專題-長(zhǎng)壁巷道對(duì)水平應(yīng)力集中反映的研究過程

長(zhǎng)壁巷道對(duì)水平應(yīng)力集中反映的研究過程摘要職業(yè)安全和健康組織（NIOSH）匹茲堡研究實(shí)驗(yàn)室（PRL）、賓西法尼亞州RAG和澳大利亞巖層控制技術(shù)合作對(duì)在賓西法尼亞州西南部的愛爾蘭礦的地表行為、加固措施、應(yīng)力分配進(jìn)行了透徹研究。研究點(diǎn)是一個(gè)由嚴(yán)重水平應(yīng)力集中的長(zhǎng)壁順槽?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量表明研究點(diǎn)的應(yīng)力在長(zhǎng)壁開采期間幾乎增加了一倍，導(dǎo)致頂板變形延伸到巷道以上4.8m（16ft）的高度?，F(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)模擬用FLAC-2D指導(dǎo)，包括巖體的行為范圍和失穩(wěn)性能。測(cè)量和模擬的比較顯示模型能抓住頂板和支護(hù)系統(tǒng)行為的顯著方面，特別是沿層面的深部滑移，它能在直接頂形成局部卸壓的軟化區(qū)。模型也顯示了有增補(bǔ)錨索的普通頂板錨桿支護(hù)形式允許巷道在實(shí)際水平應(yīng)力增加20-25時(shí)仍保持完好。這些信息能被實(shí)際運(yùn)用到煤礦頂板支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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 Technologies 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 that 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 mechanisms. 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 model 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.介紹在美國(guó)的井工開采煤礦每年有將近1500起頂板冒落事故發(fā)生，造成嚴(yán)重的安全災(zāi)害和運(yùn)行障礙。安裝用于防止頂板冒落的支護(hù)費(fèi)用每年達(dá)到10億美元。盡管已有50多年的研究，但還沒有一種普遍適用的頂板支護(hù)設(shè)計(jì)方法1。在過去的25年里，已明確水平應(yīng)力是發(fā)生在井下的許多頂板冒落事故的決定性因素2。一個(gè)重要的突破是認(rèn)識(shí)到礦井里監(jiān)測(cè)到的盈利是由地球構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生的3。應(yīng)力測(cè)試已證實(shí)了在美國(guó)東部礦井水平應(yīng)力是垂直應(yīng)力的2-3倍，甚至在長(zhǎng)壁開采過程中會(huì)在特定的、關(guān)鍵的地點(diǎn)發(fā)生水平應(yīng)力集中4，5。影響長(zhǎng)壁巷道的應(yīng)力集中引起了特別關(guān)注（圖1）。這些應(yīng)力集中都是由于應(yīng)力不能通過在長(zhǎng)壁工作面后的跨落采空區(qū)傳遞導(dǎo)致的。發(fā)生在上順槽或裝載點(diǎn)的頂板跨落都是主要的安全災(zāi)害，因?yàn)樗鼈兡芨蓴_通風(fēng)或堵塞主要運(yùn)輸巷道，也能導(dǎo)致高額的生產(chǎn)干擾損失。