倾斜中厚煤层错层位外错式巷道布置及相邻巷道联合支护技术.pdf

第4 5 卷第2 期 2 0 2 0 年2 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．2 F e b ．2 0 2 0 移动阅读 王志强，郭磊，苏泽华，等．倾斜中厚煤层错层位外错式巷道布置及相邻巷道联合支护技术[ J ] ．煤炭学报， 2 0 2 0 ，4 5 2 5 4 2 5 5 5 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j c c s ．2 0 1 9 ．0 1 1 4 W A N G Z h i q i a n g ，G U 0L e i ，S UZ e h u a ，e ta 1 ．I 丑y o u ta n dc o m b i n e ds u p p o r tt e c h n o l o g yo fa l t e m a t ee x t e r i o rs t a g g e ra r ． r a n g e m e n tr o a d w a ya n da d j a c e n tm a d w a y si ni n c l i n e da n dm e d i u m - t h i c kc o a ls e a m [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ， 2 0 2 0 ，4 5 2 5 4 2 5 5 5 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i ．j c c s ．2 0 1 9 ．0 1 1 4 倾斜中厚煤层错层位外错式巷道布置及相邻巷道 联合支护技术 王志强1 ’2 ⋯，郭磊1 ’2 ⋯，苏泽华1 ’2 ⋯，王树帅1 ’2 ⋯，沈聪1 1 ．中国矿业大学 北京 能源与矿业学院。北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．中国矿业大学 北京 共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 ； 3 ．中国矿业大学 北京 煤炭安全开采与地质保障国家级实验教学示范中心，北京1 0 0 0 8 3 摘要基于倾斜中厚煤层沿空掘巷与支护技术展开研究。首先通过构建力学模型，依据基本顶最 大弯矩确定基本顶的断裂位置及断裂形式，计算得在距离煤柱帮1 7 ．5 7m 处基本顶达到弯矩最大 值2 3 ．0 2M N m ，并进一步确定断裂线位于实体煤上方；结合“内外应力场”理论，确定在当前覆岩 力学环境下“内应力场”范围为1 5 ．8 9m ；综合考虑煤柱的空间关系，分析巷道围岩煤柱尺寸，确定 窄煤柱水平错距为7 ．3 7m ，竖直错距为2 ．4 0m ；综合以上分析确定区段煤柱留设尺寸范围为7 ～ 1 2m 。通过F L A C Ⅲ数值模拟软件对不同煤柱尺寸的应力场、塑性区分布进行计算分析，对掘进和 回采两个阶段下不同煤柱尺寸条件下稳定性进行研究和验证，最终确定窄煤柱的合理宽度为8m 。 然后根据倾斜中厚煤层错层位外错式巷道布置形式所具有的立体化空间形式，提出错层位外错式 区段间相邻巷道联合支护技术并对其技术特点进行理论分析；基于围岩松动圈支护理论，通过计算 确定区段间相邻巷道联合支护参数并利用F L A C ”数值模拟软件对区段间相邻巷道联合支护方案 和矿方原支护方案进行模拟，分别从支护应力场、塑性区分布和围岩相对变形率3 方面对掘巷和回 采阶段下两支护方案的效果进行验证，最终结果表明区段间相邻巷道联合支护方案相对于矿方原 始支护方案，更有利于巷道围岩的变形控制。 