深部高强开采下巷道大变形及卸压的支护技术.pdf

第 2 7卷第 4期 2 0 1 7年 7月 黑龙江科技大学学报 J o u r n a l o f H e i l o n g j i a n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y Vo1 ． 27 No ． 4 J u l y 2 01 7 深部高强开采下巷道大变形及卸压的支护技术 金珠鹏 ， 秦涛 ， 张俊文 1 ． 中国矿业大学 北京资源与安全工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 1 5 0 0 2 2 摘要 为研究围岩应力随采高的演化规律和相邻采空区对沿空顺槽 围岩应力的影响 ， 以城 山煤矿 3 B 煤层 1 4 5大采高工作面沿空顺槽为研 究对象， 采用 F L A C 如和力学分析的方法研究深部 高强开采下采动应力演化特征和沿空顺槽顶板结构特征。工作面周 围选取 3个测站 ， 一个测站设 置在轨道 大巷 中， 另外两个测站分别在联络巷巷 口以及 回风顺槽 中。结果表明 采高增大， 应力集 中程度增加， 峰值位置前移， 应力集 中区范围扩大； 相邻采 空区会进一步增加端头附近应力集 中程 度 ， 开采方式会对这种应力集中造成影响。该研究通过现场 实践验证 了深部 高强开采下卸压支护 对策的有效性。 关键词 深部开采；高强开采 ； 卸压 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 5 7 2 6 2 ． 2 0 1 7 ． 0 4 ． 0 1 1 中图分类号 T D 3 2 2 文章编号 2 0 9 5 7 2 6 2 2 0 1 7 0 4 0 3 7 8 0 5 文献标志码 A St u d y on r o a d wa y d e f or ma t i on u n d er d ee p a n d h i g h i n t e n s it y mi n i n g a n d p r e s s u r e r e l e a s e me t h o d 凡Z h u p e n g 一， Q i n T a o ， Z h a n g J u n w e n 1 ． C o l l e g e o f R e s o u r c e s ＆ S a f e t y E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g＆ T e c h n o l o g y ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Mi n i n g E n gi n e e r i n g ， H e i l o n g j i a n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e＆T e c h n o l o gy，H a r b i n 1 5 0 0 2 2 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i s a n i n v e s t i g a t i o n i n t o t h e e v o l u t i o n l a w u n d e r l y i n g t h e s t r e s s o f s u r r o u n d i n g r o c k s v a r y i n g w i t h t h e m i n i n g h e i g h t a n d t h e i n fl u e n c e o f a d j a c e n t g o a l o n t h e s u r r o u n d i n g r o c k s t r e s s o n t h e g o b s i d e e n t ry ．