保護(hù)層保護(hù)層開采上覆煤層變形特性數(shù)值模擬

保護(hù)層研究背景

隨著煤礦開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及開采深度的增加，煤礦瓦斯的特殊涌出成為制約礦井高產(chǎn)高效的主要因素。尤其在開采低透氣性高瓦斯有突出危險(xiǎn)煤層時(shí)，煤與瓦斯突出是嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)的自然災(zāi)害之一，如何安全、經(jīng)濟(jì)、有效地防治煤與瓦斯突出，前人為此進(jìn)行了大量的研究，提出了許多有效的防治措施，對(duì)減少和預(yù)防煤與瓦斯突出做出了卓有成效的貢獻(xiàn)。其中保護(hù)層開采技術(shù)是已被大量實(shí)踐證明并用法規(guī)形式確立的防治煤礦突出危險(xiǎn)的行之有效的方法，在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用。保護(hù)層開采能使突出危險(xiǎn)煤層的應(yīng)力- 形變狀態(tài)和瓦斯動(dòng)力狀態(tài)發(fā)生改變，使被保護(hù)層卸壓，釋放煤層的彈性潛能，增大煤層的透氣性，有利于被保護(hù)層的瓦斯流動(dòng)、解吸，從而減少煤層含量，以降低煤層瓦斯內(nèi)能，達(dá)到預(yù)防煤與瓦斯突出的目的。在研究保護(hù)層開采過程中，被保護(hù)層變形特性對(duì)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)層開采方案的有效實(shí)施具有重要的理論和實(shí)際意義。

保護(hù)層數(shù)值模擬本構(gòu)關(guān)系

巖石應(yīng)力- 應(yīng)變曲線的非線性是由于其受力后的不斷損傷引起微裂紋萌生和擴(kuò)展而造成的，而不是由于其塑性變形，因此，用彈性損傷力學(xué)的本構(gòu)關(guān)系來描述巖石的細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)是合適的。從巖石的微觀結(jié)構(gòu)上講，一方面因?yàn)榇罅抗?jié)理、 裂隙的存在，巖石不是連續(xù)介質(zhì)；另一方面由于巖石仍屬于結(jié)晶材料，故巖石也不是離散介質(zhì)，這就說明了巖石從構(gòu)造本質(zhì)上講是一種非線性材料。巖石的非線性本質(zhì)還顯示為巖石的變形、演化以及其中裂隙和孔隙空間分布的復(fù)雜性和高度無序性等方面。

在巖石破壞初始狀態(tài)，細(xì)觀單元是彈性的，其力學(xué)性質(zhì)可以完全由彈性模量和泊松比來表達(dá)，隨著單元應(yīng)力的增加，當(dāng)單元的應(yīng)力狀態(tài)或者應(yīng)變狀態(tài)滿足給定的損傷閾值時(shí)，單元開始損傷。在不同的應(yīng)力組合條件下，巖石的破壞表現(xiàn)出剪切和拉伸2種形式。通常，可以利用庫(kù)侖準(zhǔn)則判別壓縮破壞，利用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則判別拉伸破壞。

保護(hù)層研究結(jié)果

(1)保護(hù)層開采對(duì)被保護(hù)層產(chǎn)生較大影響，隨著保護(hù)層開采，上覆巖層不斷垮落，被保護(hù)層的最大主應(yīng)力大大降低，被保護(hù)層在一定范圍內(nèi)發(fā)生膨脹變形，但隨著保護(hù)層推進(jìn)距離的不斷增加，被保護(hù)層的最大主應(yīng)力有所恢復(fù)，煤層的膨脹變形逐漸減小，達(dá)到一定值后趨于穩(wěn)定，該區(qū)域煤體裂隙發(fā)育，煤層透氣性大大增加，有利于瓦斯運(yùn)移和煤層瓦斯卸壓抽放。

(2)隨著保護(hù)層工作面推進(jìn)距離的增大，被保護(hù)層卸壓區(qū)煤層水平變形出現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域，切眼前方一定距離煤層的水平移動(dòng)方向與回采方向一致；工作面后方一定距離煤層的水平移動(dòng)方向與回采方向相反，這樣被保護(hù)層卸壓區(qū)煤層受到水平拉抻和擠壓作用，使該區(qū)域煤體機(jī)械破壞增加，有利于被保護(hù)層次生裂隙的發(fā)育，進(jìn)一步增加煤層的透氣性。

(3)在保護(hù)層開采過程中相對(duì)層間距對(duì)被保護(hù)層卸壓變形產(chǎn)生較大影響，相對(duì)層間距愈大，保護(hù)層開采對(duì)被保護(hù)層的影響愈小，膨脹變形的滯后時(shí)間增加，不利于被保護(hù)煤層離層裂隙和破斷裂隙的產(chǎn)生，為了保證保護(hù)層開采效果，應(yīng)增大開采超前距。因此，在礦井生產(chǎn)的實(shí)際過程中，在被保護(hù)層中進(jìn)行卸壓抽放時(shí)，應(yīng)考慮保護(hù)層開采過程中，被保護(hù)層透氣性的時(shí)空演化分布規(guī)律。 2100433B

