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巷道层状组合底板在垂直压力下的底鼓研究Study on Heaving Mechanism of Layered Combination Roadway Floor under Vertical Pressure摘要巷道底板岩层组合结构是巷道底鼓的根本性内因之一，决定着在垂直压力作用下，巷道底鼓类型及底鼓变形量。本文利用弹性地基梁理论、组合梁理论，建立了巷道底板力学模型并对巷道的底鼓影响因素进行了理论推导、分析；采用FLAC3D数值计算和相似模拟实验相结合的研究方法，对“硬-软-硬”巷道底板岩层组合在层厚、强度、巷道跨度差异时在垂直压力下的底鼓量、应力进行对比分析。得到的有益结论为：巷道底鼓量与巷道底板岩层组合关系密切，底鼓主要影响因素为硬岩厚度、临近软硬岩层层厚比、巷道跨度、煤层强度。（1）巷道底板硬岩厚度的增大及软岩厚度的减小，对巷道底鼓现象的减弱起着关键性作用；（2）煤层强度的提高，围岩抗剪强度提高，可减小巷道的两帮移近量，移近量的减小大大减弱了煤层移动对底板的水平面力，进而对底鼓影响减小。（3）采用物理实验研究了垂直压力对巷道底鼓的影响：底板“硬软硬”岩层组合下，随压力逐渐增加，底鼓由挠曲型底鼓逐渐转变为软岩膨胀型底鼓，底板薄硬岩层受压折断成为底鼓类型转变时机。（4）巷道跨度增加，底板不同位置处变形量均增大；巷道跨度增大，煤帮塑性区增大，煤壁对下方底板的压模作用及位移约束减弱，底鼓量增大。该论文有60幅图，表9个，参考文献63篇。关键词：底鼓机理；岩层组合；硬-软-硬结构；影响因素AbstractThe composite structure of floor strata in roadway is one of the most fundamental internal cause for the floor heave, it determines the type and deformation of floor heave under the effect of vertical pressure.In this paper, the theory of elastic foundation beam and composite structure beam have been used to establish the mechanics model of the roadway floor, even more, factors of floor heave have been derived and analyzed on theory ; the hard - soft - hard combination of roadway floor rock in the layer thickness, strength, the tunnel span differences in the amount of floor heave under the vertical pressure and stress have been analyzed and compared by synthetically using FLAC3D and numerical simulation . The conclusions are as follows: the amount of floor heave of roadway is closely related to composite floor strata of roadway, and the main influence factors are the thickness of hard rock, the ratio of layer thickness between the hard and soft rock close to each other, the span of roadway, the strength of coal seam.(1)The increase on thickness of hard rock in floor of roadway and the decrease on thickness of the soft rock plays a key role to weak the phenomenon the floor heave of roadway.(2) With the increment of the strength of coal seam, surrounding rock shear strength increase, and it can reduce the amounts of two sides closer, the decrease of closer greatly reduced the level of the horizontal force for floor of coal seam. As a result ,the influence to the floor heave of roadway will decrease.