基于剪切梁理论的爆破扰动对巷道顶板稳定性影响研究_徐剑坤

建立了沿底布置巷道顶板的剪切梁模型， 依此 研究。在分析爆破应力波远区破坏效应的基础上， 研究了顶板煤、 岩体的水平位移及应力分布规律， 最后以某矿地质条件为原型利用 Flac3D 数值软 沿底布置巷道的顶板煤层与上 件进行了模拟研究。研究发现： 基于爆破应力波的远区破坏效应， 覆岩层的相对错动可以用剪切梁理论加以分析 。 基于此得到了厚煤层巷道顶板中煤层与岩层单 调加载过程及循环加载条件下的位移及应力分布， 单次爆破对顶板的影响有限， 多次扰动的累积 效应会对其产生一定程度的损伤 。模拟中， 随着装药量的增加， 沿底布置巷道顶板煤、 岩体的水平 位移随之增加， 且煤体的位移量大于岩体； 持续扰动条件下， 煤、 岩体的水平位移均出现了累加效 应， 且随着动力扰动作用次数的增加， 煤、 岩体的相对错动逐渐增大， 容易产生顶板离层垮落等动 力灾害。研究成果对加强扰动作用下顶板的支护管理具有一定的理论与指导意义 。 关键词： 剪切梁； 卸压爆破； 扰动； 顶板稳定性 中图分类号： X936 文献标志码： A doi： 10． 11731 / j． issn． 1673193x． 2013． 07． 004
的作用时间近似相等， 且作用时间足够长， 则可以认 该系统作为近似 为作用过程是连续恒定的。 这样， 的复合梁结构， 可用剪切梁模型对此加以分析。
V S —分别为纵波和横波的传播速度； 式中： V P 、 E、 μ —分别为介质的弹性模量和泊松比 ； ρ —介质的密度。 Ｒ0 —装药半径。 由图 1 可以看出， 松动爆破产生的应力波由爆 源至远点依次为冲击波、 压缩波和地震波。其中， 冲 其主要目 击波区域范围太小且距离爆源距离过短， 的是在确保安全的前提下尽可能充分的破坏周围煤 岩体进行掘进作业， 这里不做考虑； 而压缩波、 地震 构造等耦 波影响范围较大且容易与井下应力集中、 合作用引起顶板垮落甚至诱发冲击等动力灾害 ， 因 此， 本文将将着重研究爆破扰动对厚煤层巷道顶板 的破坏作用。
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2. 1
顶板失稳的剪切梁模型
顶板失稳本构模型
将爆破扰动对厚煤层巷道顶板的影响 （ 图 1 中 系统 A） 简化为图 2 所示的力学结构模型。 设煤岩 复合材料为黏结在一起的剪切梁 ， 宽b， 厚 2 t （ 上部 为顶板岩层， 下部为煤层 ） ， 黏性层厚度为 h 。 假设 梁的宽度 b 远大于厚度 t ， 忽略两端弯曲效应， 从而 近似认为梁为反平面剪切状态下的平面应变梁 。在 垂直地应力 σ n （ 这里假设支护系统从底部对梁的支 撑应力大小也是 σ n ） 及应力波对系统的扰动提供 近似恒定的剪切力 Q 的联合作用下， 黏性层发生塑 性软化， 形成撕裂性裂纹， 梁中的应力 τ 与断层中的 应力 τ f 形成自平衡系统。
Study on roadway roof stability disturbed by blasting based on shear beam theory
3 XU Jiankun1 ， ZHU Yafei2 ， SONG Dazhao2，
（ 1． School of Mines，China University of Mining ＆ Technology，Xuzhou Jiangsu 221116 ，China； 2． School of Safety Engineering，China University of Mining ＆ Technology，Xuzhou Jiangsu 221116 ，China； 3． Yongcheng Coal and Electricity Holding Group co． ，LTD． ，Postdoctoral Scientific Ｒesearch Workstation， Yongcheng Henan 476600 ，China）
。
岩体中 纵波和横波的传播速 的密度、 度关系式为
［10 ］
：
第7 期
中国安全生产科学技术
· 27·
{
VP = VS =
[ [
E( 1 － μ) ( ρ 1 + μ ) ( 1 － 2μ ) E 2ρ ( 1 + μ )
]
1 2
]
1 2
（ 1）
于爆炸冲击波作用下， 煤矿井巷的稳定性及采掘空 间的安全性一直以来都是一个研究热点 。 前人对爆破引发煤岩材料破坏进行了研究， 取 ［4 ］ 得了不少有价值的研究成果。 如马建军 研究了 爆破应力波的远区传播机理并确定了其破岩效应 ， 给出了基于岩石损伤的裂纹扩展长度估算模型 。张 段春等 青海等
［5 ］
波的形式向外传播。 从爆破中心向外依此为冲击 波、 压缩波和弹性波（ 即爆破地震波 ） 。 炸药爆炸在 近区的破坏力远大于煤岩体的各类强度指标 ， 很容 易引起煤岩体的损伤破坏。 随着应力波向远区传 播， 强度逐渐衰减， 不足以对煤岩体产生直接破坏， 但对于比煤岩体强度低得多的节理裂隙、 孔洞裂纹 等弱面， 以及应力作用于裂纹端部所具有的奇异性 ， 而言 则可能由此引起这些弱面部分松裂破坏 、 原有 裂缝扩展延伸， 造成不连续的远区岩体的“爆破内 ［8 ］ 爆破应力波在远区的破坏效应是基 伤” 。因此， 于该区域内局部岩体强度和断裂韧度降低 ， 使衰减 后的应力波作用强度仍能够大于该点处的岩石极限 强度， 爆破应力波的远场作用仍可能导致原生裂纹 的扩展和延伸所致
