深部沿空留巷顶板变形破坏规律及其控制研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 移动扫码阅读 刘 具何瑞敏杨 朋等.深部沿空留巷顶板变形破坏规律及其控制研究.煤炭科学技术 . / . . / 深部沿空留巷顶板变形破坏规律及其控制研究 刘 具何瑞敏杨 朋汤家轩吴建华孔德明 .中国煤炭工业协会咨询中心北京 .神华神东煤炭集团有限责任公司陕西 榆林 .东华理工大学 地球科学学院江西 南昌 .淮南矿业集团有限责任公司安徽 淮南 摘 要为解决深部沿空留巷顶板变形剧烈问题采用 数值模拟与工程验证相结合的方法研 究了顾桥煤矿 工作面轨道巷基本顶从掘进到二次采动超前影响阶段运动演化规律 结果表明 顶板变形在掘进阶段呈对称分布一次采动超前影响阶段出现向工作面侧旋转的偏态特征顶板下 沉曲线交点的斜率为 . 留巷阶段顶板向采空侧回转下沉此时的交点斜率增长了 倍偏态 效应显著加强二次采动超前影响阶段顶板下沉曲线交点的斜率比留巷期间增长了 . 倍偏态效应 有所增加但以平移下沉为主顶板变形量随着留巷进行逐渐增加掘进期间巷道顶板最大下沉量 为 . 以后每阶段较前一阶段变形量增长了 . 倍、. 倍和 . 倍可见沿空留巷顶板变 形逐渐剧烈支护难度显著增加应统筹对沿空留巷进行支护设计提出了保证直接顶完整、各阶段 逐级强化和减弱顶板变形偏态现象的深部沿空留巷顶板控制原则经工程验证可实现消弱深部沿空 留巷顶板剧烈变形 关键词深部开采沿空留巷顶板运动偏态效应围岩控制 中图分类号 文献标志码 文章编号 .. .. . . . . . . .. . . . . . . . . 收稿日期责任编辑杨正凯 基金项目国家自然科学基金资助项目 作者简介刘 具男安徽淮南人工程师硕士 . 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 刘 具等深部沿空留巷顶板变形破坏规律及其控制研究 年第 期 引 言 顶板事故对煤矿安全生产有巨大威胁约占煤 矿事故总数的 .顶板稳定性一直是煤炭 开采研究的重要方向 在深部沿空留巷过程中顶 板在实体煤和充填体 种介质支撑下会向采空区侧 回转下沉顶板变形从掘进阶段的对称至留巷时期 的偏态留巷阶段基本顶的运动对围岩稳定有重要 影响 因此顶板变形演化规律是研究深部留 巷围岩稳定的关键 关于沿空留巷的研究主要集中在巷旁充填体支 护阻力选择上巷旁支护阻力主要由基本顶运 动造成因此众多学者在对充填体支护阻力设计选 择时关于顶板运动规律形成了以下观点 留巷期间顶板运动可分为初期、过渡期和后期初 期来压强度较低巷旁支护主要是平衡上覆直接顶 及悬顶的重量过渡期基本顶破断并向采空侧回转 下沉对留巷围岩扰动大是支护困难时期后期顶 板在覆岩载荷作用下整体下沉采空侧悬顶最终 能触矸且留巷围岩受上方回转下沉关键块影响较 大充填体在基本顶回转下沉过程中属给定变 形需要具有一定的可缩量充填体后期需提供平衡 覆岩的载荷 目前已有研究成果对顶板运动研究多 集中在留巷阶段未系统研究深部沿空留巷顶板从 掘进到二次采动结束的顶板运动演化规律对留巷 阶段顶板所呈现的偏态特征分析不够透彻 笔者分 析了掘进阶段、一次采动超前影响阶段、留巷稳定阶 段及二次采动影响阶段基本顶运动规律并基于顾 桥煤 矿 工 作 面 轨 道 巷 的 工 程 条 件 利 用 