巷道冒顶煤层顶板岩层稳定跨距力学模型

巷道冒顶煤层顶板岩层稳定跨距力学模型

中国科学家在毛煤板的稳定性方面进行了大量研究。彭苏平和凌彪灿提出，毛煤的稳定性主要取决于沉积构造的亚相特征，并认为可以通过改变工作面的月径来个人控制。郭德勇、周心泉采用结构分析法对毛煤板层的稳定性进行了深入研究。谢飞鸿、黄旭等研究了不同高跨比条件下围岩稳定性的影响因素。张晓1000、徐德清提出了一种基于多因素、单一参考值的综合评价方法。徐传华等人根据围岩稳定性的熵突变标准建立了岩石破坏的评估基础。孟昭平、刘秦福等从地质勘探的角度对顶板岩的稳定性进行了深入研究。通过对大量围岩稳定性分类方法的研究分析,现有的围岩稳定性分类方法大多是从宏观的角度来研究一个井田、一个煤层的围岩稳定性。但大量的井下观测结果表明,煤层巷道围岩条件的变化是十分不稳定的,可能在几十米范围内顶板条件就会发生比较大的变化,其围岩稳定性也会发生改变,但以往的围岩稳定性研究方法对于这类变化缺乏应对的措施与手段,同一条巷道顶板稳定性均为同一类别,导致巷道内部分高冒顶风险区域无法及时发现、及时采取合理的防治措施。实际生产中为了达到安全生产的目的,往往采用在整条巷道内不断增加锚杆和锚索的方法来防止局部冒顶,造成巷道支护强度过剩;同时由于对地质条件变化情况无法及时掌握,不能正确区分高冒顶风险的区域并对其采取必要的补强措施,使局部地段支护强度不足,存在冒顶隐患。因此,深入分析顶板冒顶隐患级别,找出冒顶事故高发区域,对于确定顶板地质参数探测方向,预防和控制煤巷冒顶事故具有重要的理论指导意义。研究巷道内稳定岩层的判别准则,以力学建模分析为理论依据,以顶板探测仪、窥视仪为探测手段及时发现顶板岩层结构组合的变化情况,并根据稳定岩层的位置变化、岩层的稳定跨距来进行冒顶隐患级别分划,给出巷道高冒顶风险区域的识别方法。1顶板易冒顶隐患分析由于巷道顶板事故多数是由岩层组合劣化引起的,冒顶部分顶板围岩与其它稳定区域的围岩条件不同,一般不属于同一类别,在这种不同类别的顶板中使用相同的锚杆支护参数必然造成一方面支护强度过剩(占60%以上),另一方面支护强度不足(0.05%)。因此在进行锚杆支护参数设计时,能否找出顶板易冒顶隐患区域(劣化区域),直接影响最终支护效果。采用顶板结构探测仪,可很好地解决这一问题。岩石特性与锚杆钻机钻孔时的钻进速度v、转速N和推力T密切相关,钻进速度v、转速N和推力T与岩层特性综合指标R之间可以用如下函数表示:R=f(v,T,N)。因此,可以通过密集、连续和高精度的同步检测锚杆钻机钻孔时的钻进速度v、转速N和推力T来分析、判断顶板不同位置的岩性,从而发现冒顶隐患。将顶板结构探测仪安装在锚杆钻机上,利用锚杆钻机钻孔,每0.8～1.0m对顶板地质情况逐一查明,将巷道划分为若干区域,利用顶板岩层结构探测仪测得的顶板岩层参数进行分类(每个区域的范围可以达到足够小),由此发现易冒顶顶板冒顶隐患,确定其顶板结构类型,从而及时地改变锚杆支护参数或进行补强支护,经现场试验结果分析,观测结果与岩芯的实测值间的吻合率达95%。2第x层社会荷载以材料力学为理论基础,建立顶板岩梁的力学模型,可按简支梁与固支梁两种模型进行考虑,在一般情况下,由于梁的弯曲所产生的弯距所对应梁的极限跨距要远小于剪切应力所形成的极限跨距,因此在进行建模计算时,按照弯距来计算顶板岩梁的极限跨距。