离层临界值受采动影响的探索.doc

关于锚杆支护巷道顶板离层临界值受采动影响的探索李建永庞静（中国矿业大学 江苏 徐州 221008）摘要：在研究离层现象产生的原因以及受采动影响前后巷道受力与变形情况的基础上，提出将受采动影响前的巷道应变模型简化为固支梁，将受采动影响后的巷道应变模型简化为简支梁的力学模型，在初步建立锚杆支护巷道顶板离层临界值计算的理论依据方面做出探索，以求更好地为生产服务。关键词：锚杆支护；离层；采动影响；固支梁；简支梁Exploration in Influence of Mining on Roof SeparationMarginal Values of Roadway Supported with Anchor BoltsLI Jian-yong , PANG Jing(China University of Mining and Technology, Xuzhou , 221008 , China)Abstract: Based on studying the reason of roof separation phenomenon and analyzing the situati- on of roadway which is distorted before and after mining, It is proposed that the situation of road- way which is distorted before the influence of mining can be simplified as Solid strut-beam. while, the situation of roadway after the influence of mining can be simplified as Simple beam. In order to provide a better service for the production, we have made an exploration in the preliminary est- ablishment of the theory that is calculation on roof separation marginal values of roadway suppor- ted with anchor bolts.Key words: supported with anchor bolts ; roof separation ; the influence of mining moves ; solid strut-beam; simple beam目前，锚杆支护在煤矿巷道中应用非常广泛，对于锚杆支护的巷道，巷道顶板的离层失稳一般没有明显的征兆，但其潜在的危害却是极大的，当顶板离层量达到某一极限值（即顶板离层临界值）时，下覆岩层就有冒落的危险，这对安全生产构成严重威胁。安全情况下就是要保证顶板离层量小于临界值，而巷道顶板离层临界值的确定至今尚缺乏具体有效的理论作参考。因此，研究巷道顶板离层值的变化规律对预报和预防顶板事故的发生，指导安全生产具有十分重要的意义。本文在试验的基础上运用力学及相关知识对锚杆支护巷道受采动影响前后顶板离层值的变化做初步探索。1. 顶板离层及其产生的主要原因：顶板离层系指巷道顶板岩层中一点与其上方一定深度岩层中某点的相对位移量。我们关注的巷道顶板离层主要是指直接顶与基本顶的相对位移。巷道顶板产生离层的主要原因是巷道顶板岩层的非均质性和不连续性，特别是不同岩层在变形量上的差异性。煤矿巷道中煤层顶板一般可分为伪顶、直接顶和基本顶，其中，伪顶对采掘及巷道维护影响不大，而直接顶的岩石力学性质（包括硬度、抗拉压能力等）一般较基本顶为差，从而当受到等量载荷时，直接顶变形量较基本顶岩层大，从而导致离层现象的产生。锚杆支护巷道示意图如图1所示；图1锚杆支护煤层巷道示意图巷道自开掘至报废随时间推移其受力状况一般可分为两个阶段：巷道受采动影响前（即自开掘至周围煤体回采前）和巷道受采动影响后（即自周围煤体回采至垮落报废前）。由于锚杆将直接顶（或直接顶的一部分）锚固为一个组合体，且一般巷道延伸方向较巷道的宽度和高度大的多，因此可将锚杆支护巷道的应变分析问题视为平面应变问题。且在巷道周围煤体回采前，由于巷道的宽度较实体煤跨度小的多，故其承受上覆岩层的支承压力相对较小，对周围煤体的破坏相对较弱；而当巷道周围的煤体回采后，由于受采动的影响，巷道承受上覆岩层的支承压力较大，对周围煤体的破坏较严重，使其对上覆岩层的固定能力丧失。