合理的長(zhǎng)壁工作面方向和接替可以避免大多數(shù)的水平應(yīng)力集中。然而在一些情況下，儲(chǔ)量的幾何分布或其它的一些因素都會(huì)限制礦井設(shè)計(jì)的選擇，例如：在適合布置先前大小的盤區(qū)的地方布置一個(gè)較長(zhǎng)的長(zhǎng)壁盤區(qū)，“應(yīng)力窗”將很難控制（圖2）。在這種情況下礦井必須適合于儲(chǔ)量的地理?xiàng)l件布置。在美國(guó)，較差質(zhì)條件的礦井的一個(gè)普遍方法是安裝增補(bǔ)支護(hù)，如錨索。然而，增補(bǔ)支護(hù)與臨時(shí)頂板支護(hù)間的聯(lián)系相對(duì)的幾乎沒有獲得研究注意。傳統(tǒng)的研究頂板支護(hù)性能是和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量聯(lián)系在一起的。在20世紀(jì)90年代，在美國(guó)的許多地點(diǎn)做過頂板變形和頂板錨桿載荷的測(cè)量7,8。這些研究提供對(duì)影響錨桿性能的因素許多的見解，包括安裝張力、支撐能力和注漿環(huán)形孔。不幸的是這些研究中沒有一個(gè)與應(yīng)力測(cè)試或廣泛的地質(zhì)特征和巖石力學(xué)測(cè)試相結(jié)合。甚至，在美國(guó)尖端的數(shù)值模擬像是專用于其它領(lǐng)域被相對(duì)的限制應(yīng)用在煤礦巖層控制9-10。這論文所述的研究是賓夕法尼亞RAG和職業(yè)安全與健康國(guó)際組織合作的結(jié)果。它的目標(biāo)是：1 測(cè)量由于預(yù)期長(zhǎng)壁應(yīng)力集中產(chǎn)生的應(yīng)力改變和地表變形；2 估計(jì)出典型的美國(guó)臨時(shí)支護(hù)（頂板錨桿）在高水平應(yīng)力集中時(shí)的性能；3 觀察增補(bǔ)支護(hù)系統(tǒng)（錨索）和臨時(shí)支護(hù)間的聯(lián)系；4 完善分析高應(yīng)力煤礦實(shí)際運(yùn)用中支護(hù)選擇所需的數(shù)值模擬技術(shù)。2.研究場(chǎng)所研究場(chǎng)所在賓西法尼亞州格林鎮(zhèn)愛爾蘭煤礦北11長(zhǎng)壁工作面的上順槽（圖3）。之所以選擇它是因?yàn)樗茴A(yù)料到北11工作面推進(jìn)接近北10工作面的開始邊界線時(shí)可能導(dǎo)致明顯的水平應(yīng)力集中5。從愛爾蘭礦過去的經(jīng)驗(yàn)看，像北11工作面產(chǎn)生的一樣，水平應(yīng)力窗可能預(yù)期的產(chǎn)生嚴(yán)重載荷在聯(lián)絡(luò)巷和上順槽上。因此，這個(gè)地點(diǎn)能提供一個(gè)少有的機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)在長(zhǎng)壁開采的推進(jìn)過程中隨水平應(yīng)力的增加頂板失穩(wěn)的過程。圖3 愛爾蘭礦和研究點(diǎn)愛爾蘭煤礦位于賓西法尼亞州西南部的匹茲堡媒床，回采巷道大約2.12.4米(7-8英尺)高、4.9米(16英尺)寬。從巷道頂板割下有大約0.39米(1英尺)的頂板頁(yè)巖。從研究點(diǎn)的一個(gè)垂直巖芯鉆孔獲得的煤礦頂板地質(zhì)柱狀圖如圖4。頂板可以完全的分為三個(gè)部分：最底層2.7米（9英尺）依次是煤、弱層面光滑頁(yè)巖；1 從2.7米到5.4米為稍微堅(jiān)固的粘土巖；2 5.4米以上為明顯較堅(jiān)固的石灰?guī)r。