T h e i n v e s t i g a t i o n f o c u s e d o n t h e g o b s i d e e n t ry o n t he 3 B c o a l s e a m 1 45 wo r k i ng f a c e o f C h e n g s h a n c o a l mi n e a s t h e r e s e a r c h o b j e c t i n v o l v e s i d e n t i f y i n g t h e m i n i n g s t r e s s e v o l u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e s t r u c t u r al c h a r a c t e r i s t i c s o f g o b - s i d e e n t ry u n d e r t h e d e e p h i g h ． - s t r e n g t h mi n i n g u s i n g t h e F LAC 。a n d me c h a n i c al a n aly s i s me t h o d s a n d u s i ng t h e me a s u r e me n t s o f t h r e e s t a t i o n s a r o u n d t h e wo r k i n g f a c e- o n e i n t he o r b i t a l all e y s a n d t h e o t he r t wo s t a t i o ns i n t h e c o n t a c t e n t r y a n d r e t u rn a i r wa y c r o s s - -he a d ． i n g e n t ry．Th e r e s u l t s s h o w t h a t a n i nc r e a s e i n t h e h e i g h t a n d t h e c o n s e qu e n t i n c r e a s e i n s t r e s s c o n c e n t r a - t i o n c o n t ri b u t e t o a n a d v a n c e i n t h e p e a k p o s i t i o n ，w i d e n i n g t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n z o n e ；t h e a d j a c e n t g o a f t e n d s t o f u r t h e r i n c r e a s e t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n n e a r t h e e n d wh i c h i s a ff e c t e d b y t he mi n i n g me t h o d ．T h e fi e l d p r a c t i c e v e ri fi e s t h e e ff e c t i v e n e s s o f t h e c o u n t e r me a s u r e s o n t h e p r e s s u r e r e l i e f s u p p o rt a n d e r d e e p h i g h s t r e n g t h mi n i n g ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g；h i g h i n t e n s i t y mi n i n g；p r e s s u r e r e l e ase d 收稿 日期 2 0 1 70 51 3 基金项 目国家 自然科学基金项 目 5 1 5 7 4 1 1 4； 5 1 6 0 4 1 0 0 ； 国家重点研发计划专项资助项 目 2 0 1 6 Y F C 0 6 0 0 9 0 1 第一作者简介金珠鹏 1 9 8 1一 ， 男 ， 辽宁省本溪人， 工程师 ， 博士研究生 ， 研究方 向 矿山压力与岩层控制 ， E m a i l 8 4 2 5 3 3 8 3 7 q q ． c o rn。 4 金珠鹏 ， 等 深郝岛强 采 卜 巷道人变形及卸乐的支护技术 3 7 9 矿J l 采进入深部后 ， ⋯ 『 f l 心 『 f l 程度较 高 、采川人采I 采煤法高强度 采 I I ’ f ，I 作 动裁 较人 ， 支乐 力较大⋯ 对 J 人采『 I 作而沿窄 顺柑 ， j 粒 结构干 一般采离 l 作 I f { f } f } 顺槽存 较大I x 刖 ， } f } 伞顺槽控制存在较人难度 ， 通常巷道容 易发乍较夫变形 。