对各阶段顶板变形规律进行研究针对性提 出了顶板防控关键原则并进行了工程验证 深部基本顶运动演化分析 深部沿空留巷顶板从掘进到二次采动结束过程 中应力环境和支承介质不断变化造成基本顶运动 方式变化 基本顶在各阶段运动如图 所示 从掘进开始巷道围岩开始卸压围岩集聚的弹 性能释放浅部围岩发生破坏在自重应力作用下易 与上覆坚硬岩层离层而基本顶承受覆岩作用原先 完整顶板在极限平衡区位置产生压剪裂隙这是由 于基本顶两端固支发生变形破坏前在端部破断此 时基本顶弹性变形较小顶板变形呈对称特征图 工作面回采中工作面超前支承压力使前方 煤体受压变形尤其是工作面侧浅部煤体 在一 次采动超前影响阶段工作面侧煤帮应力支承压 力峰值向深部转移表明浅部煤帮在顶板加载下 进一步卸压此时基本顶在极限平衡区位置的压 剪裂隙继续发育最终形成剪切面并发生剪切破 坏 由于沿空侧支承压力大于实体煤帮侧工作 面侧煤帮变形大于实体煤帮基本顶在变形过程 中存在向工作面侧倾斜的非对称现象基本顶回 转角度为 图 留巷过程中在工作面后方 由于角效 应悬顶不会发生破断但随着工作面逐步推进 基本顶周期来压采空区侧上方基本顶在原有裂隙 带的基础上破断 同时伴随着侧向基本顶下沉原 有结构失稳在摩擦力和原有挤压力消失影响下留 巷上方基本顶关键块迅速回转下沉角度为 回 转点在实体煤帮原有裂隙带处 由于基本顶和上方 软弱岩层的冲击尚未触矸已有巷旁支护结构难以 阻挡变形属给定变形此阶段对留巷支护结构破坏 最大为支护关键时期图 下个工作面回采中超前支承压力与上个工作 面侧向支承压力叠加造成基本顶上方承受更大载 荷基本顶在煤帮与充填体支撑下无法保证两支点 下沉量相同继而出现旋转但以整体平移下沉为主 图 图 基本顶各阶段运动示意 深部沿空留巷顶板变形演化规律 . 工程地质条件 顾桥煤矿 工作面回采 煤层工作面标 高 、长 巷道断面尺寸 . . 宽高、断面积 煤层厚度 . 平 均倾角 顶板为复合顶板中间夹有 . 煤 线上部有 . 厚石英砂岩为主关键层该岩 层运动对留巷围岩稳定至关重要顶板处理方式为 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 自然垮落法 . 模型建立 根据地质条件建立了 数值方案如图 所示模型长 、宽 、高 . 顶部施 加等效载荷 . 其他边界采用位移约束 煤 层附近岩层应用应变软化模型其余岩层采用摩 尔库仑模型 为提高运算效率两侧工作面长 充填体宽 . 、高 . 滞后工作面 进行充填在巷旁实施原位充填充填总长度 考虑边界效应煤层开挖起止点距模型边界预 留 煤柱巷道与模型边界预留 煤柱 模 拟岩层物理力学参数见表 . 模拟方案 模拟方案如下开挖巷道研究掘巷期间巷道 围岩变形情况回采工作面同时进行充填研究 一次采动超前影响和留巷阶段顶板变形情况回 采相邻工作面研究二次采动超前影响期顶板变形 图 数值模拟方案示意 表 模拟岩层物理力学参数 岩 性厚度/ 密度/ 体积模量/ 剪切模量/ 黏聚力/ 内摩擦角/ 顶部. ... 泥岩. ... 粉砂岩. ... 砂质泥岩. ... 细粒砂岩. ... 石英砂岩. ... 泥岩. ... 煤线. ... 黏土岩. .. 炭质泥岩. ... 煤. ... 黏土岩. ... 粉砂岩. ... 砂质泥岩. ... 细粒砂岩. ... 泥岩. ... 粉砂岩. ... 