在礦內(nèi)的巖芯鉆孔能勉強(qiáng)達(dá)到石灰?guī)r，因此，它的厚度和強(qiáng)度根據(jù)附近的表面巖芯鉆孔估計(jì)。由錨固水平的最低單軸壓縮強(qiáng)度和RQD得出一個(gè)估計(jì)的煤礦頂板等級(jí)（CMRR）為3712。從以前煤礦測(cè)試的綜合和研究點(diǎn)獲得的地下巖樣測(cè)試得到模型的巖石配比。傾斜巖芯特別重要，它取自研究點(diǎn)并用于多極三軸測(cè)試以決定層理面強(qiáng)度。層理面強(qiáng)度測(cè)試的兩個(gè)頁(yè)巖單元的結(jié)果如圖5所示。用在模型中的UCS分布與層理粘結(jié)性分布和實(shí)驗(yàn)室?guī)r芯測(cè)試結(jié)果分別如圖表6、7所示。在模型分布中層與層之間的變化劃分根據(jù)頂板巖芯的觀察和測(cè)試結(jié)果。在模型中煤的就地強(qiáng)度設(shè)為6.5MPa（900psi），它是煤的經(jīng)典體積強(qiáng)度。曾在愛爾蘭礦和其附近的哥倫布礦的一些位置測(cè)量了應(yīng)力場(chǎng)，但不是在特殊的研究點(diǎn)。這些測(cè)量被用于估定測(cè)試點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力范圍。主應(yīng)力方向?yàn)楸逼珫|70。區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)為與大約550微應(yīng)變的側(cè)向構(gòu)造應(yīng)變相對(duì)一致14。這就意味著楊氏模量為20GPa（3000000psi）的巖石的推斷最大應(yīng)力為11MPa（1600psi）。其它巖石單元的垂直應(yīng)力將是不同的并依賴它們的彈性。次水平應(yīng)力大約是主應(yīng)力的一半。垂直應(yīng)力大約為5MPa，其上覆巖層大約200m。用在這個(gè)研究地區(qū)的臨時(shí)支護(hù)由三個(gè)直徑22mm、長(zhǎng)2.4m的聯(lián)合錨桿組成。錨桿和1.2m的樹脂藥卷一同安裝在35mm的鉆孔中。錨桿的屈服載荷為19噸和一個(gè)28噸的基本能力。在每個(gè)安裝線上由每組三個(gè)錨索組成的增補(bǔ)支護(hù)被安裝在臨時(shí)錨桿組間，這些錨索長(zhǎng)3.6m、直徑15mm，并由1.2m的樹脂涂層。3.現(xiàn)場(chǎng)儀器在研究點(diǎn)，兩個(gè)控制線布置在一個(gè)聯(lián)絡(luò)巷，第三個(gè)臨近上順槽（圖8）。在聯(lián)絡(luò)巷的兩點(diǎn)標(biāo)為點(diǎn)B和點(diǎn)C，它們是本篇論文的焦點(diǎn)。這兩點(diǎn)的條件比上順槽點(diǎn)的條件差得多，因?yàn)槁?lián)絡(luò)巷指向不利得相關(guān)區(qū)域最大水平應(yīng)力。儀器用來(lái)測(cè)量頂板運(yùn)動(dòng)、支柱載荷和頂板應(yīng)力改變。圖9是一個(gè)聯(lián)絡(luò)巷每個(gè)測(cè)線的儀器布置。大多數(shù)頂板的細(xì)微運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)有多點(diǎn)聲速伸長(zhǎng)計(jì)和位于頂板線以上5.8m、相隔0.3m的磁性錨桿提供。這些由遙控的機(jī)動(dòng)三點(diǎn)伸長(zhǎng)器增補(bǔ)。頂板聯(lián)合錨桿較低1.2m沒有涂層部分的載荷用應(yīng)變計(jì)測(cè)量。