【 人 j 此 ， 臆 【 ， 刈‘ 岛 肝采作川 F深部} f } 夺顺柑同岩J 、 力随采动的演化规律及巷道 支护技术进i 研究。 笔并引‘ 对城⋯煤矿 3 B 煤层 l 4 5人采岛1 - 作而 f f } 顺槽的特 ， 通过数他模 拟 J 力学分析等手段 研究深鄙尚 J l 采下采动应力演化特 和沿空顺槽 顶板结构特 ， 提 ⋯预掘卸J 1 i 巷道 支 、 I 的埘策 进 行现 场 实践 1 工作面采动应力特 征 果J I J F I A ” ’ 模拟 建 立 的 汁赁 模 ， l 8 0 I l l X 1 2 0 1 1 ／ X 7 2 I 1 l ’ 『 殳 l l 所 示 一 i 覆 采H { r ， ， y t t 进 汁 ， ． J Il 埋 深 7 4 0 i n ， ⋯ I J 1 8 ． 5 n I 作 煤 度 6 I I I ， 研究深 部小川采I r作而前 J 演化规 、模型 J 部 J 采川均 载荷来代 ，卡 I ， 卜 边 捍为同支约 ， 『从 j 侧lq Hi 1 方向的化 移 ， J J I I 迷 J 业g II 9 ． 8 n Js 3 1 采 d小 层 厚 度 l f 1 f ， 采川f f } 顶 采、 t H l ．t ． 板 的 方』 进 行卡 I 拟 模 笃 J 嫂 搜j 参数 ， 表 l所 ， J ． 图 1 数值模型 Fi g． 1 nume r i c a l mode l 表 1 模型各层 的岩石 物理 力学参数 Ta bl e 1 Ro ck ph ys i c al and me c ha ni c al par ame t e r s of e a c h l ay e r of t he mo de l J r ，／ I ll El j MI a 。 cr ／ M l 1 8 ． 4 5 5 3 5． 6 7． 1 岂n ； 1 I 6 3 4 7 3 5 2 6 ． 5 接 顶 J “接 底 底 板 3． 1 2 l 31 ． 7 3 2 1 ． 7 I ． 3 2 8 ． 7 1 ． 5 6． 3 4 7 3 5 ． 2 6 ． 5 8 ． 4 5 5 3 5 ． 6 7 ．1 将 物理力学参数赋位 ， 建 0 数值模 ．对 模 进行 汁算开挖分析 ，1 作 每次推进 1 0 m 2为 f 1 推进 5 0 m I 作 而r f l 部 岩应 力随采 尚小『 ld 的演化} 警 { 。 0 IIi_ - 。j 脚 ／M Pa 笔 I ■ _|． 、 a 推进 5 0 m、 采高 3 m I ● 、一 心 力／ Ml ， a 1 0 0 一 l 0 d 推进 5 0 I1 1 、 采高 6 m 图 2 工作面围岩应力随采高演化 Fi g ．2 Ev ol ut i on o f s ur r oun di n g r oc k s t r e s s wi t h mi ni ng he i gh t 从 2 I j J‘ 以看⋯， 随着采离增J J I l ，I 作面前方应 集I l I I K 域f II芏 『 韦 】 增 大， 成力集 l l I 稚度增人 、外采挖 后 力发 变化的 域范 增大 、为 J更 卣观展示 l 作t f d l i 力 ‘ 支承 力随采高改变 的演化规律， 取 作而I f l 部支承』 K 力， 可得 3 I I i I 殳 l 3『 1丁 以看 I ， ] 作 【 { 】 部前方支承压力随 采离⋯ 3 、 4 、 5 、 6 I l l 的增大， 支承 峰值【 { { 3 2 、 4 0 、 4 8 、 5 5 MP a的增大 ， 峰值位置 l 2 、 l 5 、 l 8 、 2 0 m的前 3 8 0 龙 科技人 学报 移 川 ‘ 以彳 千 ⋯采尚会很犬程度影响前方煤体I h 麻力 分 ， 进 影响 岱道 变形姚律 号虑到沿 顺枘 会 受到 } I i 邻 I 作 采 的影响， 收煤 巾晦 力分布数 { 1 f i J J I冬 I 币 f1- t f i I冬 I ， l 1 I 冬 i 4} ， J 图 3工作面推进过程中支承应力分布 Fi g．3 Sup por t s t r e s s di s t r i but i on i n pr oc e s s of f a c e a dva nc i ng I 1 愉。 * 幢 J 分n J 图 4 高强开采工作面临空巷端头应力分布 Fi g．