通过上述分析，我们可以将受采动影响前煤层巷道应变模型简化为固支梁，将受采动影响后煤层巷道的应变模型简化为简支梁；应用此理论对两种情形下的巷道顶板离层量进行分析、计算，从而建立巷道顶板离层临界值计算的理论基础。2. 巷道顶板离层值的分析与理论计算2.1 巷道受采动影响后顶板离层临界值的分析与计算由于受采动影响后锚杆锚固的直接顶组合体可视为简支梁，因而当其与上覆岩层发生离层后，组合体仅受自重。如果忽略上覆岩层的变形量，组合体的极限离层量即相当于简支梁的最大挠度，安全情况下就是要保证顶板实际下沉量小于锚固组合体的最大挠度。由此分析可知：可把受采动影响后锚杆锚固的直接顶组合体抽象为高度为锚杆有效锚固长度，只受自重均布载荷的简支梁，力学分析模型如图2所示：图2简支梁应变模型示意图由于巷道两帮极限平衡区的存在，锚固组合体的主要支撑点将向煤体深部转移，转移量为。任意截面上的弯矩：;由挠曲线微分方程：，得： （1-1）将（1-1）式两边积分得： （1-2）将（1-2）式两边积分得： （1-3）利用边界条件：时，;以及对称条件：时。分别代入（1-3）（1-2）得：；即： （1-4）（1-4）式即为简支梁任意截面位置离层量的计算公式。将代入（1-4）式，得梁的最大变形量： （1-5）其中：为组合体的下沉量，；为锚固区内岩层体的弹性模量，MPa；为组合体的惯性矩，；为梁的跨度，；即：顶板最大离层值： （1-6）2.2 巷道受采动影响前顶板离层临界值的分析与计算：由于受采动影响前锚杆锚固的直接顶组合体可视为固支梁，因而当其与上覆岩层发生离层后，组合体仅受自重。如果忽略上覆岩层的变形量，组合体的极限离层量即相当于固支梁的最大挠度，安全情况下就是要保证顶板实际下沉量小于锚固组合体的最大挠度。由此分析知：可把受采动影响前锚杆锚固的直接顶组合体抽象为高度为锚杆有效锚固长度，只受自重均布载荷的固支梁，力学分析模型如图3所示：图3固支梁应变模型示意图同样由于巷道两帮极限平衡区的存在，故锚固组合体的主要支撑点向煤体深部转移，转移量为。利用平衡条件和变形协调条件求出组合体两端支反力，同上步骤计算得此时组合梁的最大变形量为： （1-7）其中：为组合体的下沉量，；为锚固区内岩层体的弹性模量，；为组合体的惯性矩，；为梁的跨度，；即：顶板最大离层值： （1-8）其中：的计算过程如下：根据岩石力学和极限平衡理论，巷道两帮极限平衡区的半径R，以及其移入煤壁的深度可按下式计算： （1-9） （1-10） （1-11）其中：为极限平衡区的半径，；为巷道的特征半径，对于矩形巷道相当于其外切圆半径，；为巷道的埋深，；为煤的粘结力，；为煤的内摩擦角，；为锚杆的支护阻力，；为巷道的宽度和高度，；为掘进，采动影响系数，其取值范围为1.32.3；为煤岩体力学参数修正系数，其取值范围为0.30.5；3. 巷道顶板离层临界值实际计算与现场应用：下面以中国兰花股份有限责任公司大阳煤矿3203综放工作面为例计算巷道受采动影响前后顶板的离层极限值，并与实际观测值做比较：已知条件：巷道埋深300，煤层的密度1.3;煤层厚度3.3,粘结力；内摩擦角，煤层弹性模量为；直接顶细砂岩密度2.5；巷道断面为矩形，宽4.2,高3;留设顶煤沿底板掘进。锚杆支护参数为间排距均为0.8,锚杆长2，采用菱形金属网。将有关数据代入上述公式得出： (1) 受采动影响前煤层巷道顶板最大离层量为3;(2) 受采动影响后煤层巷道顶板最大离层量为59;查阅中国兰花集团大阳煤矿顶板观测报告：3203综放面回风顺槽受采动影响前顶板的最大离层量为9,受采动影响后顶板的最大离层量为51。由此分析得:将受采动影响前的煤层巷道应变模型简化为固支梁，将受采动影响后的煤层巷道应变模型简化为简支梁的力学模型较为合理。结论：1 巷道顶板离层量不仅受巷道围岩力学性质的影响，而且在巷道受采动影响前后顶板离层临界值的变化较大，说明巷道顶板离层量受采动影响较大。2 将受采动影响前的煤层巷道应变模型简化为固支梁，将受采动影响后的煤层巷道应变模型简化为简支梁较为合理；计算结果与实际观测值吻合较好。3 对于锚杆支护的巷道，巷道顶板的离层一般不易被人察觉，但其潜在的危害极大，且当离层量达到临界值时，下部岩层就有冒落的危险。应用以上理论计算煤层巷道顶板离层临界值，在初步建立锚杆支护巷道顶板离层临界值计算的理论依据方面做了大胆尝试，对预报和预防顶板事故，指导安全生产具有重大意义。参考文献：1刘鸿文.材料力学M.高等教育出版社,2004.2刘