這些應(yīng)變計(jì)用McGill大學(xué)Hani Mitri 博士發(fā)明的技術(shù)安裝在錨桿內(nèi)15。這些測(cè)量錨桿從愛爾蘭礦獲得，由McGill準(zhǔn)備。在每個(gè)錨桿的端部鉆一個(gè)小洞以裝一個(gè)小應(yīng)變計(jì)，在錨桿端部附近安一個(gè)接線盒。這些錨桿每個(gè)都被NIOSH校準(zhǔn)為13噸，并發(fā)現(xiàn)在粘性范圍內(nèi)載荷應(yīng)變成線性關(guān)系。NIOSH通過測(cè)定聯(lián)合錨桿確定屈服載荷和變形的關(guān)系，因此能在屈服前估計(jì)錨桿的載荷。在研究期間應(yīng)變計(jì)錨桿表現(xiàn)很好，沒有失穩(wěn)。液壓U型管用來(lái)監(jiān)控在點(diǎn)C的三個(gè)錨索上的載荷，但不幸的是僅一個(gè)提供有用的測(cè)量。用安裝在鄰近聯(lián)絡(luò)巷采區(qū)順槽煤柱上頂板內(nèi)的7個(gè)CSIRO中空包體(HI)管測(cè)得水平應(yīng)力的改變。每個(gè)HI管由一組12個(gè)應(yīng)變計(jì)組成，準(zhǔn)許三向應(yīng)力變化布置。用特別為HI管提供巖石和應(yīng)變計(jì)在管中耦合得環(huán)氧設(shè)計(jì)在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)給管注漿。7個(gè)管都用SCT的Jan Nemcik博士發(fā)明的工序安裝，成功率100。安裝前，鉆洞以識(shí)別合適的布置區(qū)和獲得測(cè)試物理性能的樣品。應(yīng)力管以圖10所示的扇形安裝。H7管安裝達(dá)到較低頁(yè)巖單元的頂部，H6管設(shè)在石灰?guī)r的底部。安裝其它的5個(gè)管以提供在上部粘土巖單元內(nèi)應(yīng)力干擾時(shí)的變形。從HI管獲得的應(yīng)變數(shù)據(jù)用美國(guó)礦務(wù)局研究的軟件處理16。為了達(dá)到陳述的目的，應(yīng)力變化被變換成垂直于聯(lián)絡(luò)巷的主要應(yīng)力。4.模擬方法和模型應(yīng)用在許多國(guó)家煤礦進(jìn)行的詳細(xì)模擬研究表明礦山巷道失穩(wěn)機(jī)理非常復(fù)雜，包括巖石裂隙、層理或節(jié)理失穩(wěn)、局部巖塊的二次破壞、沿層面的滑移1，4，9。因此，計(jì)算機(jī)模擬的應(yīng)用需要一個(gè)巖層的地質(zhì)性能和應(yīng)力場(chǎng)，必須包含許多潛在的失穩(wěn)過程17，18。發(fā)現(xiàn)巖石性能的一般性或在平均性能基礎(chǔ)上的巖石共同部分能限制模擬巖石實(shí)際的大多數(shù)行為的能力。用在模型中的軟件是由SCT組織開發(fā)的FLAC，它被編制用來(lái)模擬巖石所謂失穩(wěn)過程。STC用的本構(gòu)模型和FLAC2D最近發(fā)表的應(yīng)力松軟、節(jié)理普遍的模型相似。巖石失穩(wěn)基于與當(dāng)?shù)氐南拗茥l件有關(guān)的莫爾-庫(kù)侖標(biāo)準(zhǔn)。模擬了寬范圍內(nèi)潛在失穩(wěn)方式，包括： 致密巖石的剪切斷裂； 巖石的拉伸斷裂； 層面剪切； 層面拉伸斷裂。原始節(jié)理、斷層、解理的穩(wěn)定性能在模擬中相似的地方標(biāo)出。模型能模擬新的或再生巖石裂隙和裂隙的貯存方向。在SCT的本構(gòu)模型中，和Itascas SU一樣，致密巖石模型展示了已經(jīng)失穩(wěn)的應(yīng)變軟化行為。一個(gè)任意方向的弱面也能顯示應(yīng)變軟化行為。