维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 西 山 科 技 ＮＯ．４ ２００２年８月 Ｘｉｓｈａｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｕｇ．２００２ 地应力对煤巷支护的影响分析 周祖舜①刘安保 岳修德 （山西焦煤集团公司杜儿坪矿） 摘 要 用弹性应力场地质方法，分析了地应力对不同方向巷道的破坏状况，提出了杜儿 坪南八盘区的合理布置方案。 关键词 弹性应力场 地应力 锚杆支护 煤矿巷道的围岩变形与围岩性质、应力状态 力分量，适用于分析构造应力对不同方向巷道的 密切相关，弄清开采范围内主应力的方向和大小， 稳定性的影响。 对于合理地进行巷道布置和选择支护形式与参数 １．２构造应力对巷道布置的影响 具有十分重要的意义。近几年，我国的煤巷锚杆支 １．２．１ 计算距巷道相当远处点的应力状态 护技术发展迅速，并取得了一定的成果。但是，由 计算简图见图１。原坐标系坐标轴方向与３个 于对地应力，特别是水平应力的测试和研究较少， 主应力ｄ。、ｄ：、ｄ 方向重合，Ｚ轴表示巷道轴向，巷 在进行锚杆支护设计时很少考虑水平应力，而在 道相当远处点的应力状态为： 许多情况下，水平应力占主导地位。因此，锚杆支 Ｐｘ＝ ｌ、Ｐｖ ２、Ｐｚ ３， 护设计的合理性、可靠性及有效性受到较大的影 Ｐ）ｃ、，＝ＰＹｚ＝Ｐｚｘ＝０。 响。在国外，特别是英国，锚杆支护之所以发展得 非常迅速，就是因为他们做了大量的实测工作，特 别是水平应力的测量，并以此为进行锚杆支护设 计及修正的主要指标。 作者在分析地应力对巷道破坏作用的同时， 用地质方法对杜儿坪南翼盘区进行了地应力分 析，对比了南五盘区和南七盘区的巷道破坏状况， 对南八盘区提出了合理的巷道设计方案。 １ 地应力对不同方向巷道的稳定性分析 Ｚ １．１ 计算模型 计算巷道周围的弹性应力场和位移时，应按 图１ 巷道轴向与构造应力成一定角度时， 弹性力学的三维空间问题处理，简化为平面应变 围岩应力和位移计算图 分析有一定的局限性。全平面应变在平面分析的 巷道方向改变后，建立新的坐标系Ｘ 、Ｙ 、Ｚ 。 基础上，再迭加一个面外剪切及一个单向压缩应 Ｚ 轴表示改变后的巷道轴向，巷道方向与构造应 力状态。这种计算模型考虑了巷道轴向有关的应 力方向间夹角为ｎ。新坐标系的各轴对原坐标轴的 作者简介：周祖舜 男 ｉ９６３出生 １９８４年毕业于Ｉ工Ｊ西省煤炭工业学校 助理工程师 太原０３００２２ 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第４期 方向余弦为： Ｘ Ｘ Ｙ ｃｏｓｑ ０ 周祖舜等：地应力对煤巷支护的影响分析 ．１３． １．２．２计算巷道周边应力 Ｙ ０ １ Ｚ 一ｓｉｎａ ０ 设圆形巷道半径ｒ＝ａ、０角以Ｘ 轴为起始线。 巷道周边应力值为： ｏ口＝ｃｏｓ ａ・Ｇ３＋ｓｉｎ ａ・ｏ１）（１—２ｃｏｓ２０）＋ （１＋２ｃｏｓ２０）ｏ２， Ｚ ｓｉｎａ ０ ｃｏｓａ 在新坐标系中，距巷道相当远处的应力状态 为： Ｐｘ ＝ｃｏｓ ａ・ｏ３＋ｓｉｎ ａ・ｏ１， Ｐｖ 一 ， ｒ忆一ｓｉｎ２ａ（ｏ１－－Ｇ３）ｓｉｎ０， ｃ『ｚ＝ｓｉｎ ａ（ｏ３－－２￣ｃｏｓ２０・ ）＋ｃｏｓ ａ（ｏｌ一 ２￣ｃｏｓ２０・ ３）一２￣ｃｏｓ２０・ｏ２）， ＯＹ ＴＹ０ ｒｖＺ ０。 