保護(hù)層研究背景

國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年來對(duì)鋼管混凝土力學(xué)性能和設(shè)計(jì)方法開展了深入細(xì)致的研究工作，已取得豐碩成果。國(guó)外有關(guān)鋼管混凝土的設(shè)計(jì)規(guī)范，這些規(guī)范中大都同時(shí)包括了圓鋼管混凝土和方鋼管混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)方面的條文。自五、六 十年代以來，我國(guó)的研究者也進(jìn)行了鋼管混凝土力學(xué)性能和設(shè)計(jì)方法方面的研究工作，特別是近十幾年來取得了令人矚目的成就，已先后由國(guó)家建材總局、中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)、國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)和中國(guó)人民解放軍總后勤部頒布發(fā)行了有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程。

方鋼管對(duì)其核心混凝土的約束效果不如圓鋼管顯著，但仍有良好的效果，尤其可以有效地提高構(gòu)件的延性。另外，與梁的連接節(jié)點(diǎn)處理也較容易，因此，在實(shí)際工程中具有很好的應(yīng)用前景。方鋼管混土已在歐美、日本、加拿大和澳大利亞等國(guó)得到廣泛應(yīng)用。近年來在我國(guó)的工程實(shí)踐也已開始起步。

我國(guó)主要采用，在鋼管中填充素混凝土的鋼管混凝土。由于進(jìn)行鋼管混凝土柱耐火極限試驗(yàn)研究時(shí)費(fèi)用昂貴，我國(guó)以往在這方面的研究工作相對(duì)較少，尚未制定該類結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方面的規(guī)定，不但制約了該類結(jié)構(gòu)的推廣，而且對(duì)于已建成結(jié)構(gòu)的耐火極限也缺乏必要的科學(xué)依據(jù)。在已建成的結(jié)構(gòu)中，有的按照鋼筋混凝土的要求外包以混凝土，有的則按鋼結(jié)構(gòu)的要求涂以防火涂料。這樣做雖也可能保證防火要求和結(jié)構(gòu)的安全性，但大都偏于保守而造成浪費(fèi)，且缺乏科學(xué)性和統(tǒng)一性。因此，深人研究鋼管混凝土柱的耐火性能，合理確定其防火設(shè)計(jì)方法具有十分迫切的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

保護(hù)層研究進(jìn)展

鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度關(guān)系到結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性、防火等性能。鋼筋混凝土保護(hù)層具有以下幾個(gè)作用和影響：

1、維護(hù)結(jié)構(gòu)耐久性混凝土中保護(hù)層太薄容易滲入潮濕氣體和水，過厚則易產(chǎn)生裂縫，這些都可能使鋼筋銹蝕并膨脹，從而使混凝土遭受破壞，影響使用和結(jié)構(gòu)安全。

2、承受外力作用保護(hù)層對(duì)鋼筋有錨固力，利用混凝土與鋼筋間的錨固力，兩者緊密結(jié)合，共同參與工作。保護(hù)層過薄或缺失時(shí)，減低了它的錨固力從而降低了結(jié)構(gòu)抵抗軸力和彎矩的作用。

3、從正截面受彎承載力計(jì)算公式可以看出，當(dāng)面筋保護(hù)層過厚導(dǎo)致截面有效高度h₀減小時(shí)，將降低截面受彎承載力?？梢姳Ｗo(hù)層厚度是影響結(jié)構(gòu)承載力多么重要的因素。

4、防火保護(hù)層混凝土具有一定的隔熱作用，遇到火災(zāi)時(shí)能對(duì)較易軟化的鋼筋進(jìn)行保護(hù)，如果保護(hù)層厚度過薄，在高溫環(huán)境下容易開裂，致使鋼筋因過熱而降低強(qiáng)度從而破壞整體結(jié)構(gòu)。

因此，在當(dāng)前的質(zhì)量驗(yàn)收工作中保護(hù)層厚度的控制越來越受到重視，新規(guī)范規(guī)定在驗(yàn)收過程中要進(jìn)行實(shí)體檢測(cè)。

路面保護(hù)層是指在磨耗層上用砂土材料鋪成厚度不超過1cm的薄結(jié)構(gòu)層，其作用是保證路面的平整度。

煤礦保護(hù)層：在開采煤層群時(shí)，有的煤層突出（煤與瓦斯突出）危險(xiǎn)性大，有的煤層突出危險(xiǎn)性小，甚至沒有突出危險(xiǎn)性。在開采有突出危險(xiǎn)的礦井，必須采取相應(yīng)的防突措施。在突出礦井中，預(yù)先開采的并能使與其相鄰的有突出危險(xiǎn)的煤層受到采動(dòng)影響而減小或消除突出危險(xiǎn)的煤層叫保護(hù)層，后開采的煤層稱被保護(hù)層。保護(hù)層位于被保護(hù)層上方為上保護(hù)層，相反為下保護(hù)層。