0
引言
爆炸技术已广泛应用于煤矿采掘及安全生产领 域。尽管爆破在采煤、 掘进、 冲击地压等灾害防治方 面能够起到良好的效果， 但由于爆炸瞬间所释放的 往往也会威胁到爆 巨大能量在破坏煤岩体的同时， 源附近一定范围内煤岩体的稳定性
［13 ］
。 因此， 对
1
爆破应力波的远区破坏效应
炸药在煤岩体中爆炸， 引起周围介质扰动， 并以
1 2 2， 3 徐剑坤 ， 朱亚飞 ， 宋大钊
（ 1. 中国矿业大学 矿业工程学院， 江苏
徐州 221116 ； 2. 中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 永城 476600 ）
徐州 221116 ；
3. 永城煤电控股集团有限公司 博士后科研工作站， 河南 摘
要： 厚煤层沿底布置巷道顶板维护难度较大， 从爆破扰动影响顶板稳定性的角度对此进行了
第9 卷 第7 期 2013 年 7 月
中国安全生产科学技术 Journal of Safety Science and Technology
Vol． 9 No． 7 July 2013
文章编号： 1673 － 193X（ 2013 ） － 07 － 0025 － 07
基于剪切梁理论的爆破扰动对巷道顶板 稳定性影响研究
收稿日期： 2013 － 04 － 11
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中国安全生产科学技术
第9 卷
that ： based on the damage effects of blasting stress wave far zone，the shear beam theory can be applied to analyze relative diastrophism between roof seam of the roadway arranging along the bottom of the coal and overlying strata． Based on this，the displacement and stress distribution of seam and rock in roadway roof of thick coal seam under monotonic loading process and cyclic loading conditions can be determined． Single blasting has a limited impact on the roof，and the cumulative effect of multiple disturbances have a certain degree of damage． In the simulation， with the increase of the amount of gunpowder， the horizontal displacement of coal and rock mass increases along with the bottom of seam arrange the roadway roof， and the displacement of coal is more than that of rock mass． In the condition of persistent disturbances，the horizontal displacement of coal and rock mass shows an additive effect，the relative diastrophism of coal and rock mass increase with the increase in the number of dynamic disturbance，which is liable to dynamic disasters like collapse of roof abscission layer． The research result shows a certain theoretical and directive significance of strengthening the management of roof support under disturbance． Key words： shear beam； pressure release blasting； disturbance； roof stability 要的现实意义。因此， 本文对爆破扰动下沿底布置 巷道的顶板稳定性进行了深入的研究 。在分析爆破 建立巷道顶板的剪 应力波远区破坏效应的基础上， 切梁模型， 研究其位移及应力分布规律， 最后以某矿 地质条件为原型利用 Flac3D 数值模拟软件研究爆 破扰动对顶板稳定性的影响。