无巷旁充填支护沿空留巷顶板断裂位置研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 移动扫码阅读 殷帅峰石建军冯吉成等.无巷旁充填支护沿空留巷顶板断裂位置研究.煤炭科学技术 . / . . . / 无巷旁充填支护沿空留巷顶板断裂位置研究 殷帅峰石建军冯吉成刘锦荣 .华北科技学院 安全工程学院河北 三河 .大同煤矿集团有限责任公司山西 大同 摘 要针对葛泉矿 工作面无巷旁充填沿空留巷顶板控制难题通过建立煤层界面应力力学模 型和留巷煤体塑性区演化数值模型对基本顶断裂位置进行了力学解析和数值计算结合基本顶断裂 位置影响因素关键性分析提出了无巷旁充填沿空留巷强力切顶支架围岩控制技术 研究结果表明 距留巷煤壁 . 位置基本顶开始塑性破坏且剪应力达到最大值数值模拟结果与基于煤体弹塑性 交汇位置计算得到的基本顶断裂位置基本吻合基本顶断裂位置关键影响因素为煤层厚度、开采深 度、煤层界面力学性质及应力集中系数沿空留巷采空一侧由 型钢梁和单体液压支柱构成的强力 切顶支架改变了基本顶的切落位置卸压作用显著保障了无巷旁充填沿空留巷的安全稳定为地质 生产条件相似矿井提供给了技术借鉴 关键词沿空留巷无巷旁充填支护断裂位置切顶卸压 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河北省自然科学基金资助项目中央高校基本科研业务费资助项目 作者简介殷帅峰男河南汝州人副教授硕士生导师博士 . 通讯作者石建军男黑龙江五大连池人教授博士 . 引 言 无煤柱开采是一项先进的护巷技术而沿空留 巷技术对于提高回采率缓解掘巷速度慢等矛盾更 是一项重大改革 因此沿空留巷就成为了煤矿开 采技术的很重要的发展方向成为矿山压力与岩层 控制的一个重要的研究方向 国内外学者对沿空留巷相关理论和技术进行了 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 有益的前期探索 文献对留巷上覆围岩运动 过程及其变形特点进行了分析根据顶板和充填体 互相作用原理明确了各个时期巷旁充填体支护阻 力的设计原则并建立了关于合理压缩量和支护阻 力的数学模型文献在弹塑性力学相关理论 和煤层顶板特征的基础上把长壁采场中沿空留巷 的顶板岩层简化为层间结合力可忽略的矩形叠加 层板得出留巷支撑荷载只与短支承边的荷载有 关文献指出沿空留巷巷旁支护顶板控制的 关键是满足顶板早期强度较高、增阻较快的特性切 断直接顶减小巷旁支护载荷使巷道形变得到抑制 留巷顶板断裂破坏后向采空侧方向旋转下沉是 引起沿空巷道变形、沉降和破坏的主要原因 为了适应以及缓解顶板的这种特性那么采用合适 的支护方式合理的支护强度以及合适切顶措施在 采空侧切断直接顶乃至基本顶就显得特别重要 巷 道上方的基本顶断裂的位置不同对留巷的维护情 况差别很大因而研究沿空巷道上方基本顶断裂位 置以及通过采取措施去控制基本顶断裂的位置来 改善巷道维护状况对井下的安全生产具重要的现 实意义 本研究根据葛泉矿的无巷旁充填支护沿空 留巷条件研究巷道顶板的断裂位置以及支护问题 无巷旁充填支护沿空留巷指在巷旁空间不专门构筑 人工支护物任由顶板垮落形成巷旁支撑巷道内侧 布置组合切顶支护 沿空留巷技术条件 葛泉矿 工作面开采的是 号煤层煤层厚 度平均 . 煤厚 .. 煤层平均倾角 倾角范围 运输巷为沿空留巷直接 顶以泥质粉砂岩为主基本顶是粉砂岩直接顶可以 根据标准划为类顶板属于中等稳定岩层 工作面 煤层柱状如图 所示 基本顶断裂位置分析 基本顶在巷道上方的断裂情况对巷道结构稳定 影响较大 通过研究回采后基本顶破断基本上在煤 体内部的弹塑性交汇处并且基本顶侧向破断后就在 巷道上方形成悬臂梁在沿空巷道上方该梁在煤壁内 向采空区方向悬顶并且向采空区方向回转下沉 研究葛泉矿留巷煤体塑性区应力分布规律建立 煤体的力学模型如图 所示 图中 是极限平衡 区 是在 处煤层上水平应力平均值 是巷道 高度 为应力集中系数取 .