力减少。一旦深部岩体裂隙导致顶板软化，首要的设计任务是采取加固行动。总的来说，模拟结果和在研究点获得的巷道监控和观察的行为相联系。它为模型模拟影响巷道为定性和加强相互作用的岩体变形过程提供依据。这个依据允许在研究点预期