近距离孤岛工作面动压影响巷道围岩控制.pdf

第3 5 卷第4 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 5N o ．4 2 0 0 6 年7 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y J u l ．2 0 0 6 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 6 0 4 0 4 8 3 0 5 近距离孤岛工作面动压影响巷道围岩控制 郑百生，谢文兵，窦林名 高明 中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏 仕，康建东 徐州2 2 1 0 0 8 摘要近距离煤层孤岛工作面上部煤层与下部煤层回采巷道为楼上楼形式时，下部煤层回采巷道 的雏护十分困难．结合付村矿2 0 9 孤岛工作面工程地质实际条件，运用三维数值模拟软件 F L A C 3 D ，分析了此种情况下，影响下部煤层回采巷道围岩稳定性的主要因素．通过对3 上煤层开 采影响下3 下巷道围岩的位移与应力分析研究，指出孤岛工作面楼上楼巷道围岩极不稳定，在动 压影响下极易产生形变，其中水平应力对巷道围岩的影响比垂直应力更大．在此基础上提出了控 制巷道围岩的空间斜拉锚索的支护方案。 关键词近距离煤层；围岩控制；数值模拟；空间锚索；楼上楼巷道 中图分类号T D3 2 5文献标识码A AS u r r o u n d i n gR o c kC o n t r o l l i n gT e c h n i q u eo f R o a d w a yA f f e c t e db yD y n a m i cS t r e s si n ‘‘I s l e tF a c e ’’o fA d ja c e n tC o a lS e a m Z H E N GB a i s h e n g ，X I EW e n b i n g ，D O UL i n m i n g ，G A OM i n g s h i ，K A N GJi a n d o n g S c h o o lo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g 。C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h ei n f l u e n c eo fd y n a m i cs t r e s so nt h er o a d w a yu n d e ro v e r h e a dm i n i n gi sa c u t ei n a d j a c e n tc o a ls e a m s ，e s p e c i a l l yw h e nt h er o a d w a y sa r eo v e r l a p p e d ．B a s e do nt h em i n i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so fal o n g - w a l lm i n i n gp a n e l ，t h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n go nt h es t a b i l i t yo f r o a d w a yi nt h el o w e rc o a ls e a mw e r ea n a l y z e db ym e a n so f3 Dc o u p l e dn u m e r i c a lm o d e l i n g ．T h e r o c k ss t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tw e r es t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es u r r o u n d i n gr o c ko f r o a d w a yi nl o w e rc o a ls e a mi se x t r a o r d i n a r yi n s t a b i l i t ya n dc a ne a s i l yd i s t o r tu n d e rt h ed y n a m i c s t r e s s ；t h ei m p a c to fh o r i z o n t a ls t r e s s e sa r em u c hg r e a t e rt h a nt h a to fv e r t i c a ls t r e s s e s ；a n dt h e s u p p o r ts c h e m eo ft h er o a d w a yi nl o w e rc o a ls e a mw a sa d v a n c e d ． K e yw o r d s a d j a c e n tc o a ls e a m ；s u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o l l i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s p a t i a l a n c h o r a g ec a b l e ；o v e r l a p p e dr o a d w a y 煤层开采引起回采空间周围岩层应力重新分 布，不仅在回采空间周围的煤柱上造成应力集中， 而且该应力将向底板岩层深部传递，造成布置在底 板岩层或煤层中的巷道变形急剧增大．