放顶煤开采沿空留巷围岩移动规律及变形特征.pdf

第 卷第 期 ∀ 年月 中国矿业大学学报 ∃ 7 一 ∀≅ ∀Α 一 一∀ 放顶煤开采沿空留巷围岩移动规律及变形特征 谢文兵 , , 王世彬 , 冯光明 ’ ≅ ∗ 7 中国矿业大学 能源与安全工程学院 , 江苏徐州 Β 7 铜川矿务局 , 陕西铜川 Χ Χ Α 摘要 运用适于分析岩层断裂和垮落 的数值模拟软件 /Δ Ε, 建立了相应的模型 , 分析了综放沿 空留巷围岩 应力和位移的演变过程 、 围岩移 动的特征 , 阐述了巷道和充填体上方顶煤的位移及其 与 上覆岩层破断之间的关 系 , 为沿空留巷充填体参数选择提供科学依据 7 关键词 综采放顶煤 Φ 沿空留巷 Φ 移 动规律 Φ 变形特征 中图分类号 8 Δ 文献标识码 Γ ΗΗ.2Ο∗ 11Κ13 . 3Ο 一1 ∗1 0.6 Κ.. 611 7 综合机械化放顶煤开采沿空 留巷是采用 Ζ形 通风方式解决综放工作面瓦斯积聚与超限的关键 技术 7 它可以实现往复式开采 , 并从根本上消除周 围均遭采动的工作面 7 已有的研究成果 沿空 留巷 的矿压显现规律〔 ‘ 一 〕, 综放沿空留巷老顶两种破断 方式及其对围岩变 形 的影响〔 一‘〕, 沿空 留巷的 主要 参数及其适应性囚等对综放沿空留巷技术具有一 定的指导意义 7 开采影响的围岩 , 包括后期为了留巷构筑的充 填体是一个相互作用的整体 7 这些围岩体受到开采 影 响后相互作用 , 引起围岩体整体变形 , 在这一过 程中老顶破断 , 并继而对留巷的稳定性产生重 要影 响 7 本文将综放开采影 响的围岩作为一个整体 , 详 细分析了沿空留巷围岩移动规律 、 围岩变形的特点 以及留巷的变形特征 7 这对于采取合理的沿空留巷 技术至关重要 7 建立分析模型 为了分析综放沿空留巷围岩移动规律及变形 特征 , 采用数值分析软件/ ΔΕ, , 并根据潞安矿务 收稿日期 一 一 基金项目 国家自然科学基金重点项 目≅ Χ ∀ ΑΦ 国家技术创新资助项 目 作者简介 谢文兵≅ , Α , 男 , 安徽 省桐城市人 , 中国矿业大学副教授 , 工学博士 , 从事采矿力学及工程方面的研 究 7 中国矿业大学学报 第 卷 局常村煤矿 一。综放沿空 留巷 的现场试验条件建 立相应的模型≅见 图 Α 7 上上覆岩层 呈呈 老老顶断裂线 ∗月止旦 卫 [ , , 老老顶顶 ∴ ∴ ∴ ∴ ∴ 叫叫 嘿嘿‘静纂蠕遍熏熏 老老底 叫叫 下下覆岩层 竺 ∃ ∃ ∃ Κ ” 矿用 工字钢支护 , 后采用锚梁网索加 固 7 留巷宽∀Κ , 巷高 Κ , 工作面超前 Κ , 采用高度 为 7 2Κ 单体液 压支柱 和木板架设一梁二柱抬棚 加强支护 7 已有研究结果表明川 , 。一 工作面 老顶块体长 度 ∗、 Κ , 超前断裂距 、∀Κ 7 根据这一研究成 果和端头不放顶煤长度Η , 及充填方式和充填体强 度建立了相应的分析模型 7 模型 5 。中. 代表端头 不放顶煤长度 , 分 Κ , ∀Κ , 2Κ , Κ∀ 种情况 , 分别用 ∗ , , , ∀ , 表示 7 少 代表充填方式和充填体强度 , 为充填空间 ] 充填 , 充填体强度为 5; 阁 Φ 为 ]充填 , 充 填体强度为 5; , 但考虑了充填体下方浮煤等松 散材料 的影响 Φ 为充填体上方有 7 ΣΚ 未充填空 间 , 充填体强度为 ∀ 5; Φ ∀ 为充填体上方 7 ΣΚ 未充填 , 充填体强度为 5; 7 围岩物理力学性质按常村矿 一 。