上下煤层同采影响下保留巷道围岩破坏机理与控制

发布时间：2020-09-08 17:55

　　保留巷道围岩变形破坏问题一直以来是巷道支护领域的研究重点和难点,巷道围岩的严重变形破坏阻碍了回采工作面的顺利推采,还带来了一系列的安全隐患例如冒顶事故、破断的锚杆锚索伤人事故等,给煤矿安全生产带来了巨大压力。保留巷道是工作面双巷布置中其中一条留下来为下个工作面服务的回采巷道,往往要受到两次甚至多次开采扰动影响,这类巷道围岩易出现严重的变形破坏现象。布尔台煤矿2-2煤与4-2煤一盘区的两个水平同时开采,上下两煤层的工作面和巷道重叠布置。煤矿投产初期,先开采上煤层工作面,紧跟着开采下层煤工作面,受叠加应力的影响,上层煤的保留巷道出现严重的底臌、顶板下沉及煤帮变形破坏,平均底鼓量达2.2m,该巷道因无法治理而报废,最后又重新开挖了一条巷道,严重影响煤矿安全生产。因此,针对这一问题,需要进行详细的分析研究。巷道围岩的塑性破坏是产生变形破坏的主要原因,塑性区的几何尺寸和形态决定了围岩的破坏特征和范围,因此,揭示保留巷道围岩的破坏机理就要研究分析巷道围岩塑性区的形成和发展规律。本文以神东矿区布尔台煤矿上下煤层同采影响下的保留巷道为工程背景,采用理论分析、现场监测、实验室试验、数值模拟和工业性试验等综合研究方法,从巷道围岩塑性区形成和发展的角度,对保留巷道的围岩变形破坏特征、采动应力的时空演化规律、保留巷道蝶形塑性区恶性扩展的破坏机理、支护阻力对围岩塑性区的作用机制、应力调控围岩控制技术方面进行了系统研究,取得了如下主要结论和创新成果:(1)通过表面位移、深基点位移和顶板钻孔窥视三种手段详细监测了布尔台煤矿22103回风巷的变形破坏特征,获得了保留巷道在不同影响阶段的围岩变形破坏规律。掘进期间保留巷道围岩没有变形破坏;同煤层一次采动期间保留巷道围岩出现轻微的浅部变形破坏,主要表现为滞后变形破坏,工作面前方巷道基本不发生变形破坏,工作面后方50m处巷道开始出现变形破坏,在工作面后方200m~450m范围内巷道变形破坏基本保持稳定;上下煤层叠加采动影响期间保留巷道围岩发生剧烈的变形破坏,超前工作面50m巷道开始发生变形破坏,随着工作面的推进,变形破坏程度逐渐加剧,巷道围岩变形破坏呈现“顶底大,两帮小”的特征,顶底板移近量最大可达2.2m,两帮移近量最大可达1.53m。(2)在布尔台煤矿22103回风巷进行了岩芯取样工作,并通过煤岩物理力学参数实验,得到了保留巷道顶板的岩层结构及其力学特性;顶板岩性主要为砂质泥岩和砂岩,砂质泥岩单轴抗压强度为19~26MPa,抗拉强度0.76~0.93MPa,砂岩单轴抗压强度为28~35MPa,抗拉强度0.83~1.41MPa,属于工程较软弱围岩,同时还得到了巷道顶板围岩的弹性模量及泊松比等参数。(3)以布尔台煤矿22102工作面为工程背景,通过FLAC~(3D)数值模拟研究获得了同煤层一次采动后采场周围应力场的分布特征与规律。工作面侧向0~3m范围处于高应力比值带,比值为1.7~5.7,工作面侧向11.25~30.75m范围处于低应力比值带,比值为1.26~1.3,预留20m煤柱时,保留巷道处于低应力比值带。保留巷道围岩应力场与工作面的位置有关,工作面前方与原岩应力场相比变化不大,工作面后方最大主应力逐渐增大,最大值为原岩应力的1.47倍,主应力比值变小,最大主应力与Z轴夹角由90°偏转到48°。(4)以布尔台煤矿22102工作面和42102工作面为工程背景,通过FLAC~(3D)数值模拟研究获得了上下煤层共同开采后上层煤采场周围应力场的分布特征与规律。受上下煤层工作面叠加采动影响,上层煤工作面侧向高应力比值带范围增大,由0~3m变为0~51.75m,最大主应力数值增大;预留20m煤柱时,保留巷道处于高应力比值带。保留巷道围岩应力场与下层煤工作面的空间对应位置有关,工作面前方0~50m范围处于低应力比值带,主应力比值为1.43~1.61,工作面后方50m~450m均处于高应力比值带,主应力比值为1.84~2.22,最大主应力与Z轴的夹角在39.7°~41.9°之间。(5)揭示了双向非等压条件下圆形巷道围岩塑性区形成的力学机制,获得了围岩粘聚力、内摩擦角、主应力比值、最小主应力数值以及最大主应力方向对圆形巷道围岩塑性区形态和几何尺寸的影响规律。