1、长壁巷道对水平应力集中反映的研究过程摘要职业安全和健康组织（NIOSH）匹兹堡研究实验室（PRL）、宾西法尼亚州RAG和澳大利亚岩层控制技术合作对在宾西法尼亚州西南部的爱尔兰矿的地表行为、加固措施、应力分配进行了透彻研究。研究点是一个由严重水平应力集中的长壁顺槽。现场测量表明研究点的应力在长壁开采期间几乎增加了一倍，导致顶板变形延伸到巷道以上4.8m（16ft）的高度。现场点的计算机模拟用FLAC-2D指导，包括岩体的行为范围和失稳性能。测量和模拟的比较显示模型能抓住顶板和支护系统行为的显著方面，特别是沿层面的深部滑移，它能在直接顶形成局部卸压的软化区。模型也显示了有增补锚索的普通顶板锚杆支护
2、形式允许巷道在实际水平应力增加20-25时仍保持完好。这些信息能被实际运用到煤矿顶板支护系统设计中。Case history of the response of a longwall entry subjected to concentrated horizontal stressABSTRACTThe National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) Pittsburgh Research Laboratory (PRL), RAG Pennsylvania and Strata Control Technologi
3、es of Australia collaborated in an intensive study of ground behavior, reinforcement performance, and stress redistribution at the Emerald Mine in Southwestern Pennsylvania. The study site was a longwall tailgate subjected to a severe horizontal stress concentration. Field measurements indicated tha
4、t the stresses applied to the study site nearly doubled during longwall mining, resulting in roof deformations extending to a height of 4.8m (16ft) above the entry. A computer simulation of the field site was conducted using FLAC-2D, incorporating a broad rang of rock behaviors and failure mechanism
5、s. Comparison between the measurements and the simulation showed that the model was able to capture the most significant aspects of the roof and support system behavior, particularly, the extensive slip along bedding that created a partially distressed “softened” zone in the immediate roof. The mode
6、l also showed that supplementing the normal roof bolt support pattern with cable bolts would allow the entry to survive a further 20-25% increase in the applied horizontal stress. Such information could have very practical application to the design of roof support systems for coal mines.1.介绍在美国的井工开采
7、煤矿每年有将近1500起顶板冒落事故发生，造成严重的安全灾害和运行障碍。安装用于防止顶板冒落的支护费用每年达到10亿美元。尽管已有50多年的研究，但还没有一种普遍适用的顶板支护设计方法1。在过去的25年里，已明确水平应力是发生在井下的许多顶板冒落事故的决定性因素2。一个重要的突破是认识到矿井里监测到的盈利是由地球构造应力产生的3。应力测试已证实了在美国东部矿井水平应力是垂直应力的2-3倍，甚至在长壁开采过程中会在特定的、关键的地点发生水平应力集中4，5。影响长壁巷道的应力集中引起了特别关注（图1）。这些应力集中都是由于应力不能通过在长壁工作面后的跨落采空区传递导致的。发生在上顺槽或装载点的顶板
8、跨落都是主要的安全灾害，因为它们能干扰通风或堵塞主要运输巷道，也能导致高额的生产干扰损失。合理的长壁工作面方向和接替可以避免大多数的水平应力集中。然而在一些情况下，储量的几何分布或其它的一些因素都会限制矿井设计的选择，例如：在适合布置先前大小的盘区的地方布置一个较长的长壁盘区，“应力窗”将很难控制（图2）。在这种情况下矿井必须适合于储量的地理条件布置。在美国，较差质条件的矿井的一个普遍方法是安装增补支护，如锚索。然而，增补支护与临时顶板支护间的联系相对的几乎没有获得研究注意。传统的研究顶板支护性能是和现场测量联系在一起的。在20世纪90年代，在美国的许多地点做过顶板变形和顶板锚杆载荷的测量7,
