工作面开采对底板岩巷稳定性的影响.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 0 4 年1 月 中国矿业大学学报 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 V 0 1 ．3 3N o ．1 J a n ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 019 6 4 2 0 0 4 0 10 0 8 2 0 4 工作面开采对底板岩巷稳定性的影响 谢文兵1 ，史振凡2 ，陈晓祥1 ，陆士良1 1 ．中国矿业大学能源科学与工程学院．江苏徐州2 2 1 0 0 8 ；2 ．枣庄矿务局．山东枣庄2 7 7 5 1 9 摘要在大量工程实践的基础上，采用数值力学分析，详细地分析了工作面开采引起的围岩应力 演化过程及特点，讨论了工作面开采影响巷道的围岩位移特点．并进一步分析了围岩应力和跨采 巷道位移之间的关系以厦对工程实践的指导作用． 关键词工作面开采；底板岩巷；围岩稳定性；支承压力 中图分类号T D3 2 2 ．4文献标识码；A 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 g R o c kI n d u c e db yO v e r h e a dM i n i n g X I EW e n b i n 9 1 ，S H IZ h e n f a n 2 ，C H E NX i a o x i a n 9 1 。L US h i l i a n 9 1 1 ．S c h o o lo fM i n e r a la n dE n e r g yR e s o u r c e s ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a 8 ．Z a o z h u a n gM i n i n gB u r e a u ．Z a o z h u a n g ，S h a n d o n g2 7 7 5 1 9 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nal a r g en u m b e ro fe n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，s u r r o u n d i n gr o c ks t r e s se v o l v i n ga n d f e a t u r e si n d u c e db ym i n i n gw a sa n a l y z e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．S u r r o u n d i n gr o c kd i s p l a c e m e n t f e a t u r e si n d u c e db yo v e r h e a dm i n i n gw a sa l s od i s c u s s e d ．T h er e l a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sa n d r o a d w a yd i s p l a c e m e n tw a so b t a i n e d ．I tc a np r o p o s e dg u i d ef o re n g i n e e r i n g ． K e yw o r d s m i n i n g ；r o c kr o a d w a y ；s u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t y ；a b u t m e n tp r e s s u r e 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深部岩层传递，严重影响底板 巷道的稳定性．以往人们利用煤柱上支承压力分布 来分析开采对底板岩层及巷道围岩稳定性的影响． 已有研究近似地将煤柱侧的应力用分段均布载荷 代替，根据弹性力学理论，推导了底板岩体中的应 力分布，并根据M o h r C o u l o m b 破坏准则计算岩体 的破坏深度o 。] ．这些研究成果可以定性解释实际 生产中煤层底板岩体产生底鼓的原因及底板巷道 围岩的稳定性问题．但已有的研究成果没有考虑支 承压力形成过程及对底板巷道围岩的稳定性影响． 实际上，煤柱上支承压力分布是开采引起整个围岩 体相互作用在煤层与直接顶界面上应力分布的结 果，而不是开采引起底板岩层应力位移的根源．