泥岩. ... 底部. ... 充填材料. ... 深部沿空留巷各阶段顶板变形规律 采用 软件模拟了沿空留巷在掘进、一次 采动超前影响阶段、留巷稳定阶段及二次采动超前 影响阶段顶板变形规律统计各阶段位移、应力规律 如图 图 所示其中顶板表面中心为坐标原点 中心点左侧横坐标为负、右侧为正顶板下沉量全部 取正值 . 掘进期间顶板变形规律 图 为掘进工作面后方 处断面顶板垂直 位移变化曲线 由图 可知在巷道空间上方顶板 下沉量大于煤帮上方顶板巷道中心点下沉最大达 到 . 煤帮上方顶板下沉量总体较小 顶板 浅部下沉量大于顶板深部随着顶板深度的增加下 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 刘 具等深部沿空留巷顶板变形破坏规律及其控制研究 年第 期 沉量逐步降低 在煤帮上方顶板出现浅部下沉量 小、深部下沉量增加现象增加 左右主要是 由于煤帮支撑作用限制了浅部顶板下沉由于巷道 中间顶板变形带动煤帮上方深部顶板移动从而导 致煤帮上方深部顶板垂直位移略高于浅部 在深度 .. 顶板变形趋势逐渐增大并发生了离层现 象 通过地质资料可看出在泥岩下位存在薄层炭 质泥岩、黏土岩和煤线属复合顶板容易与上覆泥 岩和砂质泥岩产生离层 从图 可看出顶板下沉 以巷道为中心对称分布这是由于掘进期间顶板边 界条件和应力条件均呈对称分布 图 掘进工作面后方 处巷道顶板垂直位移 . 一次采动超前影响阶段顶板变形规律 从巷道顶板深度 范围的位移图 可知 巷道中心最大顶板下沉量为 . 比掘进期间 增长了 . 倍 巷道中心左右 范围顶板浅部 下沉量大于深部 图 工作面前方 顶板位移 巷道中心 至煤体深部顶板由于受到承载 能力较高的煤帮约束下沉量小于巷道及煤帮浅部 顶板顶板深部受到巷道上方顶板下沉影响变形量 大于浅部受约束的顶板 在巷道及浅部煤帮范围 内深度 顶板变形量明显小于 的顶 板且不同水平位置顶板在 范围变形量变 化较小在 . 和 . 之间顶板下沉量有突变 表明在顶板上方 .. 发生了离层现象 由图 还可以看出靠近工作面侧顶板下沉量大于实体 煤帮侧顶板变形出现偏态造成这种现象是由于工 作面超前支承压力与掘进侧支承压力叠加使工作面 侧顶板所受载荷高于实体煤帮侧图 在高应力 作用下顶板产生更大下沉 以顶板下沉曲线 交点 的斜率作为偏态的定量描述在一次采动超前影响 阶段的斜率为 . 图 一次采动阶段基本顶垂直应力分布 . 留巷阶段顶板变形规律 巷道中心最大顶板下沉量为 比一次采 动超前影响阶段增长了 . 倍 顶板最右侧测点 在 范围内的下沉量最大浅部高于深部图 测点往左其下沉量逐渐降低 巷道中心偏左 和 范围内由于煤帮的支撑作用浅部下沉量 小于深部 图 工作面后方 顶板位移 巷道中心偏右 和 的数据也呈现类似规 律这是由于在这个范围内有充填体宽度 . 作用在顶板下沉过程中充填体的支撑力阻止了浅 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 部顶板继续下沉而深部顶板由于回转下沉变形量 更大 通过图 可明显看出在充填体作用范围内 顶板下沉量显著降低且顶板浅部下沉量小于深部 充填体的回转下沉使顶板下沉量总体呈现在采空区 侧的顶板大于实体煤侧顶板具有显著偏态特征顶 板下沉曲线 交点充填体左侧边界和煤帮斜率 为 . 