這個(gè)本構(gòu)模型非常適合測(cè)試這種致密巖石應(yīng)變軟化和曾有單向弱面的水平層面的巖體。在SCT和Itasca本構(gòu)模型中，內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、膨脹角、抗拉強(qiáng)度像塑性應(yīng)變函數(shù)一樣精確。根據(jù)這些函數(shù)的性質(zhì)能產(chǎn)生許多復(fù)雜的加強(qiáng)和弱化行為。巖石材料的就地強(qiáng)度推斷為0.58試驗(yàn)室非限制性抗壓強(qiáng)度（UCS）。原始的試驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)的比例因子是由Hoek E. Brown提出的20，并用在所有的SCT模型研究中。模型的幾何形狀和由實(shí)驗(yàn)室非限制性壓縮強(qiáng)度描述的各種巖層特性一起被顯示在圖11中。關(guān)注區(qū)域典型的主要尺寸為大約2010cm（84in）。這個(gè)主要尺寸正好能夠抓住可能對(duì)煤礦巷道等級(jí)非常重要的地質(zhì)多樣性。模型包括巖石錨桿。錨桿連接在頂板內(nèi)1.2m，并有一個(gè)到頂板縣的富裕長(zhǎng)度。錨桿的屈服強(qiáng)度為19噸（21噸），并有大約15噸每英尺的拆除力。部分已25噸(27噸)的屈服能力連接的錨索也被模擬。特別模擬了錨桿的樹脂/巖石接觸面的抗剪強(qiáng)度和剛度。錨桿的性能根據(jù)在2-D模型中的排間距校正。模擬順序依據(jù)巷道掘進(jìn)的實(shí)際工序，先掘進(jìn)巷道，再安裝頂板周邊錨桿，最后安裝中央錨桿。模擬允許根據(jù)每一步調(diào)整。如果錨索用在模型中，將放在最后一步。對(duì)于這個(gè)模型，在巷道中央線用到對(duì)稱性。它加快了模擬過程，特別在要考慮許多應(yīng)力條件和支護(hù)系統(tǒng)的地方。5.結(jié)果：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量研究點(diǎn)在以下三個(gè)開采方面期間的水平應(yīng)力增加： 巷道原始變形； 北11長(zhǎng)壁工作面的開采； 北11長(zhǎng)壁工作面后退經(jīng)過研究點(diǎn)。隨著研究點(diǎn)的確定，應(yīng)力破壞的證據(jù)包括沿聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)幫的一個(gè)小切口。隨著北11長(zhǎng)壁工作面的開采，甚至在采動(dòng)空間在大約100m（300ft）遠(yuǎn)的地方，研究點(diǎn)上的地面情況明顯惡化（圖30）。這歸因于在北11采空區(qū)邊角水平應(yīng)力集中的發(fā)展。這時(shí)傳導(dǎo)的頂板測(cè)量顯示頂板失穩(wěn)已從采動(dòng)空間延伸一定距離，并包括至少一次大的頂板下沉。很明顯接近采動(dòng)空間的頂板冒落使應(yīng)力逐漸傳到研究點(diǎn)范圍內(nèi)。第三方面，接近和沿北11長(zhǎng)壁工作面開采導(dǎo)致和在上順槽角的應(yīng)力集中相聯(lián)系的更大的頂板變形。條件沒有和在愛爾蘭礦過去應(yīng)力窗中遇到的一樣嚴(yán)重。幾乎到工作面通過后為止，研究點(diǎn)保持可接近。圖12 位于頂板上4.0m和在巷道煤柱里7.6m的H4管得到HI管應(yīng)力改變應(yīng)力測(cè)量：HI管直到巷道掘好后才安裝，因此與巷道掘進(jìn)有關(guān)的應(yīng)力改變沒有記錄。