关键词沿空掘巷；窄煤柱；错层位；外错式；相邻区段巷道；联合支护 中图分类号T D 3 5 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 0 2 0 5 4 2 一1 4 L a y o u ta n dc o m b i n e ds u p p o r tt e c l l I l o l o g yo fa l t e r n a t ee x t e r i o rs t a g g e ra r r a n g - e m e n tr o a d w a ya n da d j a c e n tr o a d w a y si ni n c l i I 地da I l dm e d i u m - t h j c kc o a ls e 锄 W A N GZ h i q i a n 9 1 2 ⋯，G U OL e i l ’2 ”，S UZ e h u a l 2 ⋯，W A N GS h u s h u a i l ’2 ⋯，S H E NC o n 9 1 1 ．s c ‰f 0 ，腑聊，o n d 施，“增西研M 昭，C 越m u 砒Ⅷi 咿0 厂胁，“昭＆7 乩‰如盱 ＆彬愕 ，＆咖w1 0 0 0 8 3 ， 崩”；2 ．B e 舛，l g K e y k 幻J 锄啊加‘P r ∞觇 胁西w 矿胁e w 硎I ，l E 栅酊o ，l d 鼢。啪∞，吼i 胁‰聍r s 渺矿胁砌皤Ⅱ趔‰危，1 0 研 ＆咖昭 ，＆舛n g1 0 0 0 8 3 ，吼打m ；3 ．№幻n d 眈脚珊t 删如凡c e 船r 如r E 砸瘾胧n 剐S 咖C b 以胁，“，l go ，l d ‰f 0 舭划G m m n 姚鼬溉，C m n 0 踟如梆咖0 ，胁砌曙。谢‰ ，l o 研 B e 拆昭 ，＆讲，l g1 0 0 0 8 3 ，醌i 胁 A b s t r a c t R e s e a r c hi sc o n d u c t e do nt h eg o b s i d eg a t e I D a dd r i v i n ga n ds u p p o r tt e c h n o l o g yi na ni n c l i n e da n dm e d i u m t h i c kc o a ls e a m ．B yc o n s t r u c t i n gam e c h a n i c a lm o d e l ，t h ef h c t u r ep o s i t i o na n df h c t u r ef o 硼o ft h em a i nm o fa r ed e t e r - m i n e da c c o r d i n gt ot h em a x i m u mb e n d i n gm o m e n to ft h em a i nm o f ．I ti sc a l c u l a t e dt h a tt h em a i nt o pr e a c h e st h em a x i 一 收稿日期2 0 1 9 一O 卜2 5修回日期2 0 1 9 一0 3 2 0责任编辑陶赛 基金项目国家自然科学基金青年基金资助项目 5 1 4 0 4 2 7 0 ；国家自然科学基金面上资助项目 5 1 7 7 4 2 8 9 ；中央高校基本科研业务费专项资 金资助项目 2 0 1 1 Q z 0 6 作者简介王志强 1 9 8 0 一 ，男，内蒙古呼伦贝尔人，副教授，博士生导师，博士。E m a i l w z h i q i a n d h m 1 2 6 ．c o m 通讯作者郭磊 1 9 9 l 一 ，男，河南焦作人，硕士研究生。E m a i l 1 0 7 5 1 9 2 5 2 3 q q ．c o m 万方数据 第2 期王志强等倾斜中厚煤层错层位外错式巷道布置及相邻巷道联合支护技术 m u mb e n d i n gm o m e n ta tad i s t a n c eo f17 ．5 7mf 硒mt h ec o a l p i l l a ra n dt h em a x i m u mb e n d i n gm o m e n t i s 2 3 ．0 2M N m ，w h i c hf u r 山e rd e t e r m i n e st h a tt h ef r a c t u r ep o s i t i o ni sl o c a t e do nt h es i d eo ft h es o l i dc o a l ．C o m b i n e d w i t ht h e “i n s i d ea n do u t s i d es t I ℃s s6 e l d ”t h e o r y ，t h ec a l c u l a t e d “i n t e m a ls t r e s s6 e l d ”m n g ei s1 5 ．