Ｐｚ ＝ｓｉｎ ａ・ｏ３＋ＣＯＳ。ａ・ｏ１， Ｐｘ Ｙ －￣Ｐｚ＇Ｙ ＝０， １．２．３巷道周边应力的变化规律 Ｐｘ ｚ ＝￣ｓｉｎ２ａ（ｏ３一ｏ１）。 圆形断面巷道相当远处为均布荷载。巷道周 边应力关于Ｘ 轴、Ｚ 轴相对称。为此，选择０角等于 水平巷道在水平应力场中或者非水平应力场 中，倾斜巷道始终在由２个主应力所形成的平面 内时，都适用上述计算。 ０。、４５。、９０。三个代表性的位置，分析巷道周边应力 随ａ角的变化规律见表１。 表１ 巷道周边应力变化规律 随ａ角增加应力变化规律 巷道周边位置 应力计算式 ０。 ４５。 ４５。 ９Ｏ。 ０●一ｓｉｎ０ａ（ａ３—０１）一Ｇ３＋３ａｚ） ０—０。 ＴＯ２ ０ 压应力逐减小，可能出现拉应力 ｄｚ；ＧＩ一２ ｄ３一（２ ＋１）（ｏｌ—Ｇ３）・ｓｉｎ。ａ一２ ２ 咖＝ｄ３＋（ｄＩ－＿ｄ３）・ｓｉｎ ａ＋ｄ２ 压应力逐渐减小，很可能出现拉应力 压应力逐渐增大 ０—４５。 一一（ｏｌ—Ｇ３）・ｓｉｎ２ ａ ｄｚ＝Ｇ３＋（ｄｌ一・ｄ３）・ＣＯＳ０。 ｄ・ ３ａ３＋３（ｏｌ—Ｇ３）・ｓｉｎ２口一０２ 剪应力由零增至最大 剪应力由最大减少为零 压应力由ａ－减小为ｄａ 压应力逐渐增至最大 剪应力由零增至最大 剪应力由最大减少为零 ０＝９０。 ＝（０ｌ—Ｇ３）・ｓｉｎ２ ａ ｄｚ 。Ｉ＋２ｐ。３一（１—２ｆＩ）（ｏ ａ—ａ３）・ｓｉｎ ａ＋２ ２ 压应力缓慢减小 ２杜儿坪矿南翼盘区地应力分析 ２．１ 南翼盘区地质概况 南北向的褶皱和断裂构造主要展现在煤田西 部，但中部也有低级别的南北向褶皱形迹。据此可 山西焦煤集团公司杜儿坪矿南翼盘区位于该 井田南部，北以中部断层为界，南以杜儿坪断层为 界，在设计上划分为南三、南五、南七、南八等盘区 （见图２），开采２ 、３ 、６ 、８。、９“等煤层。受杜儿坪 断层的影响，该区节理十分发育 以推断，煤田曾受过东西向的挤压作用，但应力集 中在西部。可以认为煤田西部的南北向构造是太 岳山经向构造带的北延部分，其形成时间可能在 燕山运动时期。 燕山期，煤田还受到南东至北西方向的水平 挤压应力作用形成了Ｎ１５。Ｅ和Ｎ７５。Ｗ两组共轭 节理。 ２．２地应力分析 西山煤田至中生代以来遭受到３期方向不同 的构造应力场的作用。 中生代末及新生代以来，西山煤田的构造应 维普资讯 http://www.cqvip.com ・ｌ４・ 西山科技 ２００２年第４期 力场发生了重大的变化。在北东向挤压力和顺时 ＝１０００兀。 针扭动力作用下造成北西到南东方向的拉张，并 ２）二次支护。南五盘区没有；南七盘区平均 形成西山煤田东部的一系列地堑一地垒构造。 每两架棚套１架１１ 矿工钢棚，每ｍ套棚成本： 现代地震和地应力测量表明，华北地区目前 （７５０元＋５Ｏ元）÷１．６—５００元； 的构造应力仍然以北东方向的挤压和右旋扭动为 ３）三次支护。南五盘区没有；南七盘区平均 主，这样的应力场导致煤田继续受到北西向的拉 每３架棚套１架木腿，ｌ１ 矿工钢梁棚子支护，每ｒｆｌ 张。 套棚成本：［２５ｏ元（梁）＋６８元（木腿）＋５０元（破 ２．３南翼盘区地应力方向的确定 板）］÷１．６—２４１元。 通过西山煤田大型断裂构造分析，煤田内大 ３．３ 支护效果及费用比较 型断层走向均为北东向，方向大致为Ｎ ５５。Ｅ。