4 Hi gh s t r e ng t h mi n i ng wo r k f a c e r oa dwa y en d s t r e s s di s t r i bu t i 0 n 从 4 l 1丁 以彳 寻 ⋯， 受卡 f 1 邻 l fi q lq 采 的影响 ， J L I J lt； i 7 l 作 端 附近J 1 力集 I I 】 程 较 尚， 最 f ， J ‘ 达 1 3 6川 远远人于巷道 岩 及煤体 『 1 『 以承受的 烈 ， 一J j { } 的支护 很难提供 够的强度 『 I J I E ， 应 、 1 采取合理的支 - 技 术维护巷道 为 r降低 ] 作 前方煤体 中心 力集一 { ， 度 ， 洲 研嗣 I 总结 r 1 作 前方煤体 f t 嘘 J 随J f 采办式的演 化规律， 【 5卡 表 2的姚律 f 以行f f I 选取 不 的 采 式， 能够有效地降低采动心力， 1 人 l 此对 于深部高强开采沿空 似的维护 l ， 选扦 J J I 阶 1 的 采方式足 种较＆ ， J 力 、 法 ． 『l f ， 、0 - y l l 图 5 工作面推进 过程 中支承应 力分布 Fi g．5 Suppo r t s t r e s s d i s t r i b ut i on i n pr o c e s s of f a c e a d v an c i n g 表 2 不同开 采方式下煤体支承应力 F abl e 2 Supp or t i ng s t r e s s of c oa l und e r di ffe r e n t m i ni ng m e t hod s 录方式 位置 f f f 保 层 』 { 层f， l y H O - 】 I 5 y t l l 2 5～ 3 ． 0 y t l f ， I 放顺煤 _J 下 采O - y t l r ， l i 5 T l l I 2 0～ 2 ． 5 y l l f ， I ， 尤煤柱圩采0 - l y t l r ， I 1 ． 5 y l l f ， I I 5～ 2 ． 0 y t l f r 】 2 深部巷道高 强开采下 变形特征 2 ． 1 深 部地应 力特 征与 变形特征 对城l J 1 煤矿 7 0 0 I 1 1 采I x 3 煤J l 4 5人 离高强开采 『 作面进行 r 场地J 、 J 测i J { 、 选 取 丁作而 周罔 3个测 站 的 测 i ， 个测 站 存轨道大巷中， 另外两个测站分圳 联络 岱岱l I 以 技M J f顷 槽 中 ， 如 6所 ， J ， 测 试结 3 爪 ， 巾坪 深 垂 应 九， 一山 女 人 水 、卜心 J jr 、 j 4t I 小 水甲 f O - ⋯ 图 6地应力测试点位置 Fi g．6 Gr ou nd s t r e s s t e s t po i n t l o c at i o n 现场测试表明， 深部煤 『 l l 地 J 较人， 通 会 接近或超过煤体 轴机J f “ I I I ， 义I 1 处 h ’ 地 ， J f l， J 4 金珠鹏 ， 等 深部高强开采下巷道人变肜及卸 的 护技术 3 8 1 体会发 扩容或破坏 ， 影响巷道的 【 l 常使J t j 。此外 ， 太 2 I f I 呵以看 ， l 4 5人采高 _ r 作 附近水平 主J J 较人 ， 巷道支护心允分 号虑水 主J 、 力的影响 ． 表 3 地应 力测量 结果 Tabl e 3 Re s u l Is of s t r e s s me a s ur e m e n t s 7为 1 4 5 I 作 沿空侧顺槽变形破坏特征 秆 】 顶饭小 深度处钻孔 窥视结果 、 I f 以彳 千 ⋯， 受 高腑 』 强 果动 的影响 岱道 变形 破坏， 城匝 h i 4 L 窥觎结 果 图 7 沿空顺槽变形破坏特征 Fi g．7 De f or ma t i o n an d f ai l ur e ch ar ac t e r i s t i c s o f al o ng c h anne l 2 ． 2 临 空巷覆 岩 的结构 特征 面常情况下 ， 人 I ’ 1 作而缒 Jf l t 1 ，“ 构 桐比一般 果『 l 作向仔 小⋯ I t 1 于大采尚 J 作 充填程度 较- 股采高 f fi ， 』 滑伞⋯ 贝 储 构 也存 “ J 冬 I 7为人采l 作 高强 J r 采 F 沿空顺槽 缒 构对照 b大采 r 作 I fl i 图 8 高强开采下顶板 结构特征 Fi g．