而孤岛工作 面楼上楼巷道可以说是此类问题中最复杂，受开采 掘进影响最严重的巷道，因此支护问题尤显突出． 近年来，国内外许多学者在这个问题上提出了很多 好的建设性的意见和建议，在实践中也取得了很好 的效果．但是巷道围岩控制机理研究方面进展不 大‘1 ‘5 。．本文结合实际工程实例，运用数值模拟手 收稿日期2 0 0 5 1 0 1 7 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 4 9 0 2 7 3 ，5 0 0 7 4 0 3 0 ；高等学校博士学科点专项基金项目 2 0 0 3 0 2 9 0 0 1 7 作者简介郑百生 1 9 7 9 一 ，男，安徽省安庆市人，博士研究生，从事采矿数值模拟方面的研究． E - U l b s h z h e n g 1 2 6 ．c o m T e l 0 5 1 6 8 3 8 8 5 7 7 9 万方数据 中国矿业大学学报 第3 5 卷 段，对此类巷道围岩控制机理进行了探索性的分析 和研究． 1 理论背景 在煤层支承压力作用下，工作面底板岩体的滑 移线场及塑性区的边界如图1 所示．其由3 个区构 成主动极限区徼7 b ，过渡区a b c 及被动极限区 a c d ．主动极限区和被动极限区滑移线分别由2 组 直线组成；过渡区滑移线由1 组对数螺旋线组成， 另1 组为自a 为起点的放射线[ 6 ‘8 ] ．文献1 - 6 3 给出了 支承压力作用下煤体边缘极限塑性破坏区的最大 深度h ，，底板岩体最大破坏深度距工作面端部的 水平距离z 。和采空区内底板岩体沿水平方向破坏 的最大长度如计算公式分别为 l一三x丽acos驴o e x p [ 詈 警 t a n 铷] ， 1 Z 1 一h l t a n ‰， 2 z z 一球a n { 警 o x o 詈t a n 他 ， 3 式中X 。为煤体边缘塑性区宽度；铷为岩石的内摩 擦角． 图1底板最大破坏深度 F i g ．1 M a x i m u md e p t ho fd e s t r o y e db o t t o mr o c k 上述分析只考虑工作面开采时底板岩体中应 力计算和破坏深度，没有考虑底板岩体中已掘巷道 对底板岩体应力和破坏深度的影响．当巷道布置在 底板岩体应力集中区或底板破坏范围内时，必然造 成巷道更加严重的变形． 2 地质条件 山东枣庄付村煤矿2 0 9 面属近水平煤层孤岛 工作面，走向长12 0 0m ，倾向长1 5 0m ．开采3t ， 3 下2 层煤，3 上与3 下2 层煤之间有7 ．5 9 ～9 ．3 5m 厚 砂岩，3 下煤层理深5 2 2 ．2 一- - 5 4 9 ．2m ．2 0 9 工作面东 边是2 1 1 工作面，其与2 0 9 工作面斜交；西边是 2 0 7 工作面．2 0 7 ，2 1 1 工作面的3E ，3 下2 层煤都已 回采结束，岩层基本稳定．在2 1 1 工作面一侧，2 0 9 工作面3 上，3 下梭车道空间位置重叠，即楼上楼巷 道．2 1 1 工作面与2 0 9 工作面的位置关系见图2 ，岩 层综合柱状如图3 所示． 楼上楼 a 垂直剖面 b 水平剖面 图2 2 1 1 和2 0 9 工作面的位置关系 F i g ．2 L o c a t i o n so f2 11a n d2 0 9w o r k f a c e s 厚累 柱状岩层名称度／厚／ 岩性特征描述 mm ．H ．- j 。 浅灰色厚层状石英砂岩，含岩屑及绿色矿 鼙籍细砂岩 8 ．07 7 ．0 物，钙质胶结，分选中等．磨圆度好，裂隙较 ，‘j ’r 为发育，为含水层‘厂 6 - 8 ix ，。’ 灰黑色厚层状含植物化石碎片，裂隙较为 砂质泥岩 2 ．27 9 ．2发育r 4 - - - 6 _3 上煤层5 ．28 4 ．4黑色，以亮煤为主，贝壳状断l Y l f 1 ．5 - 2 ．2 ■棕灰色成分以石英长石为主砂岩，钙质胶 美哥尊 粉砂岩 0 ．8 58 5 ．2 5结，含少量植物化石碎片及自云母片，显斜 ，0 ． r t 坡层理，裂隙发育，裂隙面有擦痕，为含水层 灰黑色厚层状含黄铁矿及大量植物化石 戮细砂岩 7 ．8 5 9 3 ，I 碎片水平层理 _ 粉砂岩0 ．6 59 3 ．2 5户1 ．5 - 2 ．2 3 下煤层 3 ．8 79 7 ．6 2黑灰色水平层理，裂隙发育户1 ．5 2 ．2 秒质泥岩1 ．2 59 8 ．8 7中砂岩， 4 巧 深灰色水平层理含黄铁矿及植物化石 粉砂岩7 ．6 51 0 6 ．5 2碎片，裂隙较为发育，．厂 6 8 砂质泥岩5 ．3 5l l I ．8 7 灰岩 0 ．