(3) The floor heave of roadway under vertical press have been researched and analyzed by using physical experiment. The floor under the hard-soft-hard rock combination, with the increase of press gradually, flexural type floor heave gradually transforms to floor heave of soft rock inflating, it will be the turning point for transforming to the type of floor heave.(4)With the increase of roadway span, the deformation will all increase in different places in floor, in the same way, the plastic area will increase on the side of coal, the pressure and displacement constraint in floor will weaken under the wall of coal, the amount of floor heave will increase.The paper has 60 pictures, 9 tables, 63 references.Key words: Mechanics of floor heave; Strata combination; Hard - soft - hard structure; Influence factors目录摘要I目录III图清单VII表清单XI变量注释表XII1绪论11.1课题的提出及研究意义11.2国内外研究现状21.3论文研究的主要内容、方法、目标72 巷道层状复合底板力学分析92.1塑性滑移场理论分析92.2应用弹性地基梁分析下伏岩层地基反力102.3底板组合梁受力分析152.4本章小结183 基于层状复合底板的底鼓数值模拟分析203.1 数值模拟简介203.2 数值模拟的建立203.3数值模拟计算与结果分析223.4本章小结344 相似材料模拟研究354.1相似模拟理论354.2模拟试验方案364.3相似试验结果分析414.4本章小结475 工业性试验495.1巷道基本地质概况495.2 煤层赋存特征495.3底板控制补强支护设计535.4 矿压监测546 结论58参考文献59作者简历63学位论文原创性声明64学位论文数据集65ContentsAbstractIIContentsVList of FiguresVIIList of TablesXIList of VariablesXII1 Introduction11.1Introduction of Topics and Research Significance11.2The Research Status at Home and Abroad21.3 The Paper Studies the Main Content, Method, Target72 Layered Composite Plate Mechanics Analysis of Roadway92.1The Plastic Slip Field Theory Analysis92.2Beam on Elastic Foundation is used to Analyze Underlying Rock Foundation Force102.3Plate Finite Element Stress Analysis152.4 The Summary of This Chapter183 Analysis of Floor heave of Layered Composite Floor Based on theNumerical Simulation 203.1 Numerical Simulation of Profile203.2 The Establishment of the Numerical Simulation203.3Numerical Simulation and The Result Analysis223.4The Summary of This Chapter344 Similar Material Simulation studies354.1Analog Simulation Theory354.2Simulation Test Plan364.3Similar Test Results Analysis414.4The Summary of This Chapter475 Industrial Test495.1Basic Geological Condition of Roadway495.2 The Occurrence Characteristics of Coal Seam495.3Floor Control Reinforcing Supporting Design535.4Pressure Monitoring546 Conclusion58Reference59Author Resume63Declaration of Thesis