隨著北11長(zhǎng)壁開采，有兩個(gè)HI管顯示頂板應(yīng)力增加了3.5MPa（500psi）。應(yīng)力增加率逐漸緩和，但不能完全穩(wěn)定（圖12）。圖13是在方面2（北10長(zhǎng)壁開采）結(jié)束點(diǎn)測(cè)得應(yīng)力變化的快照。主要應(yīng)力都非常復(fù)雜，大小范圍達(dá)到20MPa（3000psi）。主應(yīng)力增加方向暗示著聯(lián)絡(luò)巷直接頂?shù)那蜍浕?，并且不能分散附加的水平?yīng)力。結(jié)果應(yīng)力被迫傳向聯(lián)絡(luò)巷頂板上較高處。伸長(zhǎng)計(jì)數(shù)據(jù)將被討論以提供頂板軟化的證據(jù)。在北11長(zhǎng)壁開采后，工作面到上順槽交點(diǎn)中心大約192m（640ft）時(shí)，開始通過HI管觀察決定性的應(yīng)力改變。當(dāng)工作面達(dá)到27-32m（90-110ft）時(shí)，管中的應(yīng)力改變速率快速增加。在大多數(shù)情況，伴隨著工作面的接近應(yīng)力增加大約7MPa（1000psi）。最大主應(yīng)力增加方向繼續(xù)在一個(gè)近水平方向，沿聯(lián)絡(luò)巷的軟化頂板（圖14）。只有H7例外，它安裝在較低的頁(yè)巖單元，盈利保持不變。當(dāng)工作面經(jīng)過研究點(diǎn)時(shí)，幾乎每個(gè)HI管測(cè)得一個(gè)大約10MPa（1400psi）的瞬時(shí)應(yīng)力減少，表明盤區(qū)直接頂?shù)目缏鋵?dǎo)致應(yīng)力降低?？傮w上來(lái)說，表現(xiàn)為開采導(dǎo)致的應(yīng)力集中大約為原始就地應(yīng)力的兩倍。用HI管測(cè)得的應(yīng)力增加方向表明應(yīng)力主要是跳過而不是穿過聯(lián)絡(luò)巷的軟化（屈服）頂板。頂板變形：在掘好后幾天第一次讀取伸長(zhǎng)計(jì)的原始讀數(shù)，因此數(shù)據(jù)不包括原始頂板下沉量，但是到11月中旬，頂板的三個(gè)研究點(diǎn)都穩(wěn)定在至少5mm（0.2in）的總變形量（圖15）。然而，頂板運(yùn)動(dòng)的最大高度大約為3.3m（11ft），在錨固水平頂部以上2.4m（8ft）。在方面2，北10開采期間，B和C組的頂板變形最大高度增加到3.9-4.2m（13-14ft），并有相對(duì)的16和10mm（0.6和0.4in）的總變形量。在這期間，在錨桿載荷和頂板運(yùn)動(dòng)的測(cè)量中明顯的有頂板軟化的進(jìn)一步證據(jù)。在C組伸長(zhǎng)計(jì)中只有一點(diǎn)的應(yīng)變超過1%的同時(shí)，B伸長(zhǎng)計(jì)有兩點(diǎn)測(cè)得頂板最大應(yīng)變超過1.5%。隨著北11工作面的推進(jìn)，在聯(lián)絡(luò)巷的兩個(gè)聲速伸長(zhǎng)計(jì)記錄了頂板的顯著運(yùn)動(dòng)。每個(gè)得總變形增加大約20mm（0.8in）,并且頂板運(yùn)動(dòng)高度達(dá)到4.9m（16ft）。這些變形大部分發(fā)生在工作面達(dá)到聯(lián)絡(luò)巷前的最后23m（75ft）期間。當(dāng)兩組在頂板變形時(shí)間和大小上不同時(shí)，很明顯在兩點(diǎn)的變形過程的形式非常相似。運(yùn)動(dòng)的最大高度為大約5m（16ft），并且顯著的頂板應(yīng)變發(fā)生在接近聯(lián)合錨桿頂端（2.4m）和在它們以上大約1.5m（5ft）處。