回采巷道錨桿支護(hù)頂板穩(wěn)定性分析.pdf

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1、第24卷第5期煤炭學(xué)報Vol.24No.51999年　10月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYOct.1999　　文章編號:0253-9993(1999)05-0466-05回采巷道錨桿支護(hù)頂板穩(wěn)定性分析12勾攀峰,侯朝炯(11焦作工學(xué)院資源與材料工程系,河南焦作　454159;21中國礦業(yè)大學(xué)采礦系,江蘇徐州　221008)摘　要:在分析巷道圍巖應(yīng)力分布特征和錨桿支護(hù)巷道頂板破壞形式的基礎(chǔ)上,指出巷道錨桿支護(hù)頂板嚴(yán)重破壞的類型可分為兩類:(1)頂板錨固巖體沿巷道兩幫上方的滑落,即

2、出現(xiàn)剪切破壞;(2)頂板錨固巖體發(fā)生壓縮破壞.據(jù)此建立了巷道頂板穩(wěn)定性分析模型,提出了頂板穩(wěn)定的判別準(zhǔn)則.關(guān)鍵詞:錨桿支護(hù);穩(wěn)定性;判別準(zhǔn)則+中圖分類號:DT353.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A1　回采巷道頂板破壞特征分析回采巷道采用錨桿支護(hù)時,斷面一般為矩形,其兩幫為煤體,頂板為煤層,假設(shè)巷道的長度足夠長,則巷道的變形可以作為平面問題處理.[1～3]根據(jù)矩形巷道周圍應(yīng)力分布規(guī)律,可以看出,矩形巷道頂板的破壞有如下特征:在煤層與直接頂?shù)慕唤缣幰约爸苯禹攷r層中間可能產(chǎn)生滑動,滑動的范圍與應(yīng)力場的大小以及巷道的尺

3、寸有關(guān).在跨度層厚之比低的情況下,只在巷道頂角處產(chǎn)生滑動,在巖體中表現(xiàn)為與層面近乎垂直的裂隙的張開.對于跨度層厚之比很高的情況,滑動區(qū)包括直接頂板的整個跨度.由于沿層面滑動方向產(chǎn)生朝向?qū)用婵缍戎行木€的內(nèi)位移,所以巷道頂板下部巖層在其中心處與緊靠它的上部巖層有脫開的趨勢.頂板下部巖層與上部巖層分開就表明頂板下部巖層必須單獨(dú)承受它自己的全部重量.如果直接頂強(qiáng)度較低,由于巷道四角處的壓應(yīng)力較高,在應(yīng)力重新分布的過程中可能造成巷道直接頂巖層被擠壓破壞,巖石強(qiáng)度處于峰后應(yīng)力狀態(tài);如應(yīng)力仍超過巖石的殘余強(qiáng)度時

4、,頂板將出現(xiàn)嚴(yán)重失穩(wěn).總之,對于厚頂板層,巷道頂板在兩頂角附近會出現(xiàn)滑動與開裂,產(chǎn)生由于頂板巖層剪切位移而使兩頂角上方發(fā)生斷裂的可能性;對于薄層頂板,可能由于離層而造成冒落;對于強(qiáng)度較低的頂板,可能由于擠壓而破壞.2　回采巷道錨桿支護(hù)頂板穩(wěn)定性分析模型211　錨桿支護(hù)頂板破壞的主要形式[4]總結(jié)錨桿支護(hù)的生產(chǎn)實(shí)踐,其頂板破壞的形式很多,主要的破壞形式:(1)巷道頂板受節(jié)理裂隙的影響,頂板錨桿之間發(fā)生局部漏頂,繼而擴(kuò)大塌漏抽冒,如不及時控制,則最終形成冒落拱,如圖1(a)所示;(2)巷道頂板為離層性

5、的復(fù)合頂板或鑲嵌型結(jié)構(gòu),當(dāng)錨桿部分失效或支護(hù)不當(dāng)時,頂板可能較大范圍的呈層狀整體冒落,如圖1(b)所示;如果錨固范圍外存在松軟巖層,則一起冒落,如圖1(c)所示.212　錨桿支護(hù)頂板穩(wěn)定性分析模型收稿日期:1999-03-10第5期　　　　　　　　　　　　　　勾攀峰等:回采巷道錨桿支護(hù)頂板穩(wěn)定性分析467圖1　錨桿支護(hù)巷道頂板破壞的主要形式Fig11Principaldestructiveformofroof2boltroadway　　通過對巷道頂板破壞特征分析,結(jié)合錨桿支護(hù)頂板破壞的主要形式,可

6、以將巷道頂板嚴(yán)重破壞的類型分為兩種:(1)沿拱座處(巷道兩頂角上方)發(fā)生剪切破壞;(2)巷道頂板強(qiáng)度較低,拱座處及巷道頂板因受擠壓超過巖石的殘余強(qiáng)度時發(fā)生壓縮破壞.有時巷道頂板表面因局部受拉有發(fā)生局部冒頂?shù)目赡?采用良好的護(hù)頂措施如W鋼帶、金屬網(wǎng)一般就能控制.根據(jù)巷道頂板嚴(yán)重破壞類型,并假設(shè)錨固巖體為均質(zhì)巖體,建立理想的頂板穩(wěn)定性分析模型,如圖2所示.圖2　頂板穩(wěn)定性分析模型Fig12Modelfortheanalysisstabilityofroadway’sroofmB———巷寬;X0———巷

7、幫塑性區(qū)寬度;σ3———錨桿施加的軸向等效應(yīng)力;D———潛在冒落塊高度;n———側(cè)向荷載深度比;nD———側(cè)向力作用的深度;T———誘導(dǎo)側(cè)向力;Z0———誘導(dǎo)側(cè)向力與拱中心處應(yīng)力組成力偶的初始力臂為方便求解,對系統(tǒng)的荷載分布及側(cè)向應(yīng)力的作用線作如下假定:(1)巷道處于平面應(yīng)變狀態(tài),沿巷道軸向的長度為1個單位;(2)錨固范圍內(nèi)的巖體處于巷道頂板承壓拱下,在錨固區(qū)外已發(fā)生離層;(3)由于錨固范圍巖體的彎曲下沉而引起的側(cè)向作用力呈三角形分布,且側(cè)向應(yīng)力不會均勻地沿軸向穿過錨固體的豎截面,側(cè)向載荷的傳遞近

8、似為拋物線的拱;(4)頂板角錨桿的安裝角為α,其它頂板錨桿垂直巷道頂板安裝,且潛在冒落邊界兩邊垂直于巷道頂板.從圖2(c)可以看出,潛在冒落塊由鉛垂撓度誘導(dǎo)側(cè)向水平力(T)、冒落邊界的摩擦力(F)和頂角錨桿冒落范圍以外部分的錨固力(N1)共同支承起自身重量W.m鉛垂錨桿的作用除改變錨固體的E,C,φ值外,還在垂直方向上對錨固體施加作用力σ3,這個力在潛在冒落塊內(nèi)部屬于內(nèi)力,不影響整個潛在冒落塊在外部力作用下的平衡,但控制冒落塊體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài),影響錨固體內(nèi)巖層的穩(wěn)定性.468煤