由 此可以看出，根据支承压力分布分析跨采巷道的围 岩稳定性是不妥的．开采引起的围岩应力位移问题 是一个复杂的空间力学问题．分析工作面开采对软 岩巷道围岩稳定性影响不能单纯地根据支承压力 的分布形态来考虑，而应将开采影响的围岩作为相 互作用的整体来研究． 1 分析模型 为了分析工作面开采对软岩巷道围岩稳定性 影响，采用适于分析岩土工程大变形问题的数值分 析软件F L A C 建立相应的数值分析模型．模型是 根据柴里矿二水平三条上山的实际地质开采条件 建立，见图1 ．三条上山的断面为直墙半圆拱形，净 宽46 0 0m m ，净高37 0 0m m ，三条上山原支护均 为9 1 4 圆钢锚喷支护，三条上山沿二灰标志层布 置，距离上部开采的3 4 煤层i 0 ～2 2m ．三条上山 均受上方煤层开采影响，但由于巷道与上方工作面 收藕日期2 0 0 3 0 5 0 8 作者简介；谢文兵 1 9 6 5 ．男，安撇省安庆市人。中国矿业大学副教授．工学博士，从事巷道围岩控制、三下采煤、数值摸拟方面的研究 万方数据 第1 期 谢文兵等工作面开采对底饭岩巷稳定性的影响 相对位置关系不同、有无留设保护煤柱以及跨采方 式不同，巷道受到的采动影响程度及巷道围岩变形 差别很大． I ．覆并层 ” 竺 髫项 ．譬I 直接项”．，叫 煤层T 柞血椎讲有闻C j lC j 2 ． ∞ 一1 ．2 0 ．f ．2 0 | 盎‘ 5 0 底板 凸凸 一； 图1 分析模型 F i g ．1A n a l y s e sm o d e l 根据巷道与上方工作面各种位置关系建立相 应的分析模型，见表1 ． 表1 分析模型 T a b l e1 A n a l y s e sm o d e l s 模型号ABCDEF G 模型情况 1 2 12 2 1 3 8 11 3 13 1 12 2 22 2 3 表中用三个数字，，，，K 来表示模型情况．，和 J 分别表示工作面和底板岩巷的位置．，取1 ，2 ，3 分别对应图1 中工作面三个不同位置，工作面向左 开采；t ，取1 ，2 ，3 分别对应图1 中巷道位于左侧、 中间和右侧；第3 个数字表示巷道距煤层的垂距．1 为l O m 。2 为1 5 m ，3 为2 0 m ． 围岩物理力学性质按柴里矿三条上山实际岩 体力学特性确定，见表2 ，并考虑了煤层直接顶、直 接底的应变软化特性．模型边界按岩层移动角和连 续弯曲带高度确定．为了分析开采对巷道围岩稳定 性的影响，分别在巷道顶、底、左帮和右帮四个位置 设立了相应的位移监测点． 表2 国岩的物理力学性质 T a b l e2S u r r o u n d i n gr o c kp r o p e r t y 坚 丛旦 丛堕 虹璺二羔 煤 13 0 0 9 0 00 ．52 816 0 0 中砂岩53 0 032 0 0I ．5 63 6 26 0 0 黑泥岩 23 0 012 0 0 1 ．03 024 0 0 2 工作面开采围岩应力变化及特点 煤层开采引起回采空间周围岩层应力重新分 布．数值分析过程的时步虽然不能与实际开采影响 的时间过程相对应，但数值分析中不同时步的应力 和位移反映了实际开采过程中应力和位移的演化 过程．随着工作面的推进，顶板岩层产生离层、断裂 和垮落，底板岩层向上运动，受开采影响岩层相互 作用，围岩的应力场和位移场发生了一系列变化． 图2 显示工作面开采时围岩应力变化及特点 ，1 6；k 『＼ 姜．1 4 蠖r ⋯ 7 0 6 0 5 04 03 0 2 0l O01 0 2 0 3 04 05 0 6 0 7 0 位移，m a J 碡苴麻力变化过程 正 象 铡 { 峙翘 位移／m b 】围岩监力分布 托’底板；；{ 箍戛不同的 图2 围岩应力及特点 F i g2S u r r o u n d i n gr e e ks t r e s sa n df e a t u r e s 图2 a 中应力曲线表示不同时步的应力分布， 曲线上的数字表示不同的时步数．围岩应力变化结 果表明，随着工作面开采，受开采影响范围内顶板 岩层应力迅速减小．当工作面达到充分采动后，充 分采动区和煤壁形成岩梁的两个支承点，充分采动 区应力逐渐恢复．围岩应力演化具有以下特点1 由于开采引起上覆岩层垮落、弯曲形成岩梁结构， 开采引起的应力集中区位于煤壁附近上方的岩层 中，呈纺锤状，并倾向工作面 见图2 b ；2 随着顶 板岩层屈服弯曲，顶板岩层应力会产生跳跃性的突 变；3 应力集中区的应力一般可达到原岩应力水 平的2 ～3 倍，以往估计集中应力可达到原岩应力 水平的5 ～1 0 倍是不准确的，因为当应力高于岩体 的屈服强度后，岩体会产生屈服；4 当顶板岩层经 充分垮落重新压实后，充分采动区应力恢复到原岩 应力水平，充分采动区和煤壁之间靠近充分采动区 的岩层应力也有大幅度提高；5 充分采动区内，应 力水平总体上恢复到原岩应力水平，但充分采动区 内围岩应力呈波浪起伏，这与工作面分步开采和顶 板活动有关；6 靠近煤壁附近的岩层，应力水平仍 很低，这与煤壁附近存在压不实的死三角区有关． 