现场实测结果表明,巷道顶板岩体的支座并非正好处于巷道肩部,巷帮煤岩体在载荷的作用下,表面已产生一定的松碎,可由煤帮破碎范围的计算公式得出,也可由松动圈测试仪器实际测出,这时上顶板岩梁的断裂位置实际上要大于巷道的跨度,因此在进行研究时应考虑巷道跨度与巷帮松动范围两方面的内容。据此可建立巷道顶板岩梁的力学模型。根据模型,在进行岩层稳定跨距的计算时,由巷道顶板第1层岩层开始分析,如果其稳定跨距大于巷道的实际跨度,则第1层即为稳定岩层;如果第1层的稳定跨距小于巷道的实际跨度,则为非稳定岩层,会发生冒落。继续向上分析计算直至找到稳定岩层为止,力学模型如图1所示。按照固支梁进行计算时,在梁的两端位置发生最大弯矩与最大拉应力,分别为Mmax=qxLx212(1)σmax=qxLx22hx2(2)Μmax=qxLx212(1)σmax=qxLx22hx2(2)式中,qx、Lx、hx分别为第x层岩层实际作用载荷(MPa)、跨度(m)与岩层厚度(m)。当最大应力值达到岩层的抗拉强度极限时,岩梁在此处被拉断,结构发生失稳,此时固支梁发生断裂,极限跨距为Lx=hx2σtxqx−−−√(3)Lx=hx2σtxqx(3)式中,σtx为第x层岩层的单向抗拉强度,MPa。按照简支梁进行计算时,在梁的中间位置发生最大弯距与最大拉应力,分别为Mmax=qxLx28(4)σmax=3qxLx24hx2(5)Μmax=qxLx28(4)σmax=3qxLx24hx2(5)当最大应力值达到岩层的抗拉强度极限时,岩梁在中间位置被拉断,结构发生失稳,此时简支岩梁发生断裂,极限跨距为[L]=2hxσtx3qx−−−√(6)[L]=2hxσtx3qx(6)第x层岩层所受的实际载荷,应该由3部分构成。除了本层岩层的自重外,还受到由于上覆岩层的相互作用所产生的载荷,这部分上覆载荷可根据组合梁的原理推导出。同时,第x层岩层还受到其下位不稳定岩层的作用,在进行分析时应该予以考虑。当计算任一岩层是否为稳定岩层时,是按照从巷道顶板向深部的方向进行的,如果第1层是稳定岩层,则无需计算其上覆岩层是否稳定,在进行支护参数设计时以本层作为依据进行设计;如第1层为不稳定岩层,则需要继续计算其上覆第2层是否稳定,若不对第1层采取支护措施的话,则第1层岩层发生冒落,为了防止其冒落,需要将其悬吊在第2层或更深部的稳定岩层上,这时其作为载荷可按照岩石的质量进行计算。同样,对于第x层岩层,其下位不稳定岩层载荷为第1层～第x-1层的岩层质量。上覆岩层载荷的计算公式为(qn)x=Exhx3(γxhx+⋯+γnhn)Exhx3+⋯+Enhn3(7)(qn)x=Exhx3(γxhx+⋯+γnhn)Exhx3+⋯+Enhn3(7)式中,Ex、hx、γx分别为第x层岩层的弹性模量(MPa)、岩层厚度(m)和岩层的体积力(MN/m3)。下位不稳定岩层的载荷为Qx=γ1h1+γ2h2+⋯+γx−1hx−1(8)Qx=γ1h1+γ2h2+⋯+γx-1hx-1(8)则作用于第x层岩层上的总载荷为式(7)与式(8)之和,即qx=(qn)x+Qx(9)qx=(qn)x+Qx(9)当岩层分层较厚时,判断其是否稳定的依据为该岩层的稳定跨距要大于巷道的实际跨度,因此稳定岩层需满足[L]=2hxσtx3(qx+Qx)−−−−−−√>L(10)[L]=2hxσtx3(qx+Qx)>L(10)岩层的厚度可根据实测确定出,但岩层的强度与载荷则受井下工程地质条件和实际开采条件的影响。