深部开采复合顶板破坏机理研究.pdf

深部开采复合顶板破坏机理研究 向喜伟 山东科技大学 矿业与安全工程学 院 ， 山东 青 岛 2 6 6 5 1 0 摘要 济宁三号煤矿 5 3下 1 2工作面为兖矿集团首个大采高工作面， 设计回采高度 5 ． 8 m， 设计回采巷道断面 5 m 4 m。 对该煤矿深部煤层开采并对该巷道顶板进行测试、 复合顶板破坏过程现场监测以及岩层稳定性力学分析进行系统研 究。通过对该矿深部巷道开采， 总结归纳得到了深部巷道变形破坏的主要原因是没有考虑到复合顶板沿空巷道围岩特 性、 岩石性质以及支护强度低、 从而揭示了深部开采复合顶板巷道围岩变形破坏机理， 通过研究并提出适合该类巷道的围 岩控制技术。 关键词 复合顶板； 破坏机理 Ab s t r a c t J i n i n g No ．t h r e e c o a l mi n e 5 3 w o r k i n g f a c e 1 2 t o Y ANKUAN G Gr o u p b fi r s t h i g h f a c e mi n i n g d e s i g n，mi n i n g h e i g h t i 8 5． 8 m ．t h e d e s i g n o f r o a d w a y s e c t i o n 5m 4 m o f d e e p c o a l mi n i n g i n t h e c o a l mi n e a n d t h e t e s t o f t h e t u n n e l roo f ，a n aly s i s s y s ． t e rn r e s e a r c h o f c o mp o s i t e r o o f f a i l u r e p r o c e s s o f s i t e mo n i t o rin g a n d s t a b i l i t y o f roc k me c h a n i c s ． B a s e d o n t h e d e e p mi n i n g o f t h e mi n e，s u mma riz e d t h e ma i n r e aso n s o f d e f o r ma t i o n a n d f a i l u r e o f d e e p r o a d wa y i s n o t t a k e n i n t o a c c o u n t alo n g t h e r o a d wa y of c o rn p o s i t e r o o f s u r r o u n d i n g r o c k c h a r a c t e r i s t i c s ，r o c k p r o p e r t i e s a n d s u p p o rt i n g s t r e n g t h i s l o w，S O a s t o r e v e al t h e me c h a n i s m o f d e f o r ma t i o n a n d f a i l u re o f d e e p mi n i n g o f c o mpo s i t e r o o f roa d wa y，t h rou g h r e s e a r c h a n d p u t f o r w a r d t h e a p p r o p ri a t e ．Th e s u r r o u n d i n g r o c k c o n t rol t e c h n o l o g y o f t h i s k i n d o f roa d w a y ． Ke y wo r d s c o mpo s i t e r o o f ； f a i l u r e me c h a n i s m 中图分类号 F 4 0 6 ． 3 T D 3 2 7 ． 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 1 5 5 2 0 1 7 1 2 0 0 9 4一 O l 中国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一， 随着我国工业发展对煤炭消耗的 日益增加， 煤矿 企业在开采过程 中开采复合顶板 的数量和比例也 不断增加 ， 复合顶板巷道 的围岩控 制问题越来越 突出。因此， 弄清复合顶板巷道 的变形 和破坏规 律 ， 进行复合顶板巷道 的支 护技术 研究具有非常 重要的工程应 用价 值 ， 因此煤矿深 部巷道开采工 程中的复合顶板破坏相关的岩石 力学问题是 目前 国内外采矿及岩石力学界研究的焦点。 