工 作面实际 岩体力学特性确定 , 见表 7 节理特性考虑采动影 响 , 采用 屈服弱化模型 7 模型边界按岩层移动角和 连续弯曲带高度确定 7 为了便于分析 , 模型中设置 了 一。 剖面线 7 表 围岩力学性质 8 Ν∗1 8 −1Ο ∋Ο1∋342 5;5; ≅ Α≅ϑ6 7 Κ 一Α 煤 Β 7 Β∀ 砂岩 Β 7 中细砂岩 ∀ 7 ∀ 综放沿空留巷围岩应力演化及特点 煤层开采引起采空区周围岩层应力重新分布 7 数值分析过程的时步虽不能与实际开采影响时 间 过程相 对应 , 但数值分析中不同时步应力位移结果 反映了实际 开采过程中应力位移的演化过程 7 随着 煤层开采 , 沿工作面方 向老顶产生周期性断裂 7 沿 空留巷主要受老顶岩层短边断裂的影响 , 在短边断 裂前 , 长边已经形成简支梁结构 , 所以可视对综放 沿 空 留巷有较大影响的老顶结构为悬臂砌体梁结 构 7 图 显 示 了综放沿空留巷围岩应力演化及特 点 , 图中应力是剖面线 一 ≅ 见图 ∗ Α上垂直应力 7 Β 交_ ≅犯步 ∀ΔΔ_步 义 旧步 ≅ Α 步 月铸 日日 、喇器卜 】 ≅ Π】步 距煤壁距离⊥ Κ 距煤壁距离⊥Κ ≅ Α垂直应力演化≅Ν Α垂直位移发展过程 图 Σ 一 剖面上应力和位移演化图 Λ.6 7 3∋ 1 22 Η Η.2Ο∗ 1 1Κ 1 31 0 ∗ 0.6 一 Ο∋ .∗1 围岩应力演化结果表明 , 充填体上方的围岩应 力具有以下特点 Α工作面开采后 , 由于充填体滞后工作面构 筑 , 不能立 即承载 , 靠采空区一侧顶板垂直应力很 第 期谢文兵等 放顶煤开采沿空留巷围岩移动规律及变形特征 小 , 待顶板顶煤弯曲回转后 , 充填体逐渐承载 7 此 时 , 应力峰值在充填体外侧并逐渐扩展到 整个充填 体 7 Α 充填体上方围岩应力达到最大值时 , 应力 呈 近似对称分布 7 此 时 , 充填体所承受的 应力达到 充填体强度 , 引起充填体变形 7 Α 随着老顶的进一步回转触研形成悬臂梁结 构 , 斗及充填体变形适应老顶 的回转 , 充填体上 的 应力降低到其强度以下 , 此时应力峰值位于充填体 内侧 7 受工作面开采影响后 , 实体煤侧的应力演化具 有以下特点 Α 随着开采影 响加大 , 实体煤层 的应 力逐渐 增大 , 而且应力分布受老顶岩层移动影 响要比充填 体还早 , 而且影响要大 7 Α受老顶岩层断裂 的影响 , 在老顶断裂位置靠 采空区和实体煤深部形成两个应力峰值 7 靠实体煤 深部的应 力峰值逐渐增大 , 并有 向深部移动的趋 势 , 靠采空区侧的应力峰值先逐渐增大 , 后减小 7 在 两个应力峰值之间应力较小 7 综放沿空留巷围岩位移过程及特点 在围岩应力演变过程中 , 围岩产生 了相 应的位 移 , 见图 7 ‘’” ⋯ 龙 ∋⊥ 刃 Φ 黔 5 55 Χ Β ∀ 羚 ∗ ∃ 日 臼 、卜咧始 沂】∴ ⎯盯 距煤壁距离⊥Κ距煤壁距离⊥Κ ≅ Α不放顶煤长度的影响 ≅Ν Α 充填方式和充填体强度的影响 图 一 剖面上垂 直位移分布 Λ 7 9 1∋3.1 ∗Η∗2;∗ 11Κ13 Η.23∋.Ν∋ .