围岩粘聚力和内摩擦角与塑性区尺寸成负相关关系,其数值越大,塑性区尺寸越大,塑性区形态越接近蝶形或为蝶形;围岩主应力比值和最小主应力数值与塑性区尺寸成正相关关系,其数值越大,塑性区尺寸越大,塑性区形态越接近蝶形或为蝶形;围岩塑性区具有方向特性,随着主应力方向的改变而发生偏转,蝶形形态的最大塑性区发生在最大最小主应力方向之间,椭圆形形态的最大塑性区发生在最小主应力方向。蝶形塑性区形成的最敏感因素为主应力比值。(6)以布尔台煤矿22102工作面为工程背景,通过FLAC~(3D)数值模拟研究获得了掘进阶段和同煤层一次采动阶段22103回风巷围岩塑性区的分布特征和规律。掘进期间,保留巷道围岩塑性破坏范围不大,顶底板围岩塑性破坏深度1.5m,两帮围岩塑性区破坏深度0.75m;同煤层一次采动后,工作面前方保留巷道围岩塑性区基本不发生变化,工作面后方保留巷道围岩塑性破坏深度逐渐增大然后趋于稳定,顶底板围岩塑性破坏深度2.25m,两帮围岩塑性破坏深度1.5m。(7)以布尔台煤矿22102工作面和42102工作面为工程背景,通过FLAC~(3D)数值模拟研究获得了上下煤层同采影响下22103回风巷围岩蝶形塑性区的形成及其发展规律,揭示了保留巷道围岩的破坏机理。下层煤工作面开挖后,工作面前方50m开始,保留巷道主应力开始增大,巷道围岩塑性区开始扩展;工作面后方50m之后,保留巷道处于高应力比值带,主应力数值也逐渐增大,开始出现蝶形破坏形态蝶并迅速扩展,工作面后400m处,主应力趋于稳定,围岩塑性区范围处于稳定,此时塑性破坏最为严重,顶板塑性破坏深度7.5m,底板塑性破坏深度4.5m,底板塑性破坏范围极大与煤柱帮塑性区连通,煤柱帮塑性破坏深度3m,煤壁帮塑性破坏深度2.25m。(8)理论分析和数值模拟都证明了,虽然支护阻力与巷道围岩塑性区成正相关关系,但是工程实际中支护阻力与巷道围岩应力场数值相差悬殊,支护阻力对巷道围岩塑性区范围影响作用有限,特别是高应力环境,围岩塑性破坏范围较大的巷道,支护阻力所起得的作用很小。巷道围岩塑性区的大小主要受原岩应力场或叠加采动应力场控制,支护阻力基本无法改变这种围岩应力条件下形成的初始塑性区尺寸及形态。(9)通过FLAC~(3D)数值模拟分析了布尔台煤矿22103回风巷在三种不同支护阻力下的巷道围岩塑性区分布特征,每米1根Φ15.24×6500mm锚索、每米1根Φ15.24×6500mm锚索+1.5根Φ17.8×8000mm锚索、每米1根Φ15.24×6500mm锚索+5根Φ17.8×8000mm锚索三种支护条件下,顶板围岩最大塑性破坏深度都为7.5m,底板围岩最大塑性破坏深度都为4.5m,煤柱帮最大破坏深度都为3m,煤壁帮最大破坏深度都为2.25m,巷道塑性区基本一致。(10)由于支护阻力无法从工程尺度减小巷道围岩塑性区尺寸,所以上下煤层同采影响下保留巷道围岩控制的关键在于控制不规则蝶形塑性区的形成和发展。保留巷道围岩的蝶形变形破坏大多数是由于采动应力作用而产生的,因此,保留巷道围岩的控制思路为以应力调控为主,巷道支护和围岩加固为辅。针对布尔台煤矿工程技术条件,提出了改变煤柱尺寸和上下煤层工作面水平错距的应力调控技术,通过数值模拟分析,增大煤柱尺寸,能够减小主应力大小及比值,从而减少巷道围岩塑性破坏范围,当煤柱尺寸大于55m时,保留巷道围岩塑性区大幅度减小;增大上下煤层工作面水平错距,虽然最小主应力略有增大,但主应力比值减小,根据蝶形塑性区理论,巷道围岩塑性区范围也大幅度减小;当上下煤层工作面水平错距大于120m时,保留巷道围岩塑性区大幅度减小。(11)在布尔台煤矿2-2煤层和4-2煤层进行了工业性试验,通过增大两层煤工作面水平错距的应力调控手段来改善保留巷道围岩变形破坏严重的局面。加快2-2煤推采速度,减慢或暂停4-2煤工作面推采,当两煤层间隔一个工作面距离即水平错距为508m时,上层煤保留巷道围岩的变形破坏得到了有效控制,顶底板和两帮围岩变形量大幅度减小,该围岩控制技术为同类型巷道提供了良好的借鉴价值。
【学位单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD322
【部分图文】：