在煤柱上方，随着工作面的推进，煤柱上方支 承压力分布形态相似，即在煤柱边缘存在应力降低 区、应力升高区和原岩应力区．分析结果表明，实体 煤上支承压力演化具有以下特点1 随着煤壁附 近煤层屈服、剪胀变形，支承压力峰值向实体煤深 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 部转移；2 动态的支承压力峰值大于稳定后的支 承压力峰值；3 支承压力是开采影响岩层相互作 用的结果 见图2 a ，c ，煤柱上支承压力分布是开 采引起集中应力在煤层与直接顶界面上的直接反 映．开采在上覆岩层形成的集中应力影响底板岩巷 的稳定性，同样，底板岩巷的存在也会影响应力集 中区及支承压力区的分布和大小．模型A 和模型 B 煤柱上支承压力分布曲线上都有较大的跳跃．模 型B 中底板岩巷对应力集中区的影响比模型A 小 得多，模型C 影响较小． 3 巷道围岩位移规律及特点 3 ．1 开采对巷道围岩变形的影响 由于采动影响，围岩应力重新分布，巷道围岩 变形会持续变化和增长．工作面开采影响巷道的围 岩变形将经过掘巷期间明显变形，然后趋向稳定， 一翼采动影响期间显著变形，然后又趋向稳定，以 及另一翼再次采动影响期间强烈变形，再次趋向稳 定六个时期．巷道服务期间的围岩变形量“为 “ ‰ r o t 。 ∑撕 ∑口，￡。， 1 I 一1l 1 式中；“o 为开掘上 下 山引起的围岩变形量，m m | 。o 为掘巷影响趋向稳定期间围岩的平均变形速 度，m m ／d ；如为掘巷影响趋向稳定期间所经历的时 间，d m 为上 下 山第i 次受回采影响引起的围岩 变形量，m m } q 为第z 次采动影响趋向稳定期间围 岩的平均变形速度，m m ／d ；第i 次采动影响趋向 稳定期间所经历的时间，d ；n 为采动影响次数． 在地质条件相同的情况下，工作面开采影响巷 道在各种布置方式中，受回采影响之前的围岩变形 “。值和”。值均相同．而U i 、V ．则与工作面的跨采方 式密切相关．如留保护煤柱时，则v ，与煤柱宽度 有密切关系．如果一侧的煤柱宽度在5 0m 以上， 巷道围岩中等稳定以上，则回采的影响比较小o ] ． 一般来说，留设保护煤柱以及后到上 下 山工作面 跨采m 值比先到上 下 山的工作面跨采方式要 小m 值则要稍大．后到跨采巷道工作面跨采后，由 于上 下 山上方煤柱支承压力叠加，跨采巷道的围 岩变形量会显著增加．随着工作面临近，煤柱宽度 日益减小，围岩变形将急剧增加．它的∞比先到上 下 山工作面跨采的M 要大． 现实生产中，因各种条件的限制，有时在上 下 山一侧留设的煤柱宽度较小，也有的甚至将煤 柱边缘留在上 下 山的上方．生产实践表明，在煤 柱下的底板岩层内，不仅位于应力增高区内的巷道 很难维护，有时位于应力降低区内的巷道维护也很 困难．开采厚煤层时，在上分层采空区下 降压区 的中、下分层巷道，若位于上分层两侧采空的煤柱 附近，巷道维护往往也十分困难[ 4 ⋯．这与开采影响 巷道围岩位移有关． 3 ．2 开采影响巷道围岩位移变形特点 在煤壁上方岩层形成的集中应力和底板卸载 的共同作用下，开采影响巷道围岩产生了相应的位 移．图3 是开采影响巷道的位移情况． a 巷道围岩位移墙 模I 扒 O 辔道田岩位移场 模型B c 巷道圉岩位移场 模型c d 模型B 巷道位移 图3 开采影响巷道围岩位移 F i g 3R o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c kd i s p l a c e m e n ti n d u c e db ym i n i n g 从模型A 煤柱上的支承压力演化过程看，支 承压力峰值点位于巷道左侧，按照应力峰值作用的 位置，巷道左帮应该出现较大的向右位移，但左帮 的位移并不大，而右帮的位移很大．这是由于开采 在煤壁上方岩层中形成的集中应力区向工作面侧 倾斜，作用于巷道上，底板岩巷围岩受到整体向下 向采空区位移作用，致使巷道右帮位移和顶板位移 较大，而左帮位移和底鼓量较小． 模型B 在集中应力作用下，底板岩巷受到比 模型A 更大的整体向采空区位移作用，巷道左帮 位移不是向右，而是也产生了较大向左位移，顶板 下沉量反而有所减小．巷道表面位移结果 见图 3 d 表明，受工作面采动影响初期，左帮产生向右位 移，在受到开采引起围岩集中应力作用后，底板整 体向采空区位移，很快左帮围岩也产生向左位移， 随着采空区围岩应力的逐步恢复，左帮又开始向右 i 一 譬一蘑一 圈～ 万方数据 第1 期 谢文兵等【作面开采对底板岩巷稳定性的影响 位移． 由于岩层断裂、弯曲形成岩梁结构，煤柱边缘 存在压不实死三角处．