潘一东矿软岩巷道底鼓机理与控制方法
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表1
测点水平 /m － 847 最大主应 力 / MPa 30． 02
地应力测试结果
垂直应力 / MPa 16． 83 最小主应 力 / MPa 9． 46 最大水平 应力方向 / （ ° ） NE87
2
力学分析
岩体在长期的地质运动作用下其内部赋存大量 裂隙等初始损伤缺陷， 这些缺陷尺寸相对岩体 节理、 尺寸可近似为低阶小量， 因而可用损伤的宏观效应 ［8 ］ 来研究岩体梁中节理等的总体效应 。 现假设巷 道底板为两端固支的损伤岩梁结构 （ 纵向取单位宽
Research on Mechanism and Control of Roadway Floor Heave in Panyidong Coal Mine
WANG Liang － hai，KAN Jia － guang，QIAN De － yu （ School of Mine Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008 ，China） Abstract： Floor heave is one of the key factors hindering the safety production of deep mines． Based on the mechanics analysis of damaged rock beam， the main influence factors of floor heave are analyzed． Aiming to those，the system control method of floor heave has been proposed． Combined with specific geological conditions of Panyidong coal mine，the reasonable supporting parameters is determined by numerical simulation． Key words： floor heave； fixed rock beam； system control method； effective bearing width
基金 项 目： 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 项 目 （ 2010QNA29 ）
井分 2 个水平开采， 分别为 － 848 m 和 － 980 m， 试 其断面为直墙 验点为 － 848 m 水平井底车场巷道， 半圆拱形， 中高 × 宽 = 4． 5 m × 5． 6 m。 本段位于二 叠系上石盒子组含煤岩层， 岩性以花斑泥岩、 炭质泥 泥岩、 砂质泥岩为主， 矿井地压大， 巷道围岩较为 岩、 松软破碎， 稳定性差， 加之 F32 断层沿东西方向贯穿 井底车场， 其构造应力对井巷稳定性的影响进一步 给安全生产带来严重影响。 巷道充水因素主 加剧， 要为顶板砂岩裂隙水， 以静贮量为主， 局部裂隙发育 处可能出现短期滴淋水现象， 总体上水文地质条件 较简单。该井底车场处地应力测试结果见表 1 。
· 22·
（ 第 43 卷第 3 期）
试验·研究
度） ， 其内部赋存大量的节理裂隙， 该结构的力学模 型如图 1 。
则 M0 的数值应使得中截面处转角为 0 ， 进而算出该 为满足 截面的弯矩和挠度。 根据梁结构叠加原理， 中截面处转角为 0 ， 计算得到中截面弯矩为： 2 3 ql q'm M0 = － 24 3l 进一步计算得到中截面处挠度 y 为： ql4 － 16 q'lm3 + 16 q'm4 y= 384 E0 （ 1 － D） I （ 2）
（ 3）
l － 底板岩梁的长度； m － 巷道两帮的有效承载宽度 q' － 两帮上的支撑压力 ； q － 作用在底板上的应力
令 K = E0 （ 1 － D ） I， 为岩梁的损伤刚度。 则式 （ 3 ） 可改写为： y= ql4 － 16 q'lm3 + 16 q'm4 384 K （ 4）
图1
损伤岩梁力学模型
