斜跨工作面底板岩石巷道稳定性研究

《斜跨工作面底板岩石巷道稳定性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、斜跨工作面底板岩石巷道稳定性研究1绪论1.1问题提出与研究意义我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭产量和消费占世界的1/3[1]，已经形成了以煤炭为主体能源的较为完善的煤炭工业体系。我国煤矿以井工开采为主，巷道作为井工煤矿生产的命脉，在采掘工程中所占的比重非常大。受采掘或其他动力影响，大部分巷道周围应力环境非常恶劣，围岩难以控制，易产生大变形甚至发生破坏，巷道维护极为困难[2]。动压巷道在煤矿巷道中所占比例为70%~80%[3-5]，其中煤层底板岩巷是极为常见的一类动压巷道。上覆采煤工作面开采过程中，回采空间产生的支承压力往底板传播，受采掘工程复杂扰动影响，底板应力

2、场、位移场重新分布，使在掘或已掘的跨采底板岩巷出现应力集中现象，原有支护体系无法保证巷道稳定性，跨采巷道变形、破坏严重，制约了煤矿的正常生产。因此，对受到跨采影响的巷道稳定性控制提出了更高的要求。巷道稳定性的影响因素归纳为工程地质因素和采矿技术因素，前者主要包括地质构造、围岩力学性质等，后者主要包括跨采形式、煤柱尺寸、采煤方法、空间关系、断面形状、支护方式等[6]。在不同工程地质条件及采掘活动影响下，跨采巷道围岩赋存各异，力学环境不同，围岩承载性能有很大差别，巷道施工位置、断面形状、支护方式等的选择在很大程度上影响着巷道的稳定性，造成巷道变形破坏程度不一。因而，巷道稳定性

3、控制的实质就是对围岩稳定性和支护系统稳定性的控制。.1.2国内外研究现状煤层开采底板岩层损伤破坏的理论研究主要集中在底板突水防治、瓦斯治理、巷道围岩控制等领域，以期达到预测底板突水部位、降低煤层群联合开采上煤层对下煤层开采的影响程度以及下煤层瓦斯对上煤层开采的威胁程度、合理布置底板巷道等目的[7]，其理论基础涉及损伤力学、弹性力学等，研究手段涵盖理论分析、数值计算、实验室实验、现场试验等多种方法。跨采巷道支护技术研究主要集中在20世纪80年代以后，研究主要涉及巷道布置、围岩岩性、支护形式等因素对跨采巷道围岩应力、位移等的影响，基于巷道围岩应力及位移分布规律的研究对巷道稳定

4、性加以控制。上覆工作面采动产生采场支承压力，通过煤体和矸石向底板岩层传递，底板应力产生复杂变化[8]。受跨采巷道外部环境如上覆工作面采动条件、工作面与底板巷道空间位置关系、围岩力学性质等的影响，跨采巷道围岩应力场及位移场分布极为复杂。张金才，刘天泉[9-10]研究采动影响下底板应力场及位移场演化规律，沿煤层走向将底板附加应力变化分为三个区域[11-14]：应力增高区、应力降低区、应力恢复区，并根据弹塑性理论求解出底板岩层内附加垂直应力分布，得到底板岩层应力明显变化带的深度与形态。张华磊[15-16]基于弹性力学，应用附加应力算法建立采场底板应力分布的力学模型，结合应力分析

5、方法求得工作面采动引起的底板任一点的附加应力，并利用数学分析软件MATHCAD绘制出底板不同深度附加垂直应力及剪应力沿推进方向的三维立体分布图，直观反映出底板附加应力的分布特征，得出采动支承压力在底板中的传播规律：底板下某点的采动应力集中系数随着埋深的增加而逐渐减小，卸压程度随着埋深的增加而逐渐减弱。..2斜跨式巷道围岩变形弹性力学分析2.1超前支承压力在底板中的远场应力分布超前支承压力对底板巷道的作用时间虽然比侧向支承压力短很多，但其对巷道的变形破坏程度要比侧向支承压力强烈，因而巷道长时稳定性由侧向支承压力决定，而超前支承压力则决定巷道能否有机会进入稳定状态。为掌握斜跨

6、式巷道围岩应力与变形分布情况，就必须在求出巷道围岩远场应力解的基础上进行，据此求得围岩应力与变形的解析解。把斜跨式巷道围岩稳定性问题看作平面应变问题，分别对超前支承压力及侧向支承压力作用下的底板巷道远场应力进行弹性力学分析。可以看出，巷道位置附近超前支承压力在底板巷道围岩的远场应力分布情况受巷道与工作面的垂直距离h及巷道与工作面超前支承压力峰值的距离0y影响。2.2侧向支承压力在底板中的远场应力分布建立如图2-2所示的坐标系：其中，坐标原点处在采煤工作面端头；上覆工作面开采产生的支承压力在底板中传播，超前支承压力对处于工作面下方的斜跨式巷道的作用时间虽然短暂，但破坏性极强

7、，而巷道长期稳定与否主要受侧向支承压力在巷道周边的分布影响，根据超前及侧向支承压力在底板中的分布特征，应用弹性力学理论，分析斜跨式底板岩石巷道周围应力与变形的空间变化规律。（1）根据上覆工作面开采过程中超前及侧向支承压力的分布特征，分别建立斜跨式巷道围岩变形的平面应变力学模型，求得超前及侧向支承压力作用下的斜跨式巷道的远场应力解。（2）基于对斜跨式底板岩石巷道远场应力的分析，建立巷道围岩应力与变形的力学模型，应用弹性力学理论求得巷道围岩应力与变形的弹性解，从而得到超前及侧向支承压力共同作用下巷道应力与位移的空间表达式。3斜跨式