8 9m ．C o n s i d e r i n g t h es p a c er e l a t i o n s h i po ft h er o a d w a y ，t h eh o r i z o n t a lo f l s e to ft h en a r r o wc o a lp i U a ri sd e t e 珊i n e dt ob e7 ．3 7ma n dt h e v e r t i c a lo f b e ti s2 ．4 0m ．T h ea b o V ee x p e r i m e n t a la n a l y s i sd e t e 咖i n e st h a tt h ee x p e r i m e n t a lm n g eo ft h es e c t i o nc o a l p i l l a r si s7 12m ．T h es t r e s s6 e l da n dp l a s t i cz o n ed i s t r i b u t i o no fd i f k r e n tc o a lp i l l a rs i z e sa r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d b yt h eF L A C 3 Dn u m e d c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dt h ed i m e n s i o n a ls t a b i l i t yo fd i f - f e r e n tc o a lp i l l a r si ss t u d i e da n dv e r i ． f i e du n d e rt h et w os t a g e so fe x c a V a t i o na n dm i n i n g ．T h er e a s o n a b l ew i d t ho ft h en a 咖wc o a lp i l l a ri sf i n a U yd e t e 瑚i n e d t ob e8m ．B a s e do nt h es p a t i a ls t m c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fa d j a c e n tm a d w a y si ns p l i t 一1 e v e lm a d w a ya 眦n g e m e n t ，t h e c o m b i n e ds u p p o r tt e c h n o l o g ，i sp m p o s e da n di t st e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y ．T h eb r o k e nz o n e t h e o r yi su s e dt od e t e 珊i n et h ej o i n ts u p p o r tp a r a m e t e r so ft h ea d j a c e n tm a d w a ya n dt h eF 【』A C 川n u m e 而c a ls i m u l a t i o n s o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h ec o m b i n e ds u p p o r ts c h e m ea n dt h eo r i g i n a ls u p p o r tp l a n ．T h ee f f e c t so ft h et w os u p p o n s c h e m e su n d e rd i f k r e n ts t a g e sa r eV e r i f i e df r o mt h ea s p e c t so fs u p p o r ts t r e s s6 e l d ，p l a s t i cz o n ed i s t r i b u t i o na n dr e l a t i V e d e f o 珊a t i o nr a t eo fs u n - 0 u n d i n gm c k ．