包括工作面附近回采巷道受工作面回采的一次、二次采动影响、由于埋深不同时所产生的深度影响、层状节理与原生裂隙对岩体的完整性影响、由于地应力异常所引起的地应力对岩体强度与载荷的影响,以及由于节理裂隙的切割使岩体的强度发生衰减等因素的影响、构造的影响、地下水的影响等。在进行分析时,应考虑这些因素对岩层稳定跨距的削弱作用。因此巷道临界跨度确定的原则:要保证一岩层稳定,需要巷道的最大跨度不能大于该岩层的稳定跨距。岩层稳定时:L<[L]=2hxfwσtxfq3(qx+Qx)fcfdfm−−−−−−−−−−√(11)L<[L]=2hxfwσtxfq3(qx+Qx)fcfdfm(11)式中,L为巷道跨度,m;[L]为岩层的稳定跨距,m;fq、fc、fm、fd、fw分别为岩石强度影响系数、采动影响系数、岩层埋深影响系数、地应力影响系数和岩层完整性系数;h为岩层厚度,m;qx+Qx为顶板岩层对第x层岩层施加的载荷,MPa。3顶板冒顶隐患级别及支护参数根据顶板内的稳定岩层来判断巷道的冒顶隐患级别,同一条巷道不同位置的冒顶隐患级别不同,根据稳定岩层位置的不同可以分辨出一条巷道内的高冒顶风险区域。每个单个钻孔的类型都确定下来之后,根据钻孔的坐标,将该钻孔的类别加至矿井的采掘工程平面图上,形成的单个钻孔类型分布如图2所示。再根据SURFER软件的插值与绘图功能,形成矿井全矿区范围内的冒顶隐患级别分类,如图3所示。在冒顶隐患级别分类图中,不同冒顶级别的顶板交界处是由一系列等值线来确定的,相同等值线间所包括的范围就是冒顶隐患级别相同的顶板类型根据巷道稳定岩层位置的不同可以对矿井内不同地段的顶板稳定性及冒顶隐患级别进行划分,得出如图3所示的顶板冒顶隐患级别分类。Ⅰ类顶板稳定岩层距离顶板表面较近,位于锚杆能够锚固到的范围之内,Ⅰ类顶板冒顶隐患级别最低;Ⅱ类顶板稳定岩层与顶板表面之间的距离大于Ⅰ类顶板,位于超长锚杆或可接长锚杆、锚索的锚固范围内,Ⅱ类顶板冒顶隐患级别属于中等;Ⅲ类顶板稳定岩层与顶板表面距离超过了锚杆的锚固范围,必须采用锚索来进行支护,Ⅲ类顶板冒顶隐患级别较高;Ⅳ类顶板稳定岩层与顶板表面距离超过了常规的锚索长度范围,即使是及时支护,冒顶风险也不能完全杜绝,Ⅳ类顶板冒顶隐患级别最高。图3分类结果表明,试验矿区中部偏东范围内顶板条件较好,冒顶隐患级别以Ⅰ、Ⅱ类为主,在现场施工过程中,可基本上取消锚索。矿区西部冒顶隐患级别高,以Ⅳ类为主,支护设计时除采用锚索进行加强支护外,还应加强支护效果监测。矿区东部部分区域顶板也属于Ⅳ类,且处于与Ⅰ、Ⅱ类顶板交替变换的状态,除加强监测外,类别交替区域支护参数应按照高冒顶隐患级别区域进行设计。根据顶板结构类型分布图,可以进行如下应用:(1)对于已掘进出的巷道,可以根据顶板结构类型分布图对本条巷道现有的支护参数进行评价,及时地发现支护强度不足之处,对于现有支护强度小于顶板所处类型所需最小支护强度时,要及时采取措施进行补强或加强支护。(2)对于尚未掘进、未布置工作面的区域,可以在掘进前就根据顶板类型设计出支护参数,针对不同类型顶板设计出相应合理的支护参数,便于煤矿提前合理地安排生产,使支护设计真正做到安全合理。(3)进行巷道掘进施工时,施工进行到两种类型顶板相交叉、变换的区域时,可提前做好准备。巷道顶板结构变好时,可相应地降低支护强度,节约人力物力;顶板结构变劣时,增加支护强度,降低冒顶事故发生的概率,保证工作面安全生产。4顶板稳定跨距分类(1)将稳定岩层距顶板的距离做为顶板冒顶隐患级别分类的指标,这样既容易量化,又可以直接和支护参数设计建立起联系,便于理解和实际应用。巷道的跨度、岩层的强度、