论文部分内容阅读
摘 要：通过深部回采巷道底鼓的发生、发展及诸因素相互作用结果力学机理分析，得出了回采巷道的底鼓不仅与底板岩层的力学特性有关，还与开采深度、工作面超前支承压力、顶板及上覆岩层变形、两帮变形有关，是诸因素综合作用的结果。
关键词：深部 底鼓 力学机理
巷道底鼓一直是煤矿地下开采工程中难以解决的问题之一，强烈的底鼓带来大量的维修工作，增加巷道维护费用，严重影响着矿井的安全生产。加之开采深度的不断增加或受到采动影响，回采巷道底鼓现象表现优为突出。因此，研究深部回采巷道底鼓力学机理意义重大，为巷道底鼓的控制提供科学依据。
1 掘进对底板岩层的影响
巷道开挖以后，破坏了岩体的原岩应力状态，引起应力重新分布，围岩将向巷道内移动。岩石在不同应力状态下存储不同的应变能。应力状态改变时，应变能也随之改变。原岩最大压应力大于围岩的单轴抗压强度时,在巷道开挖过程中，岩石会挤压破碎。
回采巷道掘进时，当水平地应力大于垂直地应力时，巷道的开挖对底板岩石来说，是降低了围压，当水平应力超过底板岩石的单轴抗压强度时，底板在开掘过程中即遭破坏；反之底板是稳定的。当垂直地应力超过水平地应力，巷道的开掘减少了最大主应力。此时，若水平地应力小于岩石单轴抗压强度，底板则是稳定的，底板的变形属应变回弹。
从能量的角度分析，底板岩层处于三向应力状态时，允许储存很大的应变能。巷道开掘后，在周围形成应力集中区，在应力集中区形成能量集聚。当围岩最小主应力降低，允许储存的能量随之降低。如集聚的能量大于该点的极限储存能，多余的能量将自动向深部转移，转移能量的区域产生塑性变形或破裂；当围岩最大主应力降低时，集聚的能量小于该点的极限储存能，因而，岩体是稳定的。
因此，巷道开掘后，底板岩层的破坏与否与岩体本身的力学特性及应力状态有关，并不是巷道开掘后底板岩层便立即遭到破坏。
2 回采巷道底板支承压力分布
工作面开始回采后在前方形成的超前支承压力，与巷道两帮原有集中应力叠加，在巷道两帮底板一定范围内形成高应力区，如图1所示。图中Pz为工作面支承压力，P1为巷旁支承压力峰值。
3 支承压力分布对底板受力变形的影响分析
在支承压力的作用下，巷道底板岩层中将出现0应变点，以上的岩层受到拉应变的作用，以下则为压应变，而底鼓的产生只与0应变点以上的岩层有关，即只与承受拉伸应变的岩层有关。根据现场实测资料，分析了不同支承压力分布，底板岩层的受力变形情况，底板岩层受拉深度和拉应变大小的影响，分析结果如下应变曲线图2~5所示。
从图2、3可知，当支承压力峰值离巷帮距离从3m增加到10m，受拉岩层深度则从2．8m增加到3.8m，底板岩体内最大拉应变从1.4×10-3降低到1.05×10-3。即随着支承压力向煤体深处转移，巷道底板受拉岩层的深度增加，但拉应变降低。
从图4、5可知，当支承压力峰值从25MPa增加到55MPa时，底板岩层受拉深度从2．8m增加到3.15m，底板岩体内最大拉应变从1.25×10-3增加到2.5×10-3。即随着支承压力的增大，底板岩层受拉深度增加，最大拉应变增加。
当煤层和直接顶厚度较大或顶板较坚硬时，支承压力峰值离巷帮较远，因而巷道底板岩层受拉深度增加，但拉应变较小；当煤层和直接顶厚度较小，支承压力峰值靠近巷道，底板岩层受拉深度减小，拉应变增加。而当直接顶和煤体强度较大时，支承压力升高，底板岩层受拉深度和拉应变均增加。