6I j 2 4 7 图3岩层综合柱状图 F i g ．3H i s t o g r a mo ft h er o c ks t r a t a 根据现场提供的数据，采用岩体强度折减方 法，计算得煤体力学参数为内聚力c 。一 1 ．0M P a ，内摩擦角妒。 2 5 。，采厚h 一5m ，煤层埋 深H 一5 3 0m ．取覆岩平均密度y 一25 0 0k g ／m 3 ， z 。一1 0m ，由式 1 可得 ， 1 0 c o s 2 5 。 n 1 ●●一’ 2 c 。s { 萼1 - 丌9 6 e x p [ { 萼志 t a n 2 5 。] ≈，7m ． 即在3 上工作面开采引起支承压力作用下，煤体边 缘极限塑性破坏区的最大深度为1 7m ，大于3 上， 3 下之间的距离，因此3 下梭车道围岩完全位于极限 塑性破坏区内． 薹一 万方数据 第4 期郑百生等近距离孤岛工作面动压影响巷道围岩控制4 8 5 3 数值模拟研究 3 ．1计算模型 孤岛工作面楼上楼巷道动压影响力学分析属 三维问题．论文采用三维有限差分计算机程序 F L A C 3 D 进行数值分析．根据实际研究的需要，模型 截取2 0 9 工作面与2 1 1 工作面斜交附近的敏感区 域 图4 ． 图4数值模拟立体模型 F i g ．4 3 Da l a l y s i sm o d e l 沿工作面倾向和走向分别取2 8 0m 和2 0 0m ， 模型高8 3m ，根据模型实际的取值，计算模型上边 界施加的垂直方向的载荷为户一豫 1 2 ．5M P a ， 前后边界采用位移边界固定，即只允许有垂直方向 的位移，模型下边界为固定边界，3 方向的位移均 为0 ．实际中3 上和3 下之间的距离7 ～1 0m ，模型中 平均取值8m ． 计算采用莫尔一库仑屈服准则 邓～芒黜 2 f √芒搿 4 式中口。，吼分别为最大和最小主应力；c 和9 分别 为材料的黏结力和摩擦角． 当．厂s 0 时，材料将发生剪切破坏．在通常应 力状态下，岩石 煤 是一种脆性材料，因此可根据 岩石的抗拉强度判断岩石是否产生拉破坏．岩石三 轴力学试验表明，岩石峰值强度和残余强度与围压 有关，当外载荷达到岩石的强度极限后，岩石的强 度随着围压的大小而产生弱化现象．因此，本计算 采用应变软化模型，岩石破坏后产生弱化，材料的 c 和9 值随最小主应力口。的变化而变化，岩石强度 随变形的发展而降低[ 9 ’1 引．岩石材料与锚索力学分 别参数见表1 ，2 ． 表1数值模拟计算模型的岩体力学参数 T a b l e1M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f r o c km a s si nn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n 序号岩性。k 器，体鬻擀7 磁7 摩弩7 抗等7 徽摩黧殳。， 表2锚索参数 T a b l e2M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fc a b l e 3 ．2 模拟结果分析 3 ．2 ．1 位移特征 图5 是在普通锚网支护下，巷道顶底板位移分 布图．由图5 可以看出，3 上工作面开采对3 下巷道 的顶板位移量的影响较大，最大的位移量达到 1 ．2m ，严重影响巷道的使用．与顶板下沉量相比 巷道底鼓量较小，最大底鼓量为3a m ．由图5 还可 以看出，煤柱的尺寸对巷道围岩的影响较大，靠近 采空区适当的小煤柱比大煤柱更有利于巷道围岩 的稳定 煤柱的变化如图2b 所示 ．但是小煤柱所 在处的巷道，底鼓量稍大，这是由采空区影响下岩 层的整体移动引起的，但与顶板下沉量相比，底板 变形量是微小的． 吕 蠢 越 距开采点的长度，m 1 53 04 56 07 59 01 0 51 2 0 1 3 51 5 0 1 6 5 1 8 0 1 9 5 底板 顶版 图53 下梭车道顶底板的垂直位移量 F i g ．5 V e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h eb o t t o ma n dr o o f o ft h er o a d w a yi nt h el o w e rc o a ls e a m 图6 为巷道两帮的水平位移历史．该监测点实 际位于煤柱宽度约为1 0m 处3 下梭车道中，在模型 中位于距离模型前面1 0 0m 处．由图6 可以看出巷 道在动压影响下，变形阶段变化．图中I 为开巷阶 段，Ⅱ为3 上2 1 1 工作面开采引起的位移变形，Ⅲ为 3 下2 1 1 开采引起的巷道两帮围岩变形，Ⅳ～V 为 3 } 2 0 9 工作面开巷和开采到1 0 0m 的过程中巷道 围岩的变形．由各个阶段的情况可以看出，巷道一 O 2 3 5 5 3 2 3 1 3 O 5 2 5 7 2 l 1 0 1 加5 8 3 ∞ 8 8 O O 1 3 2 4 2 4 0 7 1 0 5 4 2 4 1 5 5 O 3 6 8 8 3 8 3 0 3 1 O O 2 3 3 1 7 8 3 4 l 6 7 8 1 1 1 2 O 0 0 O O O O O O 0 5 2 3 4 5 Z 2 Z 1 2 岩 岩 岩岩砂 砂灰泥粉煤细 钟如。