originality64Thesis Date Collection65图清单图序号图名称页码图1-1技术路线图8Fig.1-1Technology roadmap8图2-1滑移线场理论示意图9Fig.2-1Sketch the slip line field theory9图2-2层状底板弹性地基梁分析模型10Fig.2-2Layered slab beam on elastic foundation analysis model10图2-3不同q/E值对应底板下沉量14Fig.2-3Different q/E value corresponding to the sink of floor14图2-4不同直接底厚度对应的巷道底板下沉量14Fig.2-4The sink of different thickness of bottom directly corresponds to the floor of roadway14图2-5巷道底板组合梁受力分析示意图15Fig.2-5Finite element analysis of roadway floor stress analysis diagram15图2-6巷道直接底岩层受力分析示意图15Fig.2-6Roadway bottom rock stress analysis diagram directly15图2-7底板压曲示意图16Fig.2-7Plate buckling16图2-8抗弯刚度与临界水平载荷关系图18Fig.2-8Flexural rigidity and critical level load diagram18图2-9巷道跨度与临界水平载荷关系图18Fig.2-9Tunnel span and critical level load diagram18图3-1实际模型建立示意图21Fig.3-1The actual model diagram is established21图3-2硬岩层厚变化对底鼓量的影响分析23Fig.3-2The relationship between the thickness of direct bottom and the amount of heaving floor23图3-3直接底厚度变化对底鼓量的影响图24Fig.3-3Influence of directfloor thickness and the movement of floor24图3-4软岩厚度对底鼓量的影响分析25Fig.3-4Relationship between the thickness of soft rock and the amount of heaving floor25图3-5软岩厚度变化对底鼓量的影响图25Fig3-5Influence of the change of soft rock thickness on the amount of heaving floor25图3-6相邻层厚比对巷道底鼓量的影响25Fig.3-6Influence of the change of adjacent layer thickness ratio to the amount of heaving floor25图3-7巷道跨度对底鼓量的影响分析26Fig.3-7Influence of the roadway span to the amount of heaving floor 26图3-8巷道跨度与底鼓量的关系图27Fig.3-8Relationship of roadway span and floor heaving27图3-9煤体弹性模量对底鼓量的影响关系28Fig.3-9Influence of the coal seam strength to the amount of heaving floor 28图3-10巷道形变量与煤层强度的关系29Fig.3-10Relationship between the strength of coal seam and the roadway shape variables29图3-11垂直压力大小对底鼓量的影响30Fig.3-11Influence of the vertical pressure on the amount of heaving floor30图3-12巷道底鼓量与垂直压力的关系30Fig.3-12Relationship between the vertical pressure and the amount of heaving floor30图3-13巷道支护设计方案图31Fig.3-13Roadway support design diagram31图3-14巷道在无支护状态下垂直应力分布32Fig.3-14Vertical stress distribution of roadway without support32图3-15巷道在锚杆+底角锚索支护状态垂直应力分布32Fig.3-15Vertical stress distribution of roadway without support under points of anchor cable anchor supporting32图3-16巷道在无支护状态下位移分布32Fig.3-16Displacement distribution of roadway without