4 超前支承压力对底板岩层抗弯刚度的影响
回采期间，工作面超前支承压力通过两帮传递给巷道底板，底板一定深度的岩层出现垂直压应变。而回采巷道的底板岩层一般为层状岩体，其抗拉强度由层间的弱面所控制，因而抗拉强度很小。因此，巷道底板岩层将在支承压力的作用下产生离层，同时大大降低了底板岩层的抗弯刚度。
5 底板岩层的压曲
工作面超前支承压力通过两帮传递给底板的同时，对两帮煤体的应力和变形也产生重要的影响。在支承压力的作用下，形成新的水平应力，称为“二次水平应力” 二次水平应力对底板岩层的作用过程相当于位移加载过程，使相对完整的底板岩层产生压曲。
6 开采深度对巷道底鼓的影响
随着开采深度的增加，深部围岩条件发生了很大变化，高地应力与采动影响作用将更加显著，岩石呈现明显的软化和弱化现象，软岩特性明显，表现出强膨胀、大变形的特性。因此，随开采深度的增加对巷道底鼓的影响程度也随之加剧。
7 深部回采巷道底鼓过程及力学机理
巷道掘进期间：根据巷道底板岩层的应力状况 (水平应力与垂直应力分布)和岩层本身的力学特性，巷道的开掘对底板岩层的影响程度是不同的。当水平应力较大且超过岩石的单轴极限抗压强度时，巷道开掘后底板岩层将遭破坏。当垂直应力较大，水平应力较小时，巷道的掘进一般只使底板岩层发生应变回弹而不被破坏。
掘进稳定期间：不管底板岩层被破坏还是应变回弹，均不是在瞬间发生的，一般需要一段时间，几天到十几天不等。这一过程完成后，巷道底板和围岩的变形便进入相对稳定阶段。这一阶段，发生应变回弹的底板岩层变形趋近于0。而破裂的底板岩层将继续峰后蠕变，底板将继续向上移动，但速度较小，底板及整个巷道围岩基本处于稳定状态。
回采期间：由于超前支承压力的作用，巷道底板岩层的两侧作用有较大的剪应力，底板一定深度的岩层承受拉应变的作用，以下则为压应变。受拉岩层的深度与支承压力的大小及巷道的宽度有关，支承压力越大，受拉岩层的深度越大。
由于底板岩层一般为层状岩体，而层状岩体的横向抗拉强度受层理等弱面控制，抗拉强度很小。因此，在拉应变的作用下岩层极易被破坏，底板岩层在拉应变作用下主要破坏形式是离层。
底板岩层离层后，抗弯刚度大大降低，同时，在支承压力的作用下，巷道两帮岩层被压缩下沉，并向巷道内移动，形成二次水平应力。在二次水平应力的作用下底板岩层发生压曲破坏，产生底鼓。破碎底板岩层在二次水平应力的作用下，发生折曲并沿原生节理或新生破裂面滑动而产生剪胀变形，底板岩层向巷道内鼓出。
回采巷道底鼓主要来自二次水平应力的作用，与两帮移近量密切相关，而两帮移近量又决定于两帮压缩量，此压缩量不但与煤层本身的力学性质有关，且决定于上覆岩层的力学特性。老顶和直接顶的弹性模量越大，巷道两帮支承压力越大，极限平衡区越宽，两帮煤体向巷道内的移进量越大，底鼓越剧烈，反之，底鼓量越小；煤层的强度越大，顶板下沉量越小，两帮煤体向巷道内的移进量越小，底鼓量越小。
综上所述，掘进及掘后稳定期间回采巷道底板浅部岩层发生向上的位移，但位移速度较小，较深部岩层则基本没有位移。回采期间，在支承压力的作用下，底板岩层受力是回采期间2—3倍，巷道底板浅部岩层受到拉应变的作用被破坏，由于两帮的挤压而向巷道内鼓起；而较深部岩层受到压缩而发生向下位移，这是回采巷道底鼓过程与一般软岩巷道的显著差别。
参考文献： 《矿山压力测控技术》 中国矿业大学出版社