T h ef i n a lr e s u l ts h o w st h a tt h ec o m b i n e ds u p p o r ts c h e m ei sm o r ec o n d u c i V et ot h e d e f o 瑚a t i o nc o n t r o lo ft h es u n ．o u n d i n gm c ko ft h er o a d w a y ． K e yw o r d s g o b s i d eg a t e r o a dd r i V i n g ；n a r m wp i l l a r ；s t a g g e ra m n g e m e n t ；e x t e m a l m i s a l i g n e d ；a d j a c e n tm a d w a y s ；c o m b i n e ds u p p o r t 全国千米以下埋深的煤炭占比超过5 3 ％，目前， 包括山东、河南、河北等多省份的矿井已进入深部开 采范围，最深超过15 0 0m 。全国矿井平均以1 2m ／a 的速度向下延伸，预计2 0a 内，全国多数矿井采深将 超过千米⋯。 针对随之而来的巷道布置问题，诸多国内外专家 学者对其进行了相关研究。姜耀东等悼。对工作面褶 曲构造应力场进行了反演，研究了煤层顶板垂直应力 的分布特征和煤柱垂直应力、巷道顶板水平应力以及 巷道围岩变形量随煤柱宽度变化的规律，由此确定了 沿空巷道合理窄煤柱宽度。李学华等∞o 通过数值计 算研究了不同煤层强度和厚度、煤层埋深、基本顶强 度、掘进和采动以及支护强度等因素影响下窄煤柱变 形破坏特征，最终提出不同影响因素下保障窄煤柱稳 定的控制对策。祁方坤等H 1 基于采空侧煤体侧向支 承压力分布特征以及护巷煤柱体的极限平衡理论，确 定了护巷窄煤柱合理留设宽度的上、下限值解析表达 式，从而确定了其合理留设宽度尺寸。王猛等”1 采 用理论分析方法，建立了深部倾斜煤层沿空掘巷上覆 结构力学模型，分析了回采期间上覆关键块体稳定性 与煤层埋深、倾角间的关系。张俊文等M 1 对比分析 了留煤柱护巷和沿空留 掘 巷围岩结构特征，研究 了错层位巷道侧向基本顶下方卸让压围岩结构体系 卸让压的力学机理。 在巷道支护方面，陈正拜等1 基于窄煤柱巷道 围岩控制难点，提出以“改变巷道区域支护方式、增 加支护密度、破碎围岩注浆改性”为核心的差异化 支护技术，加强对围岩局部大变形的控制，充分发 挥围岩的自身承载能力。康红普等旧1 指出锚杆支 护对冲击地压巷道变形的本质作用是保持围岩完 整性，在围岩中形成支护应力场，降低应力集中系 数，改善巷道围岩应力分布，充分发挥围岩的抗冲 击能力。余伟健等∽o 等针对高应力软岩巷道的大 量变形与破坏问题，研究了变形机理和返修控制技 术，选取了“锚杆、金属网、喷浆、锚索、注浆和底板 锚索”的综合支护方式。刘刚等叫指出高强度锚 杆必须与高预应力相结合，锚杆预应力必须与锚索 预应力相匹配。王卫军等u 认为对于深部高应力 巷道围岩稳定性控制，可在巷道掘进时预留一定的 变形空间以容纳围岩部分“给定变形”，支护结构应 具有一定的连续性变形能力，又能持续提供较高的 支护阻力。 钱家营矿1 2 1 煤层属于深部倾斜中厚煤层，该 煤层目前采用综合机械化采煤方法，回采巷道采用锚 网索 金属支架联合支护的形式。随着采深增大，巷 道围岩应力随之增大2 | ，矿方通过在区段间留设 3 0m 大煤柱方法来改善巷道围岩应力环境以控制变 形，但是巷道维护效果并不明显，同时还造成了煤炭 资源的浪费。 综上所述，笔者结合钱家营矿1 2 一l 煤层中厚、 倾斜特点以及开采中出现的实际问题，提出采用错层 位外错式沿空掘巷技术，利用相邻区段巷道立体化联 合支护方案3 | ，以期改善现有煤炭资源浪费和巷道 围岩变形严重的现状。 