模型C 巷道位于采空区下， 巷道位于煤柱边缘的低应力处，但巷道的位移并不 小．主要原因是煤层开采后，由于应力释放，底板岩 层有整体向上位移的趋势，再加上煤柱边缘集中应 力作用，使煤柱边缘的底板岩层整体向上向采空区 位移．巷道顶底板、右帮都产生了较大的向上位移． 这就是为什么有时位于应力降低区内巷道维护也 很困难． 上述分析结果表明，工作面开采对巷道围岩位 移的影响具有以下特点1 受煤壁上方岩层形成 的集中应力和底板卸载的共同作用，巷道右帮位移 较大；2 工作面开采影响巷道围岩位移受开采引 起的整体位移场作用较大，而不单纯决定于煤柱上 支承压力的作用；3 对比开采引起的围岩应力和 位移演化过程，围岩应力趋于稳定前的巷道围岩位 移相当于式 1 中的‰而围岩应力趋于稳定过程 中，并在它们的长期作用下，产生的巷道围岩附加 变形相当于式 1 中的u ；4 因巷道与工作面的 位置关系不同，巷道变形也具有各自不同的特征． 因此，应根据巷道围岩变形特征采取相应的支护技 术措施． 3 ．3 巷道位置与其围岩稳定性的关系 上面分析了巷道与工作面3 种不同位置关系 时，开采影响巷道的围岩位移特点．进一步改变巷 道与工作面位置关系，开采影响巷道的围岩位移仍 具有同样的特点．表3 是各个模型开采影响巷道围 岩位移结果．表中负号表示位移方向与z ，Y 轴方 向相反． 表3 各个模型的巷道囤岩位移 T a b l e3A l lm o d e lr o a d w a ys u r r o u n d i n g r o c kd i s p l a c e m e n tm m 模型号A _ _ 1 1 6 1 1 1 2 2 5 BCDEFG 顶板 左帮 右帮 底板 3 7 1 0 7 6 26 9 1 67 4 32 133 9 5 1 5 6 1 0 2 8 5 5 2 8 5 8 56 3 3 91 5 121 1 92 41 7 模型D 与模型A 相比，巷道与工作面之间的 距离由2 0m 增加到4 0m 时，巷道处于集中应力 区的外侧，围岩的变形量减小了一半左右．因此，如 留设保护煤柱，则煤柱的宽度要足够宽．模型E 与 模型c 相比，巷道与工作面之间的距离由2 0m 增 加到4 0m 时，巷道靠近采空区应力恢复区的下 方，巷道围岩位移除左帮外普遍有较大减小，而左 帮的总位移也不大．因此跨采时工作面应推过足够 距离，使巷道靠近采空区应力恢复区的下方．模型 F ，G 与模型B 相比，随着岩柱厚度增大，巷道对工 作面周围应力集中区的影响愈来愈小，反过来说工 作面周围应力集中区对巷道围岩稳定性的影响也 较小．整体上，随着岩柱厚度的增大，围岩的变形逐 渐减小，且巷道不均匀变形的程度减小，如模型F 和G 的左、右帮位移差减小． 4 主要结论 1 由于开采引起上覆岩层垮落、弯曲形成岩 梁结构．开采引起的应力集中区位于煤壁附近上方 的岩层中，呈纺锤状，并倾向工作面．应力集中医的 应力一般可达到原岩应力水平的2 ～3 倍． 2 当顶板岩层经充分垮落重新压实后，充分 采动区应力恢复到原岩应力水平，充分采动区和煤 壁之间靠近充分采动区的岩层应力也有大幅度提 高。但充分采动区内围岩应力呈波浪起伏．靠近煤 壁附近的岩层，应力水平仍然很低． 3 煤柱上支承压力分布是开采影响岩层相互 作用的结果，是开采引起集中应力在煤层与直接顶 界面上的直接反映．动态的支承压力峰值大于稳定 后的支承压力峰值． 4 受煤壁上方岩层形成的集中应力和底板卸 载的共同作用，跨采巷道煤柱侧位移较大． 5 工作面开采巷道围岩位移受开采引起的整 体位移场作用较大，而不单纯决定于煤柱上支承压 力的作用． 6 留设保护煤柱时，开采影响巷道应位于集 中应力区的外侧，跨采时工作面应推过足够距离， 使巷道靠近采空区应力恢复区的下方，并确定合理 的岩柱厚度． 参考文献 [ 1 ] 陈炎光．陆士良．中国煤矿巷道围岩控制[ M ] ．徐州 中国矿业大学出版社．1 9 9 4 ． [ 2 ]陆士良．岩巷的矿压显现与合理位置[ M ] ．北京；煤炭 工业出版社，1 9 8 4 ， [ 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 ． [ 4 ]陆士良．无煤柱护巷的矿压显现[ M ] ，北京煤炭工业 出版社．1 9 8 4 ． i s ] X i eWB ．L uSL ，Q iT Y ，e ta 1 ．S u i t a b i l i t ya n a l y s e s o fb o l tr e i n f o r c i n gl a r g ed e f o r m a t i o nr o a d w a yi ns o f t r o c k s [ 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 0 ，1 0 1 5 4 5 7 ． 责任编辑王玉浚 万方数据