为巷道煤帮支护 阻力取 . 为覆岩平均容重/ 为巷 道所在埋深 图 工作面煤层柱状图 . 图 煤层界面应力计算简图 . 极限平衡区的宽度也就是基本顶断裂距上个区 段煤壁距离 为 其中 为煤层采高取 . 为侧压系数 取 .为煤层的内摩擦角取 为煤层黏 聚力取 取 . 因此得出基本顶断 裂位置 . 基本顶断裂数值分析 工作面运输巷是上区段回风巷留巷而 来模拟研究的内容是开采后边缘煤体覆岩基本 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 殷帅峰等无巷旁充填支护沿空留巷顶板断裂位置研究 年第 期 顶断裂位置以及煤体内的剪应力状况 计算模型 采用二维模型模拟考虑煤层倾角建立如图 所示 梯形模型共有 个网格 个节点 采用应力边界条件模型上表面施加均匀的垂直压 应力模型下表面垂直位移固定 计算时采用摩 尔库仑准则作为破坏准则巷道围岩特征和力学 参数见表 图 数值模型 . 表 巷道围岩特征和力学参数 名称 煤岩密度/ 体积模量/ 剪切模量/ 泊松比抗拉强度/ 内摩擦角/ 黏聚力/ 上位基本顶中砂岩 ..... 基本顶粉砂岩 ..... 直接顶泥质粉砂 ..... 煤层 号煤层 ..... 直接底泥质粉砂岩 ..... 上个采面回采结束后煤帮剪应力分布如图 所 示距煤帮 有应力集中出现最大应力在约. 处应力值约 通过模拟结果基本顶断裂 位置 .. 与前面理论计算相差不大 图 煤帮剪应力分布 . 上区段回采结束后煤帮塑性区分布如图 所示 图 煤帮塑性区分布 . 煤壁内约 . 基本顶开始塑性破坏断裂线 从右上开始往左下发展分析原因由于回采顶板 断裂在图示位置由于采动裂隙致使岩体受力发生 变化因而出现模型的顶部塑性破坏 通过弧形三 角块作为理论基础分析基本顶断裂位置 . 塑性区模拟与垂直应力模拟结论差异较小二者 总体与理论结果吻合 影响基本顶断裂位置主要因素 影响基本顶断裂位置因素比较多根据式 可知主要是开采深度、原岩应力状况、采高、煤层性 质、直接顶和基本顶特性等 . 采深 当原岩应力状况、采高煤层性质、直接顶和基 本顶特性等一定时在稳定煤层界面、较稳定煤层界 面、中等稳定煤层界面、不稳定煤层界面条件下基 本顶断裂位置根据采深增加呈对数增加如图 所 示其中对应的 号条件如下 . . . . / . . . . . / . . . . . / . . . . . / . 由图 可知随开采深度增加基本顶断裂位置 增加当开采深度在 时基本顶断裂增 加较快基本顶断裂位置和采深成正比增加这与回 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 图 与 关系曲线 . 采巷道变形量统计大体吻合因此开采深度增加顶 板断裂条件变差 . 煤层界面力学性质 当原岩应力状况、采高煤层性质、直接顶和基 本顶特性等条件一定时采深固定 在 稳定煤层界面、较稳定煤层界面、中等稳定煤层界 面、不稳定煤层界面条件下基本顶断裂情况如图 所示 其中对应的 号条件如下 . . . . / . . . . . / . . . . . / . . . . . / . 图 同一采深煤层界面不同基本顶断裂位置曲线 . 由图 可知当煤层界面不同对基本顶断裂位 置有较大影响基本顶断裂位置距离上个区段采空 侧的煤壁距离是随着煤层界面的力学性质由稳定到 不稳定是增加的也就是随着内摩擦角减小而加大、 随着粘聚力降低而加大 . 采高 当开采深度、原岩应力状况、煤层性质、直接顶 和基本顶特性等条件一定时采高不同对基本顶断 裂距上个区段采空侧煤壁距离影响如图 所示随 采高增加基本顶断裂距离上个区段采空侧煤壁距 离成正比扩大 因此采高增加顶板断裂条件变差 其主要参数为 . . . . / . 图 采高不同对基本顶断裂位置曲线 . . 应力集中情况 当原岩应力状况、采高煤层性质、直接顶和基 本顶特性等条件一定时沿空留巷要经历两次采动 图 为应力集中系数不同时基本顶断裂位置距上个 区段采空侧煤壁距离的变化 其主要参数为 . . . / . 