作者简介：王洪涛， 男 ， 1971年12月生。 大学文化， 采矿工程师。 现在山西长治长泰公司永丰煤业从事技术管理工作，曾在国家级和省级刊物上发表科技论文数篇。
关键词：深部 底鼓 力学机理
巷道底鼓一直是煤矿地下开采工程中难以解决的问题之一，强烈的底鼓带来大量的维修工作，增加巷道维护费用，严重影响着矿井的安全生产。加之开采深度的不断增加或受到采动影响，回采巷道底鼓现象表现优为突出。因此，研究深部回采巷道底鼓力学机理意义重大，为巷道底鼓的控制提供科学依据。
1 掘进对底板岩层的影响
巷道开挖以后，破坏了岩体的原岩应力状态，引起应力重新分布，围岩将向巷道内移动。岩石在不同应力状态下存储不同的应变能。应力状态改变时，应变能也随之改变。原岩最大压应力大于围岩的单轴抗压强度时,在巷道开挖过程中，岩石会挤压破碎。
回采巷道掘进时，当水平地应力大于垂直地应力时，巷道的开挖对底板岩石来说，是降低了围压，当水平应力超过底板岩石的单轴抗压强度时，底板在开掘过程中即遭破坏；反之底板是稳定的。当垂直地应力超过水平地应力，巷道的开掘减少了最大主应力。此时，若水平地应力小于岩石单轴抗压强度，底板则是稳定的，底板的变形属应变回弹。
从能量的角度分析，底板岩层处于三向应力状态时，允许储存很大的应变能。巷道开掘后，在周围形成应力集中区，在应力集中区形成能量集聚。当围岩最小主应力降低，允许储存的能量随之降低。如集聚的能量大于该点的极限储存能，多余的能量将自动向深部转移，转移能量的区域产生塑性变形或破裂；当围岩最大主应力降低时，集聚的能量小于该点的极限储存能，因而，岩体是稳定的。
因此，巷道开掘后，底板岩层的破坏与否与岩体本身的力学特性及应力状态有关，并不是巷道开掘后底板岩层便立即遭到破坏。
2 回采巷道底板支承压力分布
工作面开始回采后在前方形成的超前支承压力，与巷道两帮原有集中应力叠加，在巷道两帮底板一定范围内形成高应力区，如图1所示。图中Pz为工作面支承压力，P1为巷旁支承压力峰值。
3 支承压力分布对底板受力变形的影响分析
在支承压力的作用下，巷道底板岩层中将出现0应变点，以上的岩层受到拉应变的作用，以下则为压应变，而底鼓的产生只与0应变点以上的岩层有关，即只与承受拉伸应变的岩层有关。根据现场实测资料，分析了不同支承压力分布，底板岩层的受力变形情况，底板岩层受拉深度和拉应变大小的影响，分析结果如下应变曲线图2~5所示。
从图2、3可知，当支承压力峰值离巷帮距离从3m增加到10m，受拉岩层深度则从2．8m增加到3.8m，底板岩体内最大拉应变从1.4×10-3降低到1.05×10-3。即随着支承压力向煤体深处转移，巷道底板受拉岩层的深度增加，但拉应变降低。
从图4、5可知，当支承压力峰值从25MPa增加到55MPa时，底板岩层受拉深度从2．8m增加到3.15m，底板岩体内最大拉应变从1.25×10-3增加到2.5×10-3。即随着支承压力的增大，底板岩层受拉深度增加，最大拉应变增加。
当煤层和直接顶厚度较大或顶板较坚硬时，支承压力峰值离巷帮较远，因而巷道底板岩层受拉深度增加，但拉应变较小；当煤层和直接顶厚度较小，支承压力峰值靠近巷道，底板岩层受拉深度减小，拉应变增加。而当直接顶和煤体强度较大时，支承压力升高，底板岩层受拉深度和拉应变均增加。
4 超前支承压力对底板岩层抗弯刚度的影响