通过 南五盘区平均每ｍ投入成本为１０００元，南七 部分断裂面的擦痕分析，擦痕线方向与断层面倾 盘区为１７４１元，且南七盘区矿工钢棚由于压力 向一致，故可判断其受主应力方向与断层面倾向 大，变形严重，复用时，整修较为困难。 方向一致，为Ｎ ３５。Ｗ。 ４南八盘区工作面巷道设计 ３杜儿坪矿区南五、南七盘区巷道支护状况分析 南八盘区位于ＩＩＩ７南翼总回风巷北，北一总 ３．１ 南五、南七盘区地质概况 回风道以南，东与１１２３南三下山盘区及北三 南五、南七盘区位于ｌ１１７大巷南，杜儿坪断 ６２３１０工作面相邻，西部以人为边界为界，该区长 层北侧，面积３．１４ ｋｍ。。该区陷落柱、节理比较发 １９１０ ｎｌ，宽１７１４ ｎｌ，总面积３．１６ ｋｍ。。 育。在这两个盘区的２ 煤层开采时，两盘区的工 该盘区在工作面设计时，依据地应力方向对 作面布置见图２，南五盘区工作面走向为Ｎ ３５。ｗ， 巷道的破坏作用，借鉴南五、南七盘区巷道支护情 南七盘区工作面走向为Ｎ ５５。Ｅ。 况，应把难管理的工作面顺槽方向设计与地应力 …一’一一＇ｒ 方向一致。 ● Ｉ １， 】一 Ｉ Ｈ ｌ Ｌ Ｉ ｔ ５结论 Ｉ 地应力对不同方向的巷道破坏作用不同，在 工作面设计时，应尽可能把主要的服务年限长的 巷道方向设计与主地应力方向一致。 山西焦煤集团公司虽然锚杆支护技术取得长 图２南翼部分盘区布置图 足进展，但如果再结合地应力资料进行合理的巷 ３．２南五、南七盘区顺槽巷道支护概况 道支护设计，可提高锚杆支护的可靠性和准确度， １）初次支护。均采用１１ 矿工棚钢支护，棚距 进行地应力对煤巷支护的影响研究，对于集团公 ０．８ ｒｎ，盘五勾六，每ｒｎ支护成本（初期投入）： 司煤巷锚杆支护技术发展具有重大的现实意义。 ［７５ｏ元（１１ 矿工钢）＋５０元（破板）］÷Ｏ．８ 收稿日期 ２００２—０４—３０ 参考文 献 １ 董其成。西山煤田陷落柱的地质特征及地震波场研究．１９９２，５１２～１５， Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｉｎｆｌ ｕｅｎｃｅｓ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｏｆ Ｒｏａｄｗａｙ Ｚｈｏｕ Ｚｈｕｓｕｎ Ｌｉｕ Ａｎｂａｏ Ｙｔｉｅ Ｘｉｕｄｅ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｎａｌｓｙｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｏｒｃｅ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｒｏａｄｗａｙ ｕｓｅｄ ｅｌａｓｔｉｃ ｆｏｒｃｅ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ，ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｒｏａｄｗａｙ ｄｅｓｉｇｎ ｐｌａｎ ａｂｏｕｔ Ｄｕｅｒｐｉｎｇ ８ｔｈ ａｒ＇ ｅａＳ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｅｌａｓｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｏｒｃｅ Ｂｏｌｔｉｎｇ（责任编辑：徐国萍）