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 l 工程背景 钱家营煤矿2 0 2 1 E 工作面位于二水平十采区 东翼，开采1 2 1 煤层，相邻1 3 2 7 E 工作面已经回采 结束。平均煤厚3m ，煤层倾角平均1 8 。，平均埋深 6 2 2 ．7m ，工作面走向长7 3 2 ．2 7 3 2 ．4m ，平均 7 3 2 ．3m ，倾斜长平均1 8 9 ．8m 。2 0 2 l E 工作面采用 走向长壁综合机械化采煤法，工作面布置如图1 所 示。 钱家营矿地应力以水平压应力为主，最大主应力 3 1 ．8 ～3 4 ．3M P a ，其中最大主应力与最小主应力比 值1 ．9 3 ～2 ．3 7 。工作面顶底板围岩综合柱状图如图 2 所示。 图12 0 2 1 E 工作面巷道布置 F i 昏1R o a d w a yl a y o u to f2 0 2 1 Ep 肌e l 地层厚度 系统 柱状 岩石名称 岩性描述 ／m 腐泥质 - 一I 一● 2 ．1 4 黑，致密均一，质较纯净，略具油脂光泽褐黑色条滚 粘土岩 _ 、0 ．6 8煤1 l黑，玻璃光泽，亮煤为主，暗煤次之，单一结构，时有夹矸l 层，极不稳定 1 ．4 6鲕状粘土岩 浅灰，细腻均匀，微含铝土质具脏感含稀疏的根化石，褐色菱铁质鲕粒较均匀分布 石 浅灰，成份为泥质岩屑及粘土质颗粒石英被泥质包裹看不清，泥质基底式胶结松散 布滑感。上部夹少量深灰色粘土岩小透体定向分布。中下部由5 9 5m 下浅灰与深灰频繁 炭 5 ．0 5细粒砂岩 交替呈条带状外观显示清晰的波状层理及小型斜层理等，层面含少量植物碎屑。底部 系 夹菱铁质薄层 石 1 ．8 6泥岩 黑，岩性细腻均匀，质纯净，富含腕足类碎片和海百合茎动物化石。局部黄铁矿呈 炭 细纹或蠕虫状沿层定向分布 系 2 _ 8 2细粉砂岩 灰黑，岩性致密质地均匀。顶部黑色近粘土岩，向下中部略显砂性，局部含菱铁质， 上 质较硬含少量黄铁矿细晶偶见植物化石碎屑 统 - 一■一■ 腐泥质 2 ．3 8 粘土岩 黑，质纯净比重轻，略具油脂光泽，褐黑色条痕 赵 各 ■ 3 ．0 3煤1 2 一l 黑，玻璃光泽，亮煤为主，暗煤及丝炭少量，一般为单一结构，时有夹矸卜2 层， 庄 较稳定 组 1 ．9 0 粉砂岩灰色，岩性不均匀含砂粒富含褐色植物细根化石，顶部附黄铁矿膜 浅灰，成份为石英岩屑等，分选不甚均匀，夹深灰色条带显示水平层理，层面含 5 ．0 2 细粒砂岩发亮云母片，炭片等，黄铁矿散晶体，局部苛达树等植物化石。底部1 ．0 0m 左右变 粗砂岩并含石燧石和粘上岩小砾 图2 综合地质柱状 F i g ．2S t r a t i g r a p h i cc o l u m n 如图1 所示，1 3 2 7 E 工作面位于2 0 2 1 E 工作面上置与支护方式进行技术优化。 区段，已回采结束。两工作面巷道形状及支护方案相 同，工作面回采巷道均采用异形巷道断面设计，采用 锚杆 菱形金属网 钢带 锚索支护方案，具体布置如 图3 所示。通过对1 3 2 7 E 工作面进行现场观测，发现 巷道变形严重，支护体多处失效，如图4 所示，分析其 原因①1 2 1 煤层埋深与地应力大；②1 2 1 煤层直 ～． 接顶为炭质泥岩，硬度较小，结构松软，遇水易软化； ③相邻工作面采动影响；④巷道支护过程中，部分 锚杆锚索由于自身强度不够和打孔角度影响，造成锚 杆锚索未能对巷道围岩起到支护作用，造成支护系统 的失效。 综合钱家营煤矿工程背景，常规支护方式造成煤 柱损失巨大，巷道支护系统失效，亟需对现有巷道布 F i g ．3 图31 3 2 7 E 回采巷道支护示意 S c h e m a t i cd i 8 9 m mo fs u p p o r t0 fm a d w a yi n1 3 2 7 Ep a n e l 万方数据 第2 期王志强等倾斜中厚煤层错层位外错式巷道布置及相邻巷道联合支护技术 5 4 5 图41 3 2 7 E 工作面回风巷道原支护破坏 F i g ．40 r i g i n a ls u p p o r tf a i u r eo ff a i l e n t r yi n l3 2 7 Ep a n e l 2 错层位外错式沿空掘巷煤柱留设尺寸 通过构建力学模型，依据基本顶最大弯矩确定基 本顶断裂位置及断裂形式；然后结合“内外应力场” 理论，确定在当前覆岩力学环境下的“内应力场”范 围；最终综合考虑煤柱的空问关系，确定煤柱的水平 尺寸和竖直尺寸。 