记岩梁的损伤程度参量为 D， 且 D = 0 表示岩梁 无损伤； 0 ＜ D ＜ 1 对应于岩梁的不同损伤程度； D = 1 表示岩梁完全断裂。 由损伤力学知， 受损岩梁的 损伤本构关系为： （ 1） σ = E0 （ 1 － D） ε 式中， σ 为受损岩梁的有效应力， ε 为受损岩梁 E0 为无损伤时岩梁弹性模量。 的有效应变， 利用模型的对称性， 记梁中截面的弯矩为 M0 ，
试验·研究
百度文库
（ 2012 － 03 ）
· 21·
潘一东矿软岩巷道底鼓机理与控制方法
汪良海， 阚甲广， 钱德雨
（ 中国矿业大学 矿业工程学院 ， 江苏 徐州 221008 ）
要：底鼓难题是制约深部矿井安全生产的关键因素之一 。基于固支岩梁力学分析， 分析了影 响巷道底鼓的主要因素， 并针对性地提出了底鼓治理的系统控制法 ， 结合潘一东矿巷道具体地质 摘 条件， 通过数值模拟的方法确定了合理支护参数 。 关键词：底鼓； 固支岩梁； 系统控制法； 有效承载宽度 中图分类号：TD327． 3 文献标志码：A 文章编号：1003 － 496X（ 2012 ） 03 － 0021 － 04
巷道由于掘进或受回采影响引起其围岩应力状 使 态发生变化以及在维护过程中围岩性质的变化 ， 顶底板和两帮岩体变形并向巷道内移动， 底板向上 ［1 ］ 隆起， 这种现象称之为底鼓 。 随着矿井开采深度 的增加， 巷道在深部极其复杂的应力条件下 ， 其整体 稳定性急剧恶化， 其中底鼓尤为突出， 严重影响了矿 井的安全生产。针对巷道底鼓这一难题， 许多学者 就底鼓机理和控制措施进行了大量的研究 ， 取得了 丰富的成果， 归纳起来为： 底鼓机理方面认为， 底鼓 包括挤压流动性底鼓、 挠曲褶皱性底鼓、 遇水膨胀性 底鼓和剪切错动性底鼓； 底鼓控制方面形成了加固 ［2 － 7 ］ 。这些研究成果对解决某 法和卸压法 2 种思路 些情况下的底鼓起到了很好的作用， 但对深部复杂 条件下软岩巷道底鼓收效甚微， 究其原因为单一片 面的控制方法已不能够适应深部复杂的应力环境 。 基于固支岩梁力学分析， 分析了影响巷道底鼓的主 要因素， 在此基础上提出了底鼓治理的系统控制法 ， 采用数值模拟的方法确定合理支护参数 。 1 工程概况 潘一东矿井位于安徽省淮南市北部潘集区， 矿
测点水平 /m － 847 最大主应 力 / MPa 30． 02
地应力测试结果
垂直应力 / MPa 16． 83 最小主应 力 / MPa 9． 46 最大水平 应力方向 / （ ° ） NE87
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力学分析
岩体在长期的地质运动作用下其内部赋存大量 裂隙等初始损伤缺陷， 这些缺陷尺寸相对岩体 节理、 尺寸可近似为低阶小量， 因而可用损伤的宏观效应 ［8 ］ 来研究岩体梁中节理等的总体效应 。 现假设巷 道底板为两端固支的损伤岩梁结构 （ 纵向取单位宽
Research on Mechanism and Control of Roadway Floor Heave in Panyidong Coal Mine
WANG Liang － hai，KAN Jia － guang，QIAN De － yu （ School of Mine Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008 ，China） Abstract： Floor heave is one of the key factors hindering the safety production of deep mines． Based on the mechanics analysis of damaged rock beam， the main influence factors of floor heave are analyzed． Aiming to those，the system control method of floor heave has been proposed． Combined with specific geological conditions of Panyidong coal mine，the reasonable supporting parameters is determined by numerical simulation． Key words： floor heave； fixed rock beam； system control method； effective bearing width