图 不同应力集中系数对基本顶断裂位置影响曲线 . 由图 可知基本顶断裂位置随应力集中系数 增加成正比增长与国内外研究统计结论一致也就 是巷道应力集中系数越大巷道得变形量也会越大 煤体破坏越严重基本顶断裂距上个区段采空侧煤 壁距离也越大 采空侧煤壁切顶留巷 传统的有巷旁支护沿空留巷在巷旁采用各种支 护形式保护巷道的正常使用 但是从另一方面考虑 这些巷旁支护使巷道顶板岩梁加长如采用合理的 切顶支架以达到在巷道外侧切断顶板可以减少巷 内支架的压力 前面理论及数值模拟分析了顶板断裂的位置 通过分析得知对巷道的维护不利因此我们探讨通 过采空侧布置强力切顶支架改变顶板的断裂位置 . 巷内支护 为减轻上区段工作面回采影响留巷用补打顶 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 殷帅峰等无巷旁充填支护沿空留巷顶板断裂位置研究 年第 期 板锚索和梁来加强支护 煤帮的加固煤帮补打锚 索采空侧和顶板交接处补打顶板锚杆来加固经纬 网 巷道支护设计如图 所示 图 巷道支护设计 . . 切顶设计 在巷道靠采空侧设置沿留巷轴向的 型钢梁 和液压单体支柱 具体做法为沿留巷轴向由切顶 支架连接形成切顶线切顶线由 型钢梁与单体支 柱顶端用十字顶梁相接形成切顶支点并且支架底 部由特制的铁鞋相连以减少支架比压 . 试验结果验证 为了验证支护及切顶设计的可靠性观测留巷变 形量设 个变形测点开切眼位置设为 号点后 面 测点间隔 沿工作面在巷道轴向布置最后 测点和 号相隔 .. 巷道变形分析 由 号观测点结果做全变形数据曲线以反映 在两次采动影响的留巷变形全程观测结果曲线如 图 和图 所示 图 顶底板移近与工作面距离关系 . 图 两帮移近与工作面距离关系 . 留巷顶底板移近分析 从观测结果知顶板 位移都小于底鼓底鼓是顶底板移近主要因素顶板 的下沉占总位移 底鼓为总位移 如图 所示 说明巷旁支护对巷道承压影响较大 留巷两帮移近和位移分析 煤帮变形是两 帮移近量大的重要因素煤帮变形的速度都大于采 空侧 煤帮变形量占 采空侧变形占 如 图 所示 这归功于采空侧的切顶加强支护形式 .. 留巷切顶效果 留巷切顶效果如图 所示巷道使用保留效果 良好没有出现影响生产的状况出现说明采用的切 顶设计合理有效 图 巷道支护效果 . 在巷道通过打孔探测巷旁强制顶板切落后切 顶的情况见表 经顶板探测强制切顶收到比较 好效果在留巷外侧和采空侧交界处顶板断裂切顶 效果明显达到预期 表 顶板断裂线探测情况 钻孔 至采空侧距 离/ 沿采空侧 倾角/ 断裂线深入采空 侧长度/ 结 论 利用留巷煤体弹塑性分布规律得出基本顶 破断位置表达式计算得出葛泉矿无巷旁充填沿 空留巷基本顶断裂位置位于留巷煤壁 . 深度 数值模拟得出 工作面距留巷煤壁. 位置基本顶开始发生塑性破坏且剪应力达到最 大值 葛泉矿 工作面采用巷内强力组合支护 方式强制切顶基本顶悬长得到有效控制巷道安全 稳定性显著提高 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 参考文献 李化敏.沿空留巷顶板岩层控制设计.岩石力学与工程学 报. . . . 石建军师皓宇.沿空留巷矿压显现规律模拟研究.中国煤 炭. . . . 石建军马念杰白忠胜.沿空留巷顶板断裂位置分析及支护 技术.煤炭科学技术. . . . 马念杰侯朝炯.采准巷道矿压理论及应用.徐州中国矿 业大学出版社. 李胜李军文范超军.综放沿空留巷顶板下沉规律与控制 .煤炭学报. . . . 王卫军侯朝炯柏建彪.综放沿空巷道顶煤受力变形分析. 岩土工程学报. . . . 孙晓明刘鑫梁广峰.薄煤层切顶卸压沿空留巷关键参数 研究.岩石力学与工程学报. . . . 武精科阚甲广谢生荣等.深井沿空留巷非对称破坏机制与 控制技术研究.采矿与安全工程学报 . . . 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