2 ．1 沿空掘巷基本顶断裂模型分析 2 ．1 ．1 基本顶断裂结构形式分析 随着工作面的推进，采场基本顶发生断裂，其断 裂线结构形式主要有3 种，即断裂线位于实体煤上， 巷道上方和煤柱外侧，如图5 所示- 1 4 叫5 i 。 i ii i ii 』』』iU fa 断裂线位于实体煤侧 b 断裂线位于巷道上方 c 断裂线位于窄煤柱上方 图5 基本顶断裂位置示意 F i g ．5 S c l l e H l a t i cd i a g r a mo fd i f f e r e n tf r a c t u r ep o s i t i o n s o f m a i nr o o f 当断裂线位置出现在窄煤柱正上方时煤柱承 载最大，此时煤柱容易破碎失稳，维护困难，不利于 煤炭资源的高效开采；当基本顶断裂线位于巷道上 方时，巷道围岩受力不均，会在煤柱上方出现应力 集中，进而导致煤柱变形剧烈，使得巷道后期维护 困难，因此应尽量避免断裂线位于沿空巷道正上 方；当断裂线位于实体煤上方时，关键块B 的载荷 由采空区矸石、煤柱和实体煤共同承载，相对于其 他2 种情况，该情况下实体煤帮位移增大。针对钱 家营煤矿1 3 2 7 E 工作面块体B 的具体断裂位置，将 做进一步分析研究。 2 ．1 ．2 基本顶断裂位置分析 根据相关研究’1 ”“ o ，基本顶断裂可视为发生在 基本顶最大弯矩的位置，破断形成的关键块发生回 转，对顶板施加给定变形，基本顶最大弯矩为 帆。 帆e 一[ c 。s 触 丛二簧半s i n 肛】 1 最大弯矩所在位置 其中，r ，s ，d ，p ，M 。，可表示为 2 r √k ／0 E I 、 s N ／ E l 、 J r 6 ’／1 2 。 f3 、 Q fr ／2 5 ／4 ∽ 、7 口 r ／2 s ／4 Ⅳ2 ／1 4 R 。 Ⅳ’／6 ． 6 ；／6 式中，眠为工作面煤壁位置 戈 o 所对应的截面弯 矩，M N m ；Q o 为工作面煤壁位置所对应的截面剪 力，M N ；E 为基本顶弹性模量，M P a ；尺。为基本顶抗拉 强度，M P a ；6 为梁截面宽度，m ； ．为基本顶厚度，m ；丘 为垫层系数，M P a 。 式 2 和 3 中，p7 为断裂岩块的荷载，且断裂 后，Q 。 Q7 ，，v7 为已断裂岩块回转而形成的横向力，两 变量可用式 4 表示 r Q ，- 肌。7 { Ⅳ，一 墨Q 4 r2 矗，一△5 式中，△S 为岩块两端竖向位移差值，m ；￡为关键块B 侧向断裂长度，m ；7 为基本顶岩层容重，M N ／m 3 。 △5 可近似看作在沿采空区处的顶板下沉量，如 图6 所示，因此 掣 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 午第4 5 卷 △s M 一∑ K ．，一1 5 即在距离煤柱帮戈。 1 7 5 7m 处摹本顶达到最 式中，∑ 为直接顶的厚度，m ；M 为工作面采高，m ； K 。，为采空区矸石碎胀系数。 U U U 』UilUUl l { ll 图6 基本顶断裂不恧 F i g ．6S ‘1 1 e r n a t i c 【l i a ”a mo fm a i l lm o ff r a ‘t u J ’P 基于相关研究。1 8 。，工作面回采后，基本顶断裂后 形成关键块B 图6 ，其中关键块B 侧向断裂长度L 可表示为 L 等[ √ 1 。等 Ⅷ2 圳纠 ㈩ 式中，57 为工作面长度，取1 9 0m ；L ’为关键块B 沿推 进方向的断裂长度，可视为周期来压步距，基于现场 数据，取6 ．1 2m 。 由文献[ 1 6 ] 可知，一般选取高于或者低于原岩 应力5 ％处作为应力边界，则支承压力峰值到实体煤 帮距离⋯1 为 M A 2 t a n 妒o 1『4 脚7 H c o sd o t a n 妒f l 2 C 嘶’s i l ld 1 l nl l 【4 2 C 【J 嘶7 s j nd 2 ， 、t a n 叩oJ 7 式中，d 。为煤层倾角， 。 ；4 为侧压系数；K 为应力 集中系数；7 ’为上覆岩层平均容重，M N ／m 3 ；H 为巷道 埋深，m ；‘；p 。为煤体内摩擦角， 。 ；c 。