∗ 1 围岩位移具有以下特点 ∗ Α 受开采引起的集中应 力作用 , 实体煤上方 产生 了 Κ Κ左右的整体下沉 7 Α 留巷围 岩位移不同于普通巷道的 围岩位 移 , 它的位移明显受制于 老顶岩层的回转运动 , 是 老顶回转运动与围岩变形的综合反映 , 见 图 Ν 7 留 巷顶板围岩位移 一 下一 7 ,充填体1 /2− 图 5 综放沿空留巷围岩变形特征 ≅ 5Α ∃ Β 97 −ΧΔΒΕ ∃ −ΧΦ 9 ∃ΒΦ9 9ΒΦΕ ΔΕΓ 9Β∃ Η − 9ΒΦΕ Γ Β 3 一Δ∃ ∃ΕΧ9Ι9∃Χ−ΔΕΔΕΓ 图 43 是 不 同充填方式和充填体强度时 , 剖面 线 − 一− 上的垂直位移 由图4 3可见 , 当工作面 开采 后 , ϑϑΚ 充填即Λ 4 一。两种情况下 , 顶煤的垂直位 移虽然减小 , 但老顶回转引起的变形 主要由充填体 和顶煤承担 , 造成充填体的变形 量 Λ6 过大 , 充填体 处于不稳定状态 第三种情况 , 虽有一定量的预 留 变形量 Λ4 , 但 由于充填体强度较低 , 不能有效控制 顶板运动 , 造成充填体变形失 稳 , 见 图5 Μ 第四种 情况 , 虽然充填体上方顶煤位移大于前两种情况 , 但里面含有一定量的预 留变形量 Λ。 , 充填体本身变 形量 Λ6 较小 , 见 图 5 从工程实践来看 , 由于充填 体滞后工作面构筑 , 而且充填空 间不可能 ϑ ϑ Κ充 填 , 实际上只能是后两种情况 因此 , 综放沿空 留巷 时 , 在保证顶煤及顶板稳定的前提 下 , 合理利用围 仁 5〕 仁 Ν〕 Ο1〕 陈炎光 , 陆士良 中国煤矿巷道围岩控 制Ο/〕 徐 州 6 中国矿业大学 出版社 , 5 陆士良 无煤柱护巷的矿压显现Ο/〕 北 京 6 煤炭工业 出版社 , Π 张东升 , 茅献彪 , 马文顶 综放沿空留巷围岩变形特征 的试验研 究Ο∀Θ 岩石力学 与工程学 报 , ϑϑ , ,4. 6 44 一4 45 ΡΣ− Ε ΓΑΤ , / −Β Υς , / − Ω Α Ξ ∃ΧΔΕΓΧΦΙΒΕ ∃ Β 97−ΧΔΒ Ε ∃ −ΧΦ 9∃Β Φ 9 9 ΒΦΕ ΔΕΓ 9Β∃ Η Β Γ Β 3 一一 ∃ ∃ΕΧ9Ι9∃Χ−ΔΕ ΔΕΓΔΕ ΦΨ ΨΙ 一7∃ ∃ Σ− ΕΔΖ ∃∃ Β−Ψ − ∃ ∃ ΔΧΣ ΧΒ2 ∃ Β −Ψ∃ −ΛΔΕΓ Ο∀Θ [ΣΔΕ ∃∃ ∀Β Φ9Ε−ΨΒ ∴ Β∃ Η/ ∃ ∃ Σ− ΕΔ∃ − Ε ] Ε ΓΔΕ ∃ ∃ 9ΔΕ Γ , ϑ ϑ , ,4. 64 4一445 张东升 , 缪协兴 , 茅献彪 综放沿空留巷顶板活动规律 的模拟分 析Ο∀Θ 中国矿 业大学 学报 , ϑϑ , 4 ϑ ,4 . 6 1 一 15 ΡΣ− ΕΓ ΑΤ , /Δ −Β Υ Υ , / −Β Υς ΤΔ7 Φ Ψ−ΧΔΒ ΕΒΕ9 Β Β − ∃ΧΔΛΔΧΔ∃ ΒΓΒ 3 一 Δ∃ ∃ ΕΧ9Ι9 ∃Χ−ΔΕ ΔΕΓΔΕΦΨΨ 一7 ∃ ∃ Σ− Ε ΔΖ ∃ ΧΒ2 一∃ Β − Ψ ∃ −ΛΔΕ Γ− ∃∃ 仁∀〕 ∀Β Φ 9 Ε −ΨΒ [ ΣΔΕ− ⊥ ΕΔΛ ∃9 ΔΧΙ Β /ΔΕΔΕΓ吕Ξ ∃ ∃ ΣΕ Β Ψ ΒΓΙ , ϑ ϑ , 4ϑ,4. 6 1 一 15 漆泰岳 沿空留巷整体浇注护巷带主要参数及其适应 性〔 ∀Θ 中国矿业大学学报 , , Π,. 6 一Ν _ΔΞ ⎯ / −ΔΕ α− 9 −7∃Χ∃ 9Β α− ∃Η 一 ΔΨΨΔΕΓΒ 99 ∃Χ− ΔΕ ∃ Γ Β3一Δ∃∃ ΕΧ9Ι−Ε ΔΧ −−2Χ−3ΔΨΔΧΙ 〔 ∀β ∀ ΒΦ9Ε−ΨΒ [ΣΔΕ − ⊥ Ε ΔΛ∃ 9ΔΧΙ Β /ΔΕΔΕΓ吕 Ξ ∃ ∃ΣΕ ΒΨΒΓΙ, , Π ,. 6 一Ν 王悦汉 , 王彩根 , 周华强 巷道壁后充填技术Ο/Θ 北 京 6 煤炭工业出版社 , Ν ,责任编辑 王玉浚.