8 Cha r a c t e r i s t i c s o f r o of s t r uc t ur e u nde r hi gh s t r e n gt h mi ni ng 由罔 8可以荇I t ， 相比于一般采高 r 作而， 大采高 采 直接顶I 落后小能较好的允填采 区 綦水顶 火f 址 块也发 卜 垮 垮落岩块 l { 脱离火键块 A， 导敛 父键块 A ⋯ 卜 载 减小 ， 父 从 A 怂 K 增 』 J J J 比r罔8 a r t 1 的饺接结{ f 『 ， 【 冬 【 8 b t I 1 } f } 顺槽化 煤 仆尢法将悬惜的城衙转移刮采 I x ， f { } 槽处煤体 ， J I 载倚较 人 此 ， 高强J l 采 卜 沿 顺槽 力集I I 度卡 j { 比一般采离 l 作面会 人 3 卸压 支护方案与检验 3 ． 1 卸压支护对策及设计 为了降低滑- 憎的应 力集r f 1 提 ⋯煤 内 J l 卸压巷道的l叟护 l f 策 ， 将单煤 廊力峰值改 造为多煤 杜多峰值 可以有效 的将 个高成 力分 敞 ， 均摊到 大支承 j - ， 配合合卵 的支护 ， 提高 煤 的支撑效率 ． 卸 机理及效果 ， 如图 9所永 } 1| l E || ． 2 图 9 预掘巷道卸压机理 Fi g．9 Re l i e vi ng me c hani s m o f r oa dway i n a dv an c e 支护方案 l 0所示、 常规毪 帮支护 钏 I 增加 个锚索群 ， 铺索 贯穿于整个煤_1 } ， 端 分别 Ⅲ定在删风巷道和卸 巷道的巷 锚索端头采』 f J 钢 托舷 金 网『 占 1 定方式 ， K度 5 ． 5 t ” 锚 什 的长 度 2 ． 4 n l ， 2 2 I l l IT l 3 8 2 黑龙江科技大学学报 第2 7 卷 图 1 0 支护方案 F i g ． 1 0 S u p p o r t s c h e me 3 ． 2支护方案现场检验 由图 1 l 顶底板移近量曲线可知， 卸压后巷道变形 量有效的得到控制， 最大变形量不超过2 5 0 m i l l ， 且在距 离工作面 4 0 m外的部分变形量较小， 不超过5 0 m l n 。 因此 ， 卸压控制技术能有效维护巷道， 维护煤柱。 宣 宣 趟 到工作面的距离， m 图 l l 顶底板移近量 曲线 Fi g．11 To p an d bo t t o m a ppr o a c h 4 结 论 1 随着采高增大， 工作面前方煤体 中应力集 中程度增大 ， 应力峰值前移 ， 应力升高区范围增大。 沿空顺槽受相邻采空区影响应力集中程度进一步增 加 ， 尤其端头附近应力远大于煤体及围岩强度 。 2 深部开采除了应力本身较大外 ， 高强 开采 作用下沿空顺槽覆岩相比普通工作面更容易引起应 力集中， 造成巷道维护困难。 3 实践表明， 预掘巷道卸压 能有效利用煤柱 和支护设备 ， 提高支护难度 ， 巷道维护较好。 参考文献 [ 1 ] 何满潮 ， 谢 和平 ，彭苏萍 ，等．深部开 采岩体力学 研究 [ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 1 6 2 8 0 32 8 1 3 ． [ 2 ] 杨敬虎 ， 孙 少龙 ，孔德 中．高强 度开采 工作面矿 压显现 的面 长 和推进速度效应[ J ] ．岩土力学 ， 2 0 1 5 ， 3 6 s 2 3 3 33 3 9 ． [ 3 ] 弓培 林 ，靳钟 铭．大采 高综 采采 场顶 板控 制力学 模 型研 究 [ J ] ．岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 8 ， 2 7 1 4 5 8 4 6 2 ． [ 4 ] 谢和平 ，张泽天 ，高峰 ，等．不同开采方式下煤岩应力场 一 裂隙 场 一渗流 场行 为研 究 [ J ] ．煤炭 学报 ，2 0 1 6，4 1 1 0 2 4 0 52 4 l 7． [ 5 ] 邬爱清 ， 朱杰兵．深部岩石工程 力学特性及地 应力测 试研 究 综述[ J 】 ．长江科学 院院报 ， 2 o 1 4 1 0 2 63 8 ． [ 6 ] 弓培林 ， 靳钟铭．大采高采场覆 岩结构特征及 运动规律研 究 [ J ] ．煤炭学报，2 o 0 4 1 1 2 81 3 2 ． [ 7 ] 王维维 ， 李凤义 ，兰永伟．切顶卸 压沿空 留巷技术 研究及 应 用 [ J ] ．黑龙江科技 大学学报 ， 2 o 1 4， 2 4 1 7 8 8 O ． [ 8 ] 兰永伟 ， 孙广义．深部巷道底板锚杆支护数值模 拟[ J ] ．黑 龙 江科技学院学报 ， 2 0 1 0 ， 2 0 6 1 5 81 6 2 ． 编校李德根