頂板錨桿載荷：圖16顯示了錨桿的平均載荷，它是在兩個(gè)儀器組的研究過程中測(cè)得的，當(dāng)它們第一次安裝時(shí)，原始的頂板錨桿載荷為3-8噸。在隨后的幾個(gè)星期內(nèi)，載荷增加，特別是在B點(diǎn)，沒有錨索。實(shí)際上，圖16顯示了在C組的原始載荷較高時(shí)B組錨桿載荷很快超過在C點(diǎn)的載荷，并在整個(gè)研究過程中保持較高。由于增補(bǔ)錨桿的存在（雖然在C組附近的風(fēng)墻也能提供一些支護(hù)），在C點(diǎn)錨桿載荷較低。隨著北10長(zhǎng)壁開采，在B組錨桿上的荷載增加另外3-5到12-22噸，同時(shí)最高讀數(shù)顯示錨桿已達(dá)到屈服。在C組錨桿載荷增加至少為8-15噸。當(dāng)北11工作面在研究點(diǎn)40m（130ft）內(nèi)時(shí)，B組錨桿都已屈服。當(dāng)工作面推進(jìn)105m時(shí)，C組錨桿中的一根突然屈服，并且隨著工作面的推進(jìn)，中央錨桿幾乎都屈服。在這個(gè)時(shí)候錨索達(dá)到它們的最大允許載荷，明顯低于屈服載荷。在工作面經(jīng)過研究聯(lián)絡(luò)巷后，機(jī)動(dòng)伸長(zhǎng)計(jì)現(xiàn)實(shí)發(fā)生在錨索頂端以下的頂板變形（大于50mm）足以產(chǎn)生讓錨索屈服的載荷。在工作面剛經(jīng)過聯(lián)絡(luò)巷錨桿組合載荷就達(dá)到最大值，隨后開始減小。不幸的是，由于儀器問題，錨索的載荷記錄不完整。然而，測(cè)得的將近50mm（2in）的頂板下沉和在C組測(cè)得的錨桿最低載荷都支持從可獲得的測(cè)量中推斷：錨索承擔(dān)了頂板載荷的大部分。最近現(xiàn)場(chǎng)和數(shù)值模擬研究表明增補(bǔ)支護(hù)可以減少加在頂板錨桿上的載荷。6.用在模型中的應(yīng)力路徑大面積（邊界條件）的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力應(yīng)用在模型模擬過程的每個(gè)成功階段就是應(yīng)力路徑。應(yīng)力路徑代表在研究聯(lián)絡(luò)巷和兩個(gè)長(zhǎng)壁工作面連續(xù)推進(jìn)的初始發(fā)展間產(chǎn)生的額外增加應(yīng)力。本次研究中的應(yīng)力路徑如圖表17所示。它是從就地預(yù)應(yīng)力、研究點(diǎn)測(cè)量的應(yīng)力改變和以前相似研究點(diǎn)的測(cè)量估計(jì)出的。在這個(gè)研究點(diǎn)與長(zhǎng)壁開采相聯(lián)系的大面積應(yīng)力增加的另一個(gè)跡象是沿長(zhǎng)壁工作面巷道測(cè)得的大約10MPa（1400psi）的應(yīng)力減少。7.模擬結(jié)果：頂板運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的可比性主要依賴于頂板伸長(zhǎng)計(jì)數(shù)據(jù)。用這種方法比較，伸長(zhǎng)計(jì)結(jié)果與頂板線總位移近似相等。從這個(gè)意義上講，導(dǎo)致產(chǎn)生總位移的頂板的變形性質(zhì)和類型能作比較。這允許不同性能的支護(hù)系統(tǒng)用相同的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估，即在煤礦用這種支護(hù)有多少頂板運(yùn)動(dòng)發(fā)生。因此，沒有必要用最大應(yīng)力或安全因素替代。