基金 项 目： 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 项 目 （ 2010QNA29 ）
井分 2 个水平开采， 分别为 － 848 m 和 － 980 m， 试 其断面为直墙 验点为 － 848 m 水平井底车场巷道， 半圆拱形， 中高 × 宽 = 4． 5 m × 5． 6 m。 本段位于二 叠系上石盒子组含煤岩层， 岩性以花斑泥岩、 炭质泥 泥岩、 砂质泥岩为主， 矿井地压大， 巷道围岩较为 岩、 松软破碎， 稳定性差， 加之 F32 断层沿东西方向贯穿 井底车场， 其构造应力对井巷稳定性的影响进一步 给安全生产带来严重影响。 巷道充水因素主 加剧， 要为顶板砂岩裂隙水， 以静贮量为主， 局部裂隙发育 处可能出现短期滴淋水现象， 总体上水文地质条件 较简单。该井底车场处地应力测试结果见表 1 。
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（ 第 43 卷第 3 期）
试验·研究
度） ， 其内部赋存大量的节理裂隙， 该结构的力学模 型如图 1 。
则 M0 的数值应使得中截面处转角为 0 ， 进而算出该 为满足 截面的弯矩和挠度。 根据梁结构叠加原理， 中截面处转角为 0 ， 计算得到中截面弯矩为： 2 3 ql q'm M0 = － 24 3l 进一步计算得到中截面处挠度 y 为： ql4 － 16 q'lm3 + 16 q'm4 y= 384 E0 （ 1 － D） I （ 2）
（ 3）
l － 底板岩梁的长度； m － 巷道两帮的有效承载宽度 q' － 两帮上的支撑压力 ； q － 作用在底板上的应力
令 K = E0 （ 1 － D ） I， 为岩梁的损伤刚度。 则式 （ 3 ） 可改写为： y= ql4 － 16 q'lm3 + 16 q'm4 384 K （ 4）
图1
损伤岩梁力学模型
记岩梁的损伤程度参量为 D， 且 D = 0 表示岩梁 无损伤； 0 ＜ D ＜ 1 对应于岩梁的不同损伤程度； D = 1 表示岩梁完全断裂。 由损伤力学知， 受损岩梁的 损伤本构关系为： （ 1） σ = E0 （ 1 － D） ε 式中， σ 为受损岩梁的有效应力， ε 为受损岩梁 E0 为无损伤时岩梁弹性模量。 的有效应变， 利用模型的对称性， 记梁中截面的弯矩为 M0 ，
试验·研究
百度文库
（ 2012 － 03 ）
· 21·
潘一东矿软岩巷道底鼓机理与控制方法
汪良海， 阚甲广， 钱德雨
（ 中国矿业大学 矿业工程学院 ， 江苏 徐州 221008 ）
要：底鼓难题是制约深部矿井安全生产的关键因素之一 。基于固支岩梁力学分析， 分析了影 响巷道底鼓的主要因素， 并针对性地提出了底鼓治理的系统控制法 ， 结合潘一东矿巷道具体地质 摘 条件， 通过数值模拟的方法确定了合理支护参数 。 关键词：底鼓； 固支岩梁； 系统控制法； 有效承载宽度 中图分类号：TD327． 3 文献标志码：A 文章编号：1003 － 496X（ 2012 ） 03 － 0021 － 04
巷道由于掘进或受回采影响引起其围岩应力状 使 态发生变化以及在维护过程中围岩性质的变化 ， 顶底板和两帮岩体变形并向巷道内移动， 底板向上 ［1 ］ 隆起， 这种现象称之为底鼓 。 随着矿井开采深度 的增加， 巷道在深部极其复杂的应力条件下 ， 其整体 稳定性急剧恶化， 其中底鼓尤为突出， 严重影响了矿 井的安全生产。针对巷道底鼓这一难题， 许多学者 就底鼓机理和控制措施进行了大量的研究 ， 取得了 丰富的成果， 归纳起来为： 底鼓机理方面认为， 底鼓 包括挤压流动性底鼓、 挠曲褶皱性底鼓、 遇水膨胀性 底鼓和剪切错动性底鼓； 底鼓控制方面形成了加固 ［2 － 7 ］ 。这些研究成果对解决某 法和卸压法 2 种思路 些情况下的底鼓起到了很好的作用， 但对深部复杂 条件下软岩巷道底鼓收效甚微， 究其原因为单一片 面的控制方法已不能够适应深部复杂的应力环境 。 基于固支岩梁力学分析， 分析了影响巷道底鼓的主 要因素， 在此基础上提出了底鼓治理的系统控制法 ， 采用数值模拟的方法确定合理支护参数 。 1 工程概况 潘一东矿井位于安徽省淮南市北部潘集区， 矿