support32图3-17模拟巷道在锚杆+底角锚索支护状态位移分布33Fig.3-17Displacement distribution of roadway with points of anchor cable anchor supporting33图4-1矩形巷道受力示意图37Fig.4-1Rectangular roadway stress diagram37图4-2矩形巷道受力简化图37Fig.4-2Rectangular roadway stress simplified diagram37图4-3模拟试验台38Fig.4-3Simulation test bench 38图4-4测点布置平面图39Fig.4-4Measuring point layout plan39图4-5TS3890型静态应变仪39Fig.4-5TS3890 static strain gauge type39图4-6应力测量现场图39Fig.4-6Stress measurement field39图4-7应变测量网格制作39Fig.4-7Grid strain measurement39图4-8应变测量网格监测39Fig.4-8Grid monitoring strain measurements39图4-9巷道底鼓相似材料模型布置40Fig.4-9Similar material model of floor heave of roadway layout40图4-100.6米直接底巷道开挖图41Fig.4-100.6 meters direct bottom roadway excavation41图4-111.5米直接底巷道开挖图41Fig.4-111.5 meters direct bottom roadway excavation41图4-120.6米直接底巷道加压0.6MPa41Fig.4-120.6 meters direct bottom tunnel pressure 0.6 MPa42图4-131.5米直接底巷道加压0.6MPa42Fig.4-131.5 meters direct bottom tunnel pressure 0.6 MPa42图4-140.6米直接底巷道加压0.8MPa42Fig.4-140.6 meters direct bottom tunnel pressure 0.8 MPa42图4-151.5米直接底巷道加压0.8MPa43Fig.4-151.5 meters direct bottom tunnel pressure 0.8 MPa43图4-160.6米直接底巷道加压1.4MPa43Fig.4-160.6 meters direct bottom tunnel pressure 1.4 MPa43图4-171.5米直接底巷道加压1.4MPa43Fig.4-171.5 meters direct bottom tunnel pressure 1.4 MPa43图4-18不同直接底巷道压力与底鼓量的关系45Fig.4-18Relationship betweenthe vertical pressureand the amount of drum at the bottom in different thick direct bottom45图4-19直接底为0.6米巷道底板垂直应力分布46Fig.4-19Vertical stress distribution of roadway in 0.6 m direct bottom floor46图4-20直接底为0.6米巷道底板水平应力分布46Fig.4-20Horizontal stress distribution of roadway in 0.6 m direct bottom floor46图4-21直接底为1.5米巷道底板垂直应力分布46Fig.4-21Vertical stress distribution of roadway in 1.5 m direct bottom floor46图4-22直接底为1.5米巷道底板水平应力分布46Fig.4-22Horizontal stress distribution of roadway in 1.5 m direct bottom floor46图5-1综合柱状图51Fig.5-1Integrated histogram51图5-2原始支护断面图52Fig.5-2Original supporting profile52图5-3巷道底鼓破坏素描图53Fig.5-3Damage of floor heave of roadway in sketch53图5-4底板底鼓照片53Fig.5-4Floor bottom drum up photos53图5-5煤帮内移实拍图53Fig.5-5Coal to help move to film in figure53图5-6巷道补强支护图54Fig.5-6Support by reinforcing and figure54图5-7十字三角定位测量方法55Fig.5-7Triangulation measurement method55图5-8强化支护前顶底板移近速度随距工作面距离变化规律56Fig.5-8Rules of approaching speed between floor and top with the