圖18比較了通過模型估計(jì)的頂板變形和實(shí)地測(cè)得的頂板變形。顯示了模型載荷路徑的3條應(yīng)力線的模擬結(jié)果，也顯示了在兩個(gè)聯(lián)絡(luò)巷研究點(diǎn)測(cè)得的許多變形描述。數(shù)據(jù)表明模型能抓住兩點(diǎn)變形的共同特性，顯示了變形類型和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度間的密切聯(lián)系。它也可以記錄下模型顯示的一些發(fā)生在伸長(zhǎng)計(jì)范圍外的一些變形。圖19闡明了巖石失穩(wěn)過程的位置和性質(zhì)與頂板變形輪廓聯(lián)系在一起的。在原始發(fā)育的斷層面的一定區(qū)域發(fā)生早于變形過程的剪切失穩(wěn)（圖19a）。隨著應(yīng)力水平增加，強(qiáng)度弱的頁(yè)巖單元發(fā)生剪切裂痕。更高的應(yīng)力水平導(dǎo)致堅(jiān)固材料發(fā)生剪切和附加層面剪切。然而，在應(yīng)用的大面積應(yīng)力達(dá)到大約1516MPa（2200psi；圖19b）之前，頂板的總變形相對(duì)較小。超出這個(gè)水平，就會(huì)發(fā)生顯著的頂板變形，并向頂板較高的區(qū)域發(fā)展（圖19c）。8.模擬結(jié)果：頂板錨固力應(yīng)用在模型中的頂板錨固力和點(diǎn)B、C的頂板錨桿荷載數(shù)據(jù)如圖表20所示。為了作比較，錨桿平均載荷取為頂板位移的3倍。一般來(lái)說，在監(jiān)控點(diǎn)的錨桿平均載荷有一個(gè)相當(dāng)寬的范圍，然而，應(yīng)用在模型中的所有力都和監(jiān)控的范圍相一致。這提供了一個(gè)指示：錨桿圍巖關(guān)系能以一種和研究點(diǎn)反應(yīng)相一致的現(xiàn)實(shí)方法模擬。結(jié)果表明，在就地變化的應(yīng)力狀態(tài)（少于大約11-12MPa），頂板條件能像預(yù)期一樣用采用的錨桿形式控制好。在屈服載荷達(dá)到大約15-16MPa的應(yīng)力水平前，頂板錨桿能保持穩(wěn)定。然而，一旦頂板開始發(fā)生顯著變形，錨桿載荷也會(huì)快速增加。模擬結(jié)果（圖表20）顯示在初期附加錨索對(duì)錨桿負(fù)荷幾乎沒有影響，然而，一旦主要的頂板運(yùn)動(dòng)開始，錨索能承擔(dān)足夠的載荷以推遲頂板對(duì)錨桿的屈服攻擊。錨索表現(xiàn)為在頂板錨桿屈服后改善了它們的整體性能。9.模擬結(jié)果：巷道變形導(dǎo)致在聯(lián)絡(luò)巷的應(yīng)力分配研究期間的測(cè)量顯示在頂板發(fā)生顯著的變形前附加應(yīng)力已直接作用在聯(lián)絡(luò)巷的直接頂上（圖13）。模擬表明較早發(fā)生在變形過程中的沿層面剪切能使應(yīng)力大幅度減小，即使巷道的位移和可見變形很小。圖21顯示了一個(gè)大約20mm（8in）顯著位移的例子。在巷道中央2m頂板內(nèi)傳遞的原始水平應(yīng)力量表明了頂板段的穩(wěn)定性和加強(qiáng)巖體的必要性，當(dāng)錨固頂板段失去完整性和變得松軟時(shí)，頂板能獲得的水平應(yīng)力減少。一旦深部巖體裂隙導(dǎo)致頂板軟化，首要的設(shè)計(jì)任務(wù)是采取加固行動(dòng)。總的來(lái)說，模擬結(jié)果和在研究點(diǎn)獲得的巷道監(jiān)控和觀察的行為相聯(lián)系。它為模型模擬影響巷道為定性和加強(qiáng)相互作用的巖體變形過程提供依據(jù)。這個(gè)依據(jù)允許在研究點(diǎn)預(yù)期