较一次采动超前影响阶段的斜率增长 了 倍显然这种偏态现象明显强于一次采动超前 影响阶段 . 二次采动超前影响阶段顶板变形特征 留巷顶板回转下沉顶板的偏态现象依然明显 从曲线偏态情况来看二次采动超前影响阶段顶板 变形量比留巷阶段明显增加巷道中心最大顶板下 沉量为 比留巷期间增长了 . 倍但曲线 形态基本相同 二次采动超前影响阶段顶板下沉曲 线 交点充填体左侧边界和煤帮侧斜率为 . 较留巷稳定阶段斜率增长了 . 倍偏态现象 有所加强但增长倍数小于从一次采动超前影响阶 段到留巷阶段的斜率增长倍数 倍本阶段基本 顶有旋转但以平移下沉为主 由于充填体作用充 填体作用范围. 到 . 内顶板下沉量较 小 深度 . 到 . 层位顶板下沉出现迅速降 低产生离层 从图 可知浅部顶板变形量总大于 深部在 和 处出现了明显的相反趋势说明 充填体阻碍顶板下沉尤其是浅部顶板下沉 图 二次回采前方 顶板变形 深部沿空留巷顶板控制原则 保证直接顶的完整性 掘进开始直接顶和 基本顶直接发生离层基本顶在留巷期间回转下沉 容易使下位直接顶破碎、冒落若在基本顶运动过程 中直接顶某一部分冒落整个直接顶将失稳因此当 直接顶在基本顶运动时保持完整并具有较高强度 时直接顶可充当很好的垫层作用吸收一部分基本 顶运动带来的给定变形因此在巷道各阶段应保证 直接顶完整性 现场实践应注重使用金属网配合高 强锚杆索支护锚杆长度选择应充分考虑易离层 层位深度金属网为破碎顶板提供被动支撑力而高 强锚杆索为金属网所限制的破碎矸石提供围压 直接顶强度升高 各阶段逐级强化 沿空留巷巷道服务时间 长围岩变形体现出较强的演化特征即后一阶段围 岩在前一阶段围岩变形的基础上继续变形承受二 次工作面采动影响应力环境逐渐恶化加上风化、 损伤程度增加围岩强度降低更易发生大变形支 护难度逐渐增大 从数值模拟结果也可看出顶板 下沉量逐步增加尤其是在留巷阶段和二次采动超 前影响阶段 减弱顶板变形偏态现象 偏态会导致顶板 下沉接触充填体时接触面减小不利于顶板和充填 体稳定而产生偏态的原因除了充填体和煤体 种 介质属性不同外施工中空顶距过大也会造成顶板 偏态明显 另外现有充填体施工中少见主动接 顶充填区域顶板若在充填之前下沉严重也会导致 偏态 因此应在充填前对充填区域顶板进行加固 并主动接顶 工程验证 顾桥煤矿 工作面轨道巷为复合顶板为保 证顶板完整在掘进之后采用高强锚索配合钢带、 金属网等进行支护在顶板处采用锚索和桁架加固 一次采动超前影响阶段超前工作面 采用 // 型液压支架进行双排支护在 使用铰接顶梁或 . 长 号矿用工字钢进行 挑棚留巷时期随着超前液压支架前移使用 . 圆木打 排点柱若轨道巷顶板破碎、矿 压显现明显则随超前液压支架前移使用 . 圆木为梁、 . 圆木为腿 梁 柱 架设 排正规走向挑棚 从掘进到留巷阶段的顶板 支护强度总体呈逐步增加趋势 充填之前充填区 域使用 . 锚杆支护顶板进行充填体 充填时每个充填步距都保证待充填区域的充填材 料在自流平后能够接顶良好、空顶距较小从而降低 偏态现象 通过现场实测顶板在掘进期间、一次采动超前 影响阶段和留巷阶段完整性均较好未出现冒顶及 变形过大现象 顶板在一次采动超前影响阶段回转 角约 留巷后约 基本顶回转角度较小偏态 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 刘 具等深部沿空留巷顶板变形破坏规律及其控制研究 年第 期 得到较好控制留巷断面积 . 