加蚰砷∞∞加∞ 万方数据 4 8 6中国矿业大学学报第3 5 卷 直处于不稳定的状态下，只要有应力扰动，巷道围 岩的变形就急剧增加，尤其是在3 上2 0 9 工作面开 采的动压影响下，巷道的变形更加剧烈，并且巷道 右帮比左帮大．当模型开采1 0 0m 时，即2 0 9 工作 面推进到模型Y 方向 走向方向 的中央时，原来宽 为4m 的巷道，宽度仅剩1m ，说明普通的锚网支 护根本不能控制多次动压影响下的巷道围岩变形． 昌 g 簿 翅 迭代步数 O 图63 下梭车道监测点的位移 F i g ．6 D i s p l a c e m e n tm o n i t o r e do ft h e r a i l w a yi nt h el o w e rc o a ls e a m 3 ．2 ．2应力特征 图7 为沿巷道走向方向在水平面上的垂直应 力分布图．由图7 可看出，在煤柱和3 上工作面的影 响下，3 下梭车道的围岩两帮出现多处一直处于高 应力的区域，在高应力的长期作用下，巷道围岩变 形严重，特别是煤柱宽度在1 0 ～1 51 T I 之间的区 域，巷道空间基本被压实，所以3 下2 0 9 工作面开采 过程，原有的支护形式更本不能控制巷道围岩变 形．在此基础上，模型因为巷道严重变形而导致巷 道的围岩的单元变形过大，产生死块，模拟开采不 能继续．实际开采过程则体现为巷道断面完全变 形，空间完全被挤入的围岩填实． 图7 沿3 下梭车道走向方向剖面上的垂直应力分布 F i g ．7 V e r t i c a ls t r e s sd i s t r i b u t i o no nt h e s e c t i o np l a n e a l o n gt h el o w e rc o a ls e a m 由于3 t ，3 下梭车道的存在，支承压力传递到 3 下煤层的顶板时，应力矢量逐渐垂直方向过渡到 水平方向，发展成水平应力，从而形成3 下梭车道上 部顶板区域的水平应力明显增高区，如图8 所示， 与原有的水平应力叠加，3 下梭车道上部顶板区域 的水平应力比周边的大．因此在较高的水平应力作 用下，3 下梭车道顶板严重变形，形成较大的位移． 这就是3 下梭车道顶板变形严重的根本原因． 图83 下煤层直接顶水平剖面剪应力分布 F i g ．8 H o r i z o n t a ls t r e s sd i s t r i b u t i o no nt h e s e c t i o np l a n e a l o n gt h ed i r e c tr o o fo fl o w e rc o a ls e a m 4 支护方案及支护效果 根据上述分析，3 下2 0 9 梭车道受到2 0 9 工作面 3E 煤层开采时，巷道围岩的主要变形特征是两帮 内移和顶板下沉，并可能导致顶板产生拱冒和切冒 型破坏．因此3 下2 0 9 梭车道围岩加固总的技术思 路如下 1 采用高强锚杆和帮锚索加固两帮，提高两 帮的稳定性，为顶板锚网支护形成的组合梁结构提 供可靠的承载基础； 2 采用空间锚索加固顶板 图9 ，防止由于水 平应力过大而产生的顶板变形过大，提高组合梁结 构的稳定性和承受动压影响的能力． 图9支护断面 F i g ．9S u p p o r ts e c t i o n 根据数值模拟结果，在2 1 1 工作面对2 0 9 工作 面3 下梭车道影响较大的区域设置监测点，如图1 0 所示． 支巡黝刎 2 0 9 回风≯、 绘 l 号23 45 监号号 号 号 2 0 9 工作面 测监监 监 监 点测测 测 测 2 0 9 进风巷 点点 点点 图1 0监测点布设位置 F i g ．1 0 L o c a t i o n so ft h em o n i t o r e dp o i n t s 图1 1 为3 号监测点顶底板相对位移趋势线． 由图1 1 可见，在空间锚索作用下，随着工作面的推 移，巷道顶底相对位移很快趋于稳定，说明空间锚 索有效的控制住了水平应力对顶底板的强作用． 万方数据 第4 期郑百生等近距离孤岛工作面动压影响巷道围岩控制 4 8 7 昌4 5 0 g 4 0 0 蘸 日期／月一日 图1 13 号监测点趋势线 F i g ．11 T r e n dl i n eo f38m o n i t o r e dp o i n t 图1 2 为巷道围岩稳定后，沿巷道走向各个监 测点最终位移值．由图1 2 可以看出，沿巷道走向方 向顶底板位移规律与数值模拟结果相符合．最大位 移量为0 ．4r n ，顶板下沉得到了有效的控制。 l4 2 0 霾 [ 4 1 陆士良，白晨光．厚煤层大巷掘前预采卸压的研究 口] ．煤炭学报，1 9 9 2 ，1 7 2 1 5 1 9 ． I 。US h i l i a n g ，B A IC h e n - g u a n g ．P r e - m i n i n gb e f o r e d e v e l o p m e n to fr o a d w a y si nat h i c ks e a mf o rd i s t r e s s i n g 口] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ．1 9 9 2 ，1 7 2 1 5 1 9 ． [ 5 3陆士良，姜耀东，孙永联．巷道与上部煤层间垂距Z 的选择[ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 3 ，2 2 1 1 6 1 9 ． L US h i l i a n g ，J I A N GY a o - d o n g ，S U NY o n g - l i a n ． T h es e l e c t i o no f v e r t i c a ld i s t a n c eb e t w e e nr o a d w a y a n dI t su p p e rc o a ls e a m [ J 3 ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r - s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ．1 9 9 3 ，2 2 1 1 6 1 9 ． [ 6 1陆士良，孙永联，姜耀东．巷道与上部煤柱边缘间水平 距离x 的选择[ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 3 ，2 2 2 1 0 1 3 ． L US h i l i a n g ，S U NY o n g l i a n ，J I A N GY a o d o n g ． S e l e c t i o no fh o r i z o n t a ld i s t a n c eXb e t w e e nr o a d w a y a n dt h ee d g eo fI t su p p e rp i l l a rE J ] ．J o u r n a lo fC h i n a U n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ．19 9 3 ，2 2 2 1 0 1 3 ． [ 7 ] 张金才，张玉卓，刘天泉．岩体渗流与煤层底板突水 I - M ] ．北京地质出版社，1 9 9 7 ． [ 8 3 陈炎光，陆士良．中国煤矿巷道围岩控制I - M 3 ．徐州 中国矿业大学出版社，1 9 9 4 ． [ 9 3 谢文兵，史振凡，陈晓祥。工作面开采对底板岩巷稳定 性的影响F J 3 ．中国矿业大学学报，2 0 0 4 ，1 3 3 8 2 8 5 ． X I EW e n - b i n g ，S H IZ h e n - f a n 。C H E NX i a o - x i a n g ． S t a b i l i t ya n a l y s e so fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ki n d u c e db yo v e r h e a dm i n i n g [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ．2 0 0 4 ，l 3 3 8 2 8 5 ． [ 1 0 3 谢文兵，史振凡，殷少举．近距离跨采对巷道围岩稳 定性影响分析口] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 4 ，2 3 1 2 1 9 8 6 1 9 9 1 ． X I EW e n - b i n g ，S H IZ h e n - f a n ，Y I NS h a o - j u ．S t a b i l i t ya n a l y s i so fs u r r o u n d i n gr o c km a s s e so fr o a d w a y u n d e ro v e r h e a dm i n i n g [ J ] ，C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c k M e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 4 ，2 3 1 2 1 9 8 6 1 9 9 1 ． [ 1 1 ] 郑百生，谢文兵，陈晓祥．煤矿跨采巷道围岩加固机 理分析[ J ] ．煤炭科学技术，2 0 0 4 ，5 3 2 4 0 4 2 ． Z H E N GB a b s h e n g ，X I EW e n - b i n g ，C H E NX i a o - x i a n g ．A n a l y s i so fr e i n f o r c i n gm e c h a n i s mo f s u r r o u n d i n gr o c k so rc r o s s i n gm i n i n gg a t e w a y [ J ] ． C o a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 4 ，5 3 2 4 0 4 2 ． [ 1 2 3彭苏萍，王金安．承压水上采煤[ M ] ．北京煤炭工业 出版社，2 0 0 1 ． 责任编辑王继红 万方数据