distance to the face before support 56图5-9强化支护后顶底板移近速度随距工作面距离变化规律56Fig.5-9Rules of approaching speed between floor and top with the distance to the face after support 56图5-10液压枕安装示意图57Fig.5-10Hydraulic pillow installation schematic diagram57图5-11锚杆工作状态57Fig.5-11Anchor working state57表清单表序号表名称页码表2-1拟合公式中各系数值12Table 2-1Each department in the numerical fitting formula12表3-1主要岩层力学参数表21Table3-1Main rock mechanics parameter list21表4-1几何相似比37Table4-1Geometric similarity ratio37表4-2模型一相似材料配比主要参数40Table 4-2Main parameters in first similar material proportion model40表4-3模型二相似材料配比主要参数40Table 4-3Main parameters in second similar material proportion model40表4-40.6米厚直接底垂直压力与底鼓量的关系44Table4-4Relationship between vertical pressure of0.6 meters thick and floor deformation44表4-51.5米厚直接底垂直压力与底鼓量的关系44Table 4-5Relationship between vertical pressure of1.5 meters thick and floor deformation44表5-1工作面概况50Table5-1Working situation50表5-2煤层顶底板岩性50Table5-2Coal seam roof and floor lithology50变量注释表巷道跨度，m岩石泊松比正应力，MPa岩石抗剪破坏力，MPa直接底厚度，m集中载荷，MPa极限载荷，MPa最大主应力与滑移线夹角，最大主应力与X轴夹角，地基反力系数梁的弹性模量，MPa软岩的弹性模量，MPa梁的惯性距，mm4梁的挠度，mm地基刚度系数地基反力，MPa底板梁弯矩，KNm临界水平载荷，MPa71 绪论1 绪论1 Introduction1.1课题的提出及研究意义(Introduction of Topics and Research Significance)1.1.1 课题研究的背景煤炭地下开采中一个突出的问题是底板岩层的稳定性控制问题，中国工程院院士钱鸣高教授分析底板特征认为：底板岩层在矿山压力控制中涉及两类问题，一方面是煤层开采后引起的底板破坏，其范围将于开采范围及采空区周围的支承压力分布有关，另一方面从采场支护系统而言，支护系统是由“底板-支架-顶板”所组成，因此底板岩层的刚度将直接影响到支护性能的发挥，在底板比较松软的情况下，支柱易插入底板，从而影响对顶板的控制1。煤层开采后引起的底板破坏，其范围将与开采范围及采空区周围的支承压力有关，开采引起的底板破坏深度，一般采用土力学中地基的计算方法，根据塑性力学，地基中的极限平衡区划分为三个区，分别为主动应力区、过渡区和被动应力区2。类似于采场上覆岩层关键层的定义，钱鸣高院士认为：将底板采动破坏带以下及含水层以上承载能力最大的一层岩层称为底板关键层，在底板关键层上的载荷可分为正向载荷和负向载荷两种载荷。正向载荷包括关键层的自重及关键层以上底板岩层和覆岩垮落岩层的自重。负向载荷为关键层下软弱岩层受挤压力后的反作用施压。经过“十五”、“十一五”期间采矿工作者对煤矿巷道底板的深入研究，巷道底鼓机理及防治措施等关键性问题得到了较为详细的解决。将巷道底鼓划分为了膨胀型底鼓、应力型底鼓和复合型底鼓等。底鼓的关键在于底板岩层岩性及岩层中的应力分布规律，什么类型的底板易导致底鼓，以及什么样的底板岩层组合具有天然的自稳性而不易发生底鼓，本课题组做了大量的详尽的工作。本文则以“层状复合底板在垂直应力下的底鼓研究”为题，结合庞庞塔矿巷道底板大变形控制项目的相关研究工作，围绕不同层状复合底板岩层组合在垂直应力作用下的底鼓量进行了有益的探索。1.1.2 课题研究的意义煤矿生产中，煤巷围岩变形大，帮鼓、底鼓现象频发，影响生产矿井的运输、通风、行人。因其顶、帮岩性较软，底板多为层状复合底板，且软岩多见，“硬-软-硬”复合型底板的底鼓机理复杂，给巷道支护带来了严重的挑战。在高垂直压力作用下，“软硬”互层型底板在巷道开挖后，易出现软岩塑性滑移，硬岩压曲及软岩滑移加剧硬岩形变的复杂底鼓形式，合理分析层状复合底板在垂直压力下的鼓机理、底鼓影响因素，对于丰富底鼓研究、指导煤巷支护。具有重要的意义。1.2国内外研究现状(The Research Status at Home and Abroad)对于巷道底鼓问题,国内外很多专家学者进行了很多有意义的研究,用不同方法从不同角度阐述了底鼓发生的力学机理,得出了大量结论:按照挖掘巷道位置的地质结构、底板岩体的性质、应力分布情况的差异及底板岩体进入巷道的方式将底鼓大致分成四类,即假塑性流动型底鼓、压曲褶皱性底鼓、遇水膨胀性底鼓、剪切错动性底鼓。