满足工程要求 结 论 深部沿空留巷顶板变形在掘进阶段呈对称 分布一次采动超前影响阶段顶板变形呈现向工作 面侧旋转的偏态特征薄层复合顶板条件下顶板下 沉曲线交点的斜率 . 留巷阶段顶板向采空 侧回转下沉交点斜率增长了 倍偏态效应显著加 强二次采动超前影响阶段顶板下沉曲线交点斜率 较留巷期间增长了 . 倍偏态效应有所增加但以 平移下沉为主 深部沿空留巷顶板变形量随着留巷进行逐 渐增加薄层复合顶板条件下掘进期间巷道顶板最 大下沉量 . 此后每阶段分别比前一阶段变 形量增长了. 倍、. 倍和. 倍可见沿空留 巷的顶板变形逐渐剧烈支护难度显著增加应统筹 对沿空留巷进行支护设计 根据所得的深部沿空留巷顶板变形破坏规 律提出了保证薄层复合顶板直接顶完整、各阶段逐 级强化和减弱顶板变形偏态现象的深部沿空留巷顶 板控制原则经工程验证可实现消弱深部沿空留巷 顶板剧烈变形 参考文献 刘长武郭永峰.锚网索支护煤巷顶板离层临界值分析. 岩土力学. . . . 孙恒虎赵炳利.沿空留巷的理论与实践.北京煤炭工业 出版社. 华心祝马俊枫许庭教.锚杆支护巷道巷旁锚索加强支护沿 空留巷围岩控制机制研究应用.岩石力学与工程学报 . . . . 柏建彪周华强侯朝炯等.沿空留巷巷旁支护技术的发展 .中国矿业大学学报. . . . 陈 勇柏建彪朱涛垒等.沿空留巷巷旁支护体作用机制及 工程应用.岩土力学. . . . 华心祝李迎富.沿空留巷底板变形力学分析及底臌防控. 煤炭学报. . . . 谭云亮于凤海宁建国等.沿空巷旁支护适应性原理与支护 方法.煤炭学报. . . . 李迎富华心祝.沿空留巷上覆岩层关键块稳定性力学分析及 巷旁充填体宽度确定.岩土力学. . . . 宁建国马鹏飞刘学生等.坚硬顶板沿空留巷巷旁“让抗” 支护机理.采矿与安全工程学报. . “” . . 张建国.平禹矿区煤与瓦斯突出事故分析及防治技术.煤 炭科学技术. . . . 何廷峻.应用 铰接岩块理论进行巷旁支护设计.岩 石力学与工程学报. . . . 陈 勇.沿空留巷围岩结构运动稳定机理与控制研究.徐 州中国矿业大学. 姚亚虎张庆华. 千米埋深坚硬顶板沿空留巷技术研究. 煤炭科学技术. . . . 阚甲广.典型顶板条件沿空留巷围岩结构分析及控制技术研 究.徐州中国矿业大学. 杨 朋华心祝杨 科等.深部复合顶板条件下沿空留巷顶 板变形特征试验及控制对策. 采矿与安全工程学报 . . . . 杨百顺唐小山凌志迁等.深部开采巷旁充填沿空留巷围岩 活动规律研究.中国安全生产科学技术 . 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 . . . 康红普范明建高富强等.超千米深井巷道围岩变形特征与 支护技术.岩石力学与工程学报 . . . . 李迎富华心祝.沿空留巷围岩结构稳定性力学分析.煤炭 学报. . . . 李 胜范超军罗明坤等.综放沿空留巷底鼓变形及其控制 研究.中国安全科学学报. . . . 谭云亮于凤海宁建国等.沿空巷旁支护适应性原理与支护 方法.煤炭学报. . . . 谢文兵笪建原冯光明.综放沿空留巷围岩控制机理.中 南大学学报自然科学版. . . . 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et