技术路线图,论文研究

论文研究技术路线图

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受叠加应力的影响，22103回风巷（上煤层保留巷道）受22102工作面及42102工作面双重采动影响，22103回风巷围岩变形破坏剧烈，顶板下沉、底板底臌、原有锚杆锚索支护失效、煤帮破碎鼓出、联巷密闭墙体损坏，如图2.2所示，平均底鼓量可达2.2m，因无法治理22103回风顺槽，最终报废；重新补掘进了22103辅助回风巷，新煤柱留设宽度45m。图 2.1 布尔台煤矿 2-2 煤与 4-2 煤工作面布置示意图Fig.2.1 Layout of 2-2 coal and 4-2 coal face in buertai mine20联巷22102工作面回风巷22101工作面回风巷22102工作面运输巷22101-2工作面布尔台矿22102工作面22101工作面运输巷22101-1工作面22103工作面回风巷22103工作面辅助回风巷8#硐室4#硐室1#硐室60L55L45L65L50L40L35L25L20L15L15L12L10L12L13L15L18L20L井下20L井下21L28L25L13L42102工作面运输巷42103工作面回风巷42101-2工作面42102-2工作面42101-1工作面42102-1工作面42102工作面回风巷42101工作面回风巷42101工作面运输巷

测量曲线,巷道表面位移,测量曲线,稳定期

4250 3.000 5.2004300 2.970 5.218由表2.1和图2.3分析可知，22103回风巷开挖后，2850m~4300m段巷道顶底板距离测量值为5.179m~5.248mm，两帮距离测量值为2.960m~3.050m，顶板和两帮的变形量都很小，巷道围岩表面没有发生变形破坏。巷道设计断面尺寸为5.2m×3.0m，测量值与原始设计值基本一致，因此，掘进扰动影响下，巷道围岩不发生变形破坏。

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