姜耀东对淮南、平顶山、兖州、龙口等很多矿区进行现场观测后,经过大量数据分析得出了在不同地质条件下煤矿巷道底鼓的规律和特征3-4。1.2.1巷道底鼓机理研究在巷道发生底鼓的力学机理研究方面,前苏联有很多的研究成果。秦巴列维奇认为，底鼓产生的力学本质和松散土体在由两压模传递给底板的荷载的作用下被挤出的现象是相同的，可以用极限平衡原理来计算底板岩体对围岩支护构件上的作用压力；兹包尔什奇克等人认为，巷道中底板岩体积聚突起是因为底板的塑性岩层对其下方岩体向上运移的阻滞力及底板岩体的裸露面积和其周长的比例发生剧烈改变时储存在岩体中的弹性能量积聚释放所造成的；利特维斯基在研究采准巷道底鼓如何发生时，指出了底板岩体发生局部破坏的判定准则，利特维斯基将巷道围岩的应力分布图和其对应的岩石强度图相比较，并利用准则判定了巷道的稳定区段、极限稳定区段以及破坏区段；切尔尼亚克通过实测获得了大量的观测数据并进行了数理统计处理,总结预测出巷道底板发生底鼓的经验公式5-7。针对巷道底鼓机理，美国专家学者也做了大量的研究，K.Haramy将底板层状岩体看成两端边界为固定支撑的岩梁，并用该模型进行了计算,进而对底板岩体的应力分布和稳定性进行了分析8；Gysel M利用相关的膨胀原理计算得出了圆形巷道的岩体膨胀位移及其膨胀应力，并且指出岩体遇水发生膨胀从而影响巷道周边岩体的变形9；关于巷道底鼓机理，国内多位专家学者也进行了大量的理论分析及数值模拟、矿区实测等工作，取得了丰硕的成果。康红普、王卫军等人理论分析了底鼓的产生机理，康红普指出巷道底鼓发生的原因有底板岩层失稳，从而向巷道空间内发生弯曲(包括挠曲和压弯)，底板岩体在应力偏量的作用下发生扩容以及岩体的遇水膨胀性质。他认为底板为层状岩体情况下，受到两端围岩的水平挤压力而产生弯曲是底鼓发生的主要原因；底板岩体膨胀和扩容引发的底鼓其程度主要取决于软岩自身的岩性及所处的应力状态；对于底鼓强烈的巷道,其由弹塑性引起的位移量只是底鼓量的很小一部分，巷道底板实际出现的底鼓量主要是因底板岩层弯曲产生的位移、岩体破坏后扩容产生的位移、底板岩体破坏部分因其弹塑性形变而产生的位移、岩体的自身膨胀位移以及底板中稳定岩体的位移之和10。康红普经过分析计算得出结论：底板岩层挠曲引起的底鼓量占总底鼓量的67%，底板岩层弹塑性位移和扩容位移产生的底鼓分别是总底鼓量的11.8%和11.2%，认为底鼓的原因在于失稳的底板岩层向巷道内压曲、偏应力作用下的扩容、岩石自身的遇水膨胀。M.Gesell、曲永新等则认为底板泥岩遇水膨胀是隧道底鼓的本质。姜耀东、陆士良根据巷道所处的地质条件、底板围岩性质和应力状态的差异、底板岩层鼓入巷道的方式将底鼓分为四类：(1)挤压流动性底鼓；(2)挠曲褶皱性底鼓；(3)遇水膨胀性底鼓；(4)剪切错动性底鼓。王卫军等人研究了回采时工作面回采时产生的超前支承压力和采准巷道发生底鼓的关系后，指出回采巷道发生底鼓的原因是在工作面超前支承压力影响下，底板上部岩层会受到拉应力作用而发生离层，之后受水平应力作用而产生压曲11。侯朝炯、马念杰12通过对回采巷道底板的受力变形分析，认为回采巷道底板位移分为两个阶段，第一阶段不受采动影响时，巷道底板浅部岩层缓慢向上运动，2m以下的岩层位移基本为零，说明回采巷道不受采动影响时底板主要发生向上的移动，与一般基本巷道围岩位移有一致的规律性；第二阶段随着采煤工作面的推进，通过煤帮作用到巷道底板上的应力迅速增加，致使底板表面附近浅部围岩发生严重塑性破坏，出现强烈底鼓，较深部围岩出现不同程度的下沉，离工作面越近下沉越显著。不仅分析了巷道底鼓破坏过程，马念杰13等认为巷道底鼓的主要原因是由于底板岩层由于水平应力的剪切作用，导致巷道底板浅部岩体被剪切破坏。塑性区内的岩体在地应力作用下发生变形、位移，并向巷道空间逐渐过渡。塑性区的大小与原岩应力、岩石的力学特性、巷道形状和尺寸、支护阻力和破碎岩石的膨胀性有关。贺永年、何亚男通过大量实测分析了茂名矿区巷道底板为软岩的巷道底板变形，李树清分析了巷道底鼓与两帮移近的协调一致。通过对数据的处理分析得出了该矿区巷道形成底鼓的全过程如下：顶板产生的压力作用到两帮，使得两帮向巷道位移挤压底板，并通过两帮的传力作用致使两帮和底板一起下沉，底板受到严重挤压变形出现断裂,进而底板隆起14。李树清等人经过研究指出通过对软弱底板的加固有利于维护大埋深软岩巷道中两帮的稳定性15。到现阶段，国内外在关于底鼓机理的研究方面已取得的研究成果归纳起来有：(1)巷道开掘后原岩应力会重新分布，其变化使得底板岩体会因卸载发生指向巷道空间内的弹塑性形变；(2)巷道的两帮在受到支承压力的作用下对底板产生挤压，使得底板岩体由于水平应力的作用而向巷道内突起；(3)受到高应力作用底板岩体会发生破碎，从而产生碎胀效应使得体积扩大；(4)底板岩体的流变性质会使得底鼓量随着时间的推移而不断变大；(5)巷道底板在支承压力下会出现拉应变使得底板岩体发生破坏而产生底鼓；(6)垂直压力使得两帮发生下沉而导致底鼓；(7)底板岩体中若含某些粘土类矿物像蒙脱石等，其遇水就会发生体积膨胀，并且其强度会降低,更容易发生崩解和破碎。1.2.2巷道底鼓影响因素研究在德国,M.奥顿哥特和布什曼N.分别通过大量的相似材料模拟试验，得出了巷道底鼓的发展过程及底鼓与巷道跨度的影响。M.奥顿哥特通过巷道底鼓的