为煤体黏聚 力，M P a ；P 、为上区段工作面巷道煤帮的支护阻 力，M P a 。 则支承压力影响边界宽度可近似取 f 2 x ， 8 基本顶断裂位置距离实体煤帮距离为 z o f x 9 基于前述研究，取E 3 0G P a ，尺、 6M P a ， ； 5 ．0 5m ，V 2 6k N ／m ’，七 2 0 0M P a ，6 l ，S 7 1 9 0m ，三7 6 ．1 2 m ，∑，2 2 ．0 6m ，K ，， 1 ．7 2 ．M 3m ，d o 1 8 。，。4 1 ．2 ，K 2 ．1 ，7 ’ 0 ．2 5M N ／r n ’，H 6 2 2 ．7m ，‘P 3 2 。，C o 3M P a ，P 、 0 ．4M P a ，贝0M 。。， 2 3 ．0 2M N m ，工。 1 7 ．5 7n 1 。 大弯矩，弯矩最大值M ⋯ 2 3 ．0 2M N ．n ，基本顶在 该处发生断裂。 2 ．2 沿空掘巷内外应力场分析 基于前述研究，基本顶断裂后形成关键块B ，关 键块B 网转下沉，造成临采空区侧实体煤不同位置 支承压力分布出现差异，如图7 所示，其中范围S ．表 示“内应力场”，即应力降低区，范围s 表示“外应力 场”，即应力增高区，其中关键块B 的结构变形赢接 影响范同S ．内的支承压力分布，是该区域应力场呈 现差异性的本质原因。“。。 图7 沿空掘巷内外应力场不总 F 培7S c l l e m a t i ‘ i i a g r a mo fi I l t ㈣1 a la 小ie x t e n l a ls t r e s s f i P l 1o f9 0 1 一s i I ee 1 1 t l 、T “内应力场”中的支承压力F 为 F 卜虻竿 ㈣， 式中，盯。为侧向支承压力，P a ；G 。为靠近顶板断裂线 处已进入塑性状态的煤体刚度，P a ；y 。，为煤壁煤体压 缩量，m 。 基于“内外应力场理论”，内应力场范围内的垂 直支承压力可以看作工作面发生初次来压前的基本 顶自重，因此 竿吐∥虹7 ⋯ 6”台“ 将基本顶看作两端固支梁，则基本顶初次来压步 距厶、为钆 铲扣辟 ⋯， 联立式 1 1 ， 1 2 可得 ．S ， 羔 舡 1 7 瓤 1 3 式中，L 。为工作面基本顶初次来压步距，m ； q ，， 。为 基本顶所承受的载荷，k P a 。 结合前述数据，同时取 q ，， 。 1 5 4 ．1 7k P a ，G 。， 1 ．2G P a ， ，o 0 ．3 5m ，则5 l 1 5 ．8 9l n 戈o 1 7 ．5 7m 。 关键块断裂下沉是内应力场支承压力的直接原 万方数据 第2 期干志燃等倾斜中厚煤层错层位外错式巷道布置及相邻巷道联合支护技术 5 4 7 冈，通过上述两项数据比较，相差不大，说明前述针对 基本顶断裂位置和内应力场范围研究结论可靠。 2 ．3 沿空掘巷窄煤柱留设尺寸理论 沿空掘巷技术将巷道布置在“内应力场”，即应 力降低区中，可有效改善巷道围岩的应力状态，达到 控制巷道围岩，保持巷道稳定的目的。“。，需要注意 的是，窄煤柱留没不仅要保证尺寸合理，而且要求煤 柱自身应具备一定的承载能力，在实际开采过程中， 由于煤层倾角和采动影响等多种因素综合作用下，煤 柱及其附近煤层底板发生塑性破坏，因此针对倾斜煤 层，在留设窄煤柱时，需要综合考虑煤柱及其附近底 板破坏区域，以保证煤柱及巷道的稳定性。 2 ．3 ．1 窄煤柱留设尺寸水平错距 由于煤层倾角的影响，在倾斜煤层中布置的采场 周围应力重新分布情况与水平煤层不全相同，同时在 巷道掘进过程中，护巷煤柱在回采巷道掘进扰动的影 响下，其内部支承压力重新分布。因此为确定倾斜煤 层中煤柱内部极限平衡区的宽度应依据极限平衡区 理论计算 式 7 ，由于破裂区应力趋于原岩应力， 因此取应力集中系数七 l ，叮进一步推断出破裂区宽 度x ．、计算公式为 M A 戈r ，2 万磊 1『_ 4 77 日c o sd o t a n ‘P 2 C o 嘶7 s i nd 1 【4 2 C o 嘶7 s i na 2 P 、t a n 妒 J 1 4 代人数值可得戈。， 7 ．3 7m ，由于巷道宽4n ，，则 破碎区加巷道尺寸后的总宽度 B 7 ．3 7 4 1 1 ．3 7n 1 5 ， 1 5 ．