9、8。这些研究提供对影响锚杆性能的因素许多的见解，包括安装张力、支撑能力和注浆环形孔。不幸的是这些研究中没有一个与应力测试或广泛的地质特征和岩石力学测试相结合。甚至，在美国尖端的数值模拟像是专用于其它领域被相对的限制应用在煤矿岩层控制9-10。这论文所述的研究是宾夕法尼亚RAG和职业安全与健康国际组织合作的结果。它的目标是： 测量由于预期长壁应力集中产生的应力改变和地表变形； 估计出典型的美国临时支护（顶板锚杆）在高水平应力集中时的性能； 观察增补支护系统（锚索）和临时支护间的联系； 完善分析高应力煤矿实际运用中支护选择所需的数值模拟技术。2.研究场所研究场所在宾西法尼亚州格林镇爱尔兰煤矿北11
10、长壁工作面的上顺槽（图3）。之所以选择它是因为它能预料到北11工作面推进接近北10工作面的开始边界线时可能导致明显的水平应力集中5。从爱尔兰矿过去的经验看，像北11工作面产生的一样，水平应力窗可能预期的产生严重载荷在联络巷和上顺槽上。因此，这个地点能提供一个少有的机会学习在长壁开采的推进过程中随水平应力的增加顶板失稳的过程。图3 爱尔兰矿和研究点爱尔兰煤矿位于宾西法尼亚州西南部的匹兹堡媒床，回采巷道大约2.12.4米(7-8英尺)高、4.9米(16英尺)宽。从巷道顶板割下有大约0.39米(1英尺)的顶板页岩。从研究点的一个垂直岩芯钻孔获得的煤矿顶板地质柱状图如图4。顶板可以完全的分为三个部分：
11、最底层2.7米（9英尺）依次是煤、弱层面光滑页岩； 从2.7米到5.4米为稍微坚固的粘土岩； 5.4米以上为明显较坚固的石灰岩。在矿内的岩芯钻孔能勉强达到石灰岩，因此，它的厚度和强度根据附近的表面岩芯钻孔估计。由锚固水平的最低单轴压缩强度和RQD得出一个估计的煤矿顶板等级（CMRR）为3712。从以前煤矿测试的综合和研究点获得的地下岩样测试得到模型的岩石配比。倾斜岩芯特别重要，它取自研究点并用于多极三轴测试以决定层理面强度。层理面强度测试的两个页岩单元的结果如图5所示。用在模型中的UCS分布与层理粘结性分布和实验室岩芯测试结果分别如图表6、7所示。在模型分布中层与层之间的变化划分根据顶板岩芯的
12、观察和测试结果。在模型中煤的就地强度设为6.5MPa（900psi），它是煤的经典体积强度。曾在爱尔兰矿和其附近的哥伦布矿的一些位置测量了应力场，但不是在特殊的研究点。这些测量被用于估定测试点的预应力范围。主应力方向为北偏东70。区域应力场表现为与大约550微应变的侧向构造应变相对一致14。这就意味着杨氏模量为20GPa（3000000psi）的岩石的推断最大应力为11MPa（1600psi）。其它岩石单元的垂直应力将是不同的并依赖它们的弹性。次水平应力大约是主应力的一半。垂直应力大约为5MPa，其上覆岩层大约200m。用在这个研究地区的临时支护由三个直径22mm、长2.4m的联合锚杆组成。锚
13、杆和1.2m的树脂药卷一同安装在35mm的钻孔中。锚杆的屈服载荷为19吨和一个28吨的基本能力。在每个安装线上由每组三个锚索组成的增补支护被安装在临时锚杆组间，这些锚索长3.6m、直径15mm，并由1.2m的树脂涂层。3.现场仪器在研究点，两个控制线布置在一个联络巷，第三个临近上顺槽（图8）。在联络巷的两点标为点B和点C，它们是本篇论文的焦点。这两点的条件比上顺槽点的条件差得多，因为联络巷指向不利得相关区域最大水平应力。仪器用来测量顶板运动、支柱载荷和顶板应力改变。图9是一个联络巷每个测线的仪器布置。大多数顶板的细微运动数据有多点声速伸长计和位于顶板线以上5.8m、相隔0.3m的磁性锚杆提供。
14、这些由遥控的机动三点伸长器增补。顶板联合锚杆较低1.2m没有涂层部分的载荷用应变计测量。这些应变计用McGill大学Hani Mitri 博士发明的技术安装在锚杆内15。这些测量锚杆从爱尔兰矿获得，由McGill准备。在每个锚杆的端部钻一个小洞以装一个小应变计，在锚杆端部附近安一个接线盒。这些锚杆每个都被NIOSH校准为13吨，并发现在粘性范围内载荷应变成线性关系。NIOSH通过测定联合锚杆确定屈服载荷和变形的关系，因此能在屈服前估计锚杆的载荷。在研究期间应变计锚杆表现很好，没有失稳。液压U型管用来监控在点C的三个锚索上的载荷，但不幸的是仅一个提供有用的测量。用安装在邻近联络巷采区顺槽煤柱上顶
15、板内的7个CSIRO中空包体(HI)管测得水平应力的改变。每个HI管由一组12个应变计组成，准许三向应力变化布置。用特别为HI管提供岩石和应变计在管中耦合得环氧设计在适当地点给管注浆。7个管都用SCT的Jan Nemcik博士发明的工序安装，成功率100。安装前，钻洞以识别合适的布置区和获得测试物理性能的样品。应力管以图10所示的扇形安装。H7管安装达到较低页岩单元的顶部，H6管设在石灰岩的底部。安装其它的5个管以提供在上部粘土岩单元内应力干扰时的变形。从HI管获得的应变数据用美国矿务局研究的软件处理16。为了达到陈述的目的，应力变化被变换成垂直于联络巷的主要应力。4.模拟方法和模型应用在许多
16、国家煤矿进行的详细模拟研究表明矿山巷道失稳机理非常复杂，包括岩石裂隙、层理或节理失稳、局部岩块的二次破坏、沿层面的滑移1，4，9。因此，计算机模拟的应用需要一个岩层的地质性能和应力场，必须包含许多潜在的失稳过程17，18。发现岩石性能的一般性或在平均性能基础上的岩石共同部分能限制模拟岩石实际的大多数行为的能力。用在模型中的软件是由SCT组织开发的FLAC，它被编制用来模拟岩石所谓失稳过程。STC用的本构模型和FLAC2D最近发表的应力松软、节理普遍的模型相似。岩石失稳基于与当地的限制条件有关的莫尔-库仑标准。模拟了宽范围内潜在失稳方式，包括： 致密岩石的剪切断裂； 岩石的拉伸断裂； 层面剪切； 层面拉伸断裂。原始节理、断层、解理的稳定性能在模拟中相似的地方标出。模型能模拟新的或再生岩石裂隙和裂隙的贮存方向。在SCT的本构模型中