回采期间，工作面超前支承压力通过两帮传递给巷道底板，底板一定深度的岩层出现垂直压应变。而回采巷道的底板岩层一般为层状岩体，其抗拉强度由层间的弱面所控制，因而抗拉强度很小。因此，巷道底板岩层将在支承压力的作用下产生离层，同时大大降低了底板岩层的抗弯刚度。
5 底板岩层的压曲
工作面超前支承压力通过两帮传递给底板的同时，对两帮煤体的应力和变形也产生重要的影响。在支承压力的作用下，形成新的水平应力，称为“二次水平应力” 二次水平应力对底板岩层的作用过程相当于位移加载过程，使相对完整的底板岩层产生压曲。
6 开采深度对巷道底鼓的影响
随着开采深度的增加，深部围岩条件发生了很大变化，高地应力与采动影响作用将更加显著，岩石呈现明显的软化和弱化现象，软岩特性明显，表现出强膨胀、大变形的特性。因此，随开采深度的增加对巷道底鼓的影响程度也随之加剧。
7 深部回采巷道底鼓过程及力学机理
巷道掘进期间：根据巷道底板岩层的应力状况 (水平应力与垂直应力分布)和岩层本身的力学特性，巷道的开掘对底板岩层的影响程度是不同的。当水平应力较大且超过岩石的单轴极限抗压强度时，巷道开掘后底板岩层将遭破坏。当垂直应力较大，水平应力较小时，巷道的掘进一般只使底板岩层发生应变回弹而不被破坏。
掘进稳定期间：不管底板岩层被破坏还是应变回弹，均不是在瞬间发生的，一般需要一段时间，几天到十几天不等。这一过程完成后，巷道底板和围岩的变形便进入相对稳定阶段。这一阶段，发生应变回弹的底板岩层变形趋近于0。而破裂的底板岩层将继续峰后蠕变，底板将继续向上移动，但速度较小，底板及整个巷道围岩基本处于稳定状态。
回采期间：由于超前支承压力的作用，巷道底板岩层的两侧作用有较大的剪应力，底板一定深度的岩层承受拉应变的作用，以下则为压应变。受拉岩层的深度与支承压力的大小及巷道的宽度有关，支承压力越大，受拉岩层的深度越大。
由于底板岩层一般为层状岩体，而层状岩体的横向抗拉强度受层理等弱面控制，抗拉强度很小。因此，在拉应变的作用下岩层极易被破坏，底板岩层在拉应变作用下主要破坏形式是离层。
底板岩层离层后，抗弯刚度大大降低，同时，在支承压力的作用下，巷道两帮岩层被压缩下沉，并向巷道内移动，形成二次水平应力。在二次水平应力的作用下底板岩层发生压曲破坏，产生底鼓。破碎底板岩层在二次水平应力的作用下，发生折曲并沿原生节理或新生破裂面滑动而产生剪胀变形，底板岩层向巷道内鼓出。
回采巷道底鼓主要来自二次水平应力的作用，与两帮移近量密切相关，而两帮移近量又决定于两帮压缩量，此压缩量不但与煤层本身的力学性质有关，且决定于上覆岩层的力学特性。老顶和直接顶的弹性模量越大，巷道两帮支承压力越大，极限平衡区越宽，两帮煤体向巷道内的移进量越大，底鼓越剧烈，反之，底鼓量越小；煤层的强度越大，顶板下沉量越小，两帮煤体向巷道内的移进量越小，底鼓量越小。
综上所述，掘进及掘后稳定期间回采巷道底板浅部岩层发生向上的位移，但位移速度较小，较深部岩层则基本没有位移。回采期间，在支承压力的作用下，底板岩层受力是回采期间2—3倍，巷道底板浅部岩层受到拉应变的作用被破坏，由于两帮的挤压而向巷道内鼓起；而较深部岩层受到压缩而发生向下位移，这是回采巷道底鼓过程与一般软岩巷道的显著差别。
参考文献： 《矿山压力测控技术》 中国矿业大学出版社
作者简介：王洪涛， 男 ， 1971年12月生。 大学文化， 采矿工程师。 现在山西长治长泰公司永丰煤业从事技术管理工作，曾在国家级和省级刊物上发表科技论文数篇。