8 91 1 1 上述结论说明，沿空巷道能够布置在“内应力 区”内，并进一步验证了覆岩关键块断裂位置位于实 体煤侧。 2 ．3 ．2 窄煤柱留设尺寸竖直错距 受到煤层倾角和厚度的限制，下区段回风巷需要 沿煤层底板布置，因此在进行煤柱留设时，需要进一 步考虑留设煤柱附近的底板破坏范围。随着工作面 不断推进，超前支承压力沿走向不断向前移动，而侧 向支承压力基本保持不变，当超前支承压力作用在煤 层底板，达到甚至超过其临界强度时，底板岩层区域 将发生塑性破坏，而且当支承压力达到岩层完全破坏 的最大载荷时，已破坏底板岩层塑性区域相连，形成 一个连续的滑移面。2 2J 。 煤层底板沿倾向会产生3 个分区，如图8 所示， 依次可分为工作面两侧煤体下方底板破坏区 I 区 ， 工作面底板破坏区 I I 区 ，工作面底板破坏区和两 侧煤体交叉破坏区域 I I I 区 。 在设计窄煤柱尺寸时，应考虑图8 中区域I ，即下 侧煤体下方底板破坏区最大深度 ．。基于弹性力学 和底板破坏相关理论 旷坠尝『掣州 n f2 i 一l ■上_ 一十卢x 二1 T Ls I I l p I s i na o 1 c lc o sd I M i 五_ j i 一。。8d 。J 一弓i 而一i j 而 s l l l p 1 J V It a n p ILA l ， 1 5 式中，p7 a r c o s ㈤s d o s i l l ‘；p I s i n0 1 0 ；入为垮落带碎胀 系数；q 9 ，为底板岩体内摩擦角， 。 ；C ，为底板岩体 黏聚力，M P a ；7 ．为底板岩层的容重，k N ／m 3 ；“。为煤 层倾角， o 。 图8底板沿煤层倾向破坏示意 F i g ．8S c h P l l l a I i 1 I i a g r a t no fn 【 ’f h i l u r e i 1 1i n ‘l i f l a I i 1 n 1 i r e t i o no f o a ls P a l l l 结合前述数据，同时取入 1 ．7 ，妒， 3 8 。，C ， 3 ．8M P a ，7 1 2 6k N ／m 3 ，贝0 计。算 1 2 ．1 4n 1 ，贝0 】／ t a nd I l 2 ．1 4 ／t a n1 8 。 6 ．6 2m 7 ．3 7m 。 为方便计算和模拟，此处煤柱水平错距和蛏直错 距分另0 为工．， 7 ．3 7l n ， 】 x 。t a nd J 2 ．4 0m 3F L A C 3 D 数值模拟 3 ．1 数值模拟建模 模型尺寸 。Y 默z 为4 0 0m 3 5 0m 1 9 5n 1 ．在 模型底部约束垂直位移，在模型的左右边界对水平位 移进行限制，模型顶部施加垂直应力盯 1 5 ．6M P a 模拟埋深6 2 2 ．7n ，的巷道所受原岩应力，水平方向施 加1 8 ．7 2M P a 水平应力，采用Mc ，1 r c o u l o m b 屈服准 则进行计算，模型如图9 所示。 3 ．2 上区段工作面侧向支承压力分布 在初始地应力平衡后，对上区段工作面1 3 2 7 E 工作面进行开挖计算，得到如图1 0 所示的实体煤侧 向支承压力分布。 由图1 0 可以看出，在0 ～6 ．7 2n ，内，由于侧向支 承压力小于原岩应力，因此该部分的煤体处于破碎 区；在6 ．7 2 ～1 6 ．5 9m 内，侧向支承压力高于原岩应 力并逐渐升高，冈此该部分的煤体处于塑性区；在 万方数据 5 4 8 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 土岩 图9 沿空掘巷数值模型 F 暗9 G o b s i 1 ee n I r ym l m e “c a lm o 1 e 1 1 6 ．5 9m 处，支承压力达到峰值为8 4 ．5 2M P a ，应力 集中系数2 ．7 6 ；在1 6 ．5 9 ～4 0 ．1 0m 内，侧向支承压 力逐渐降低并恢复到原岩应力值3 1 ．1M P a 。、数值模 拟研究中侧向支承压力峰值位置为1 6 ．5 9m ，与理论 计算基本顶断裂位置l7 ．5 7n ，相差不大；数值模拟研 究中破碎区范围为6 ．7 2m ，与理论计算得到的破碎 区范围7 ．3 7m 近似。证明前述关于基本顶断裂位置 和破碎区范围的计算结果可靠。 1 0 0 ≈8 0 凸一 要6 0 望。o