植物器官如葉、枝、花和果等脫落后，在離區(qū)中有幾層起保護(hù)作用的細(xì)胞，稱為保護(hù)層。這些細(xì)胞往往栓質(zhì)化，以防止外來病菌的侵入和水分的喪失。

根據(jù)2010年新的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）保護(hù)層厚度不再是縱向鋼筋（非箍筋）外緣至混凝土表面的最小距離，而是“以最外層鋼筋（包括箍筋、構(gòu)造筋、分布筋等）的外緣計(jì)算混凝土的保護(hù)層厚度”。

保護(hù)層最小厚度的規(guī)定是為了使混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足的耐久性要求和對(duì)受力鋼筋有效錨固的要求。

混凝土保護(hù)層厚度大，構(gòu)件的受力鋼筋粘結(jié)錨固性能、耐久性和防火性能越好。但是，過大的保護(hù)層厚度會(huì)使構(gòu)件受力后產(chǎn)生的裂縫寬度過大，就會(huì)影響其使用性能（如破壞構(gòu)件表面的裝修層、過大的裂縫寬度會(huì)使人恐慌不安），而且由于設(shè)計(jì)中是不考慮混凝土的抗拉作用的，過大的保護(hù)層厚度還必然會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。因此，2010年《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》8.2.1條，規(guī)定縱向受力的普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋，其混凝土保護(hù)層厚度(鋼筋外邊緣至混凝土表面的距離)不應(yīng)小于鋼筋的公稱直徑d，且應(yīng)符合下表的規(guī)定。一般設(shè)計(jì)中是采用最小值的。

混凝土保護(hù)層最小厚度(mm)

注：1.混凝土強(qiáng)度等級(jí)不大于C25時(shí)，表中保護(hù)層數(shù)值增加5mm.

2.鋼筋混凝土基礎(chǔ)宜設(shè)置混凝土墊層，基礎(chǔ)中鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度應(yīng)從墊層頂面算起，且不應(yīng)小于40mm.

3.板在混凝土等級(jí)強(qiáng)度大于C25時(shí)，保護(hù)層厚度不小于20mm，且不應(yīng)小于鋼筋的公稱直徑d。

（1）塊料面層保護(hù)層。塊料面層分地面磚和混凝土預(yù)制板保護(hù)層，可采用水泥砂漿鋪貼。鋪砌必須平整，并滿足排水要求，塊料應(yīng)先浸水濕潤(rùn)并陰干。擺鋪后應(yīng)立即擠壓密實(shí)、平整，使之結(jié)合牢固。塊料之間應(yīng)做勾縫處理。

（2）水泥砂漿保護(hù)層。水泥砂漿保護(hù)層與防水層之間應(yīng)設(shè)置隔離層。保護(hù)層用的水泥砂漿配合比一般為1：（2.5~3）（體積比）。保護(hù)層施工前，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)情況用木模設(shè)置縱橫分格縫。鋪設(shè)水泥砂漿時(shí)應(yīng)隨鋪隨拍實(shí)，并用刮尺刮平。排水坡度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。立面水泥砂漿保護(hù)層施工時(shí)，為使砂漿與防水層粘結(jié)牢固，可事先在防水層表面進(jìn)行處理(如粘麻絲、金屬網(wǎng)等），然后再做保護(hù)層。

（3）細(xì)石混凝土保護(hù)層。施工前應(yīng)在防水層上鋪設(shè)隔離層，并按設(shè)計(jì)要求支設(shè)好分格縫木模。設(shè)計(jì)無要求時(shí)，每格面積不大于36m2，分格縫寬度為20mm.一個(gè)分格內(nèi)的混凝土應(yīng)連續(xù)澆筑，不留施工縫。振搗宜采用鐵輥滾壓或人工拍實(shí)，以免防水層被破壞。拍實(shí)后隨即用刮尺按排水坡度刮平，初凝前用木抹子提漿抹平，初凝后及時(shí)取出分格縫木模，終凝前用鐵抹子壓光。細(xì)石混凝土保護(hù)層澆筑后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不應(yīng)少于7d.養(yǎng)護(hù)期滿即將分格縫清理干凈，待干燥后嵌填密封材料。

保護(hù)層厚度正常環(huán)境

板、墻保護(hù)層15mm，梁、柱保護(hù)層20mm。

保護(hù)層厚度高濕度

1、砼強(qiáng)度小于等于C20時(shí)，板、墻保護(hù)層35mm，梁、柱保護(hù)層45mm

2、砼強(qiáng)度C25或C30時(shí)，板、墻保護(hù)層25mm，梁、柱保護(hù)層35mm

3、砼強(qiáng)度大于等于C35時(shí)，板、墻保護(hù)層15mm，梁、柱保護(hù)層25mm

基礎(chǔ)按有無墊層區(qū)分：有墊層時(shí)40mm，無墊層時(shí)70mm

保護(hù)層具體還要按設(shè)計(jì)圖紙定，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)保護(hù)層厚度有可能有小幅調(diào)整。2100433B