1复合顶板的特征 所谓复合顶板 ， 是指位于开采煤层之上 ， 它是 一 种在岩性和岩石的力学性等方面特殊组合 的直 接顶。复合顶板多是 由非均质层状岩层组成 的叠 状结构 ， 岩性多为泥岩复合顶板 ， 总厚度 0 ． 6 m～ 3 m， 易与上部岩层发生离层的岩层 ， 因而把其上部 岩层称为硬岩层。下部软岩层可能是一 个整层 ， 也可能是几个分层组成的分层组。这种顶板岩层 的岩性主要是页岩 、 砂岩 页岩和薄层细砂岩 ， 同时 往往夹有薄层煤层、 炭质页岩、 泥质岩、 植物化石 碎屑和镜煤条带等。复合顶板煤层一般含煤 线， 局部煤层含硬岩 ， 易风化 ， 从 而整体强度较低 ， 因 而在围岩应力的作用下表现出离层 、 易冒落 ， 两帮 应力作用下复合顶板承载能力低从而发生变形破 坏 ， 近 几年来 ， 发生 的冒顶事 故中 ， 复合 顶板变形 破坏事故 占有相 当比重。 据统计分析归纳得出复合顶板一般具有如下 特征 收稿日期 2 0 1 70 42 1 作者简介 向喜伟 1 9 9 1一， 男 ， 甘肃临洮县人 ， 山东 科技大学矿业工程专业硕士研究生在读。 9 4 1 巷道煤层顶板是 南下软上硬的不 同岩性 的岩层所组成复合顶板。 2 复合顶板软 、 硬岩层问夹有煤线或薄层软 弱岩层。 3 深部开采巷道 的下部软岩层 的厚度一般 不小于 0 ． 6 m， 不大于 3 m。 4 复合顶板下部岩层 与上部岩层在 力学特 性方面的主要差别是它们之 间在厚度 、 变形模量 、 泊松比及内摩擦角、 黏聚力等方面相差较大 。 2巷道复合顶板破坏原 因分析 2 ． 1巷道开采过程 中复合顶板直接垮 落 随着深部巷道煤层 的掘进 ， 开采后 的采 空区 直接顶板岩层及其上覆岩层在其 自重 力作用下， 产生向下的移动和弯曲。当其内部复合顶板拉应 力超过岩层的抗拉 强度极限时 ， 直接 顶板首先断 裂、 破碎 、 自重 力的作 用下 相继 冒落。如 下 图所 不n 3复合顶板两帮受轴 向应力发生的剪切破坏 在巷道开采工程 中， 地表发生移动导 致复合 顶板两帮发生轴 向向内的水平应 力， 两水平应 力 相互挤压导致岩体发生较明显的破碎。在碎块岩 体上施加载荷 ， 可使碎块岩体 内部发生岩块位移 ， 转动 ， 甚至岩块开裂 ， 最后在 岩体 内部形成破坏面 甚至形成破坏带 ， 从而使岩体变形 ， 强度降低 ， 甚 至破坏 ， 下转第 1 1 0页 采空区顶板上方 ， 由于充填体支持作 用， 靠近采空 区顶板岩层下降呈现波浪形 ； 岩层运 动向上发展 ， 在部分岩层之 间存在离层现象导致地表下沉为凹 形圆滑曲线 ； 在 采空区充填后可 以看出地表下沉 值均在 0 ． 1 1 m以下 ， 方案 2充填效果最好 ， 表明充 填体有效地抑制了采空区顶板岩层的下沉。 2 应力变化。在充填体与顶板接触面布置 测线 ， 监测地 层应 力变化 ， 由应力数据得 出， 充填 体出现应力集 中现象 ， 方案一 ～三最大集 中应 力 分别为 1 6 MP a 、 1 3 MP a 和 1 8 MP a ， 实体煤侧应 力集 中分别为 9 ． 5 MP a 、 8 ． 7 MP a 、 1 0 ． 1 MP a ， 这是 由于 上覆岩层重量转 移到充填体导致 的； 充填体在采 空区顶底板之问起到了传递应力的作用且没有 出 现失稳现象 。 3 塑性区分布。条带充填 开采方案二顶板 塑性破坏高度为 1 5 ． 3 m为三方案中最小 ， 方案三 顶板塑性破坏高度 为 2 5 ． 2 m为三 方案中最大 ， 充 填开采其塑性破坏 均发生在充填体上部 ， 为剪切 破坏， 未充填区域顶板破坏较小， 为拉伸破坏； 由 顶板塑性区分布推 测， 顶板岩层 的向下运动受到 抑制， 充填采场覆岩不存在垮落带和断裂带， 但直 接顶板会开裂 ， 上覆岩层 以离层的形 式运动 ， 离层 位置主要发生于厚硬岩层的下层。 由数值模拟结果可得 ， 随着充填率的增加 ， 地 表下沉和充填体应 力集中均逐渐减小 ， 充填率在 6 0 ％ 一 7 5 ％之 间变化速率尤为 明显 ， 充填方 案二 达到了地表沉 陷及应 力集中控制 的最 优效 果， 可 作为条带充填开采的使用方案。 4结 论 1 分析浅埋煤层开采地表下沉是上覆岩层 “ 砌体梁” 结构失稳造成的， 使用概率积分法， 以减 小水平变形叠加为出发点， 给出充填开采三个方 案。 2 数值模拟结果表明， 地表下沉随充填率增 加而减 小 ， 方 案 2条 带 充 填 方 案 地 表 下 沉 值 0 ． 0 4 m， 充填体应力集 中系数为 1 ． 8 ， 效果最好。 参考文献 [ 1 ] 钱 鸣高， 石平 五． 矿 山压力 与岩层控 制 2版 [ M] ． 徐州 中同矿业大学出版社， 2 0 0 3 6 0 2 2 2 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