近距离煤层采空区下回采巷道变形过程浅析
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煤矿开采中巷道变形的影响因素作用分析发布时间:2022-10-24T02:39:45.803Z 来源:《新型城镇化》2022年20期作者:刘浩[导读] 煤矿巷道一般是在工程性质相对较差的沉积岩系中构筑相对稳定的地下通道,往往在采动应力作用下出现大变形,严重制约了煤矿安全生产。
山东泰山能源有限责任公司协庄煤矿巷修工区山东新泰 271200摘要:井下巷道围岩在巷道掘进过程中的稳定性直接决定了井下巷道掘进效率和安全性,随着煤矿综采作业深度的不断加大,大深度巷道掘进作业过程中所面临的矿压波动和应力集中问题突出,特别是在围岩强度低、破碎明显的区域,围岩变形严重,给井下综采作业安全带来了严重的隐患。
在弱胶结软岩巷道掘进的过程中,围岩的层理结构及侧压力系数对巷道的变形具有直接的影响,针对变形的影响因素进行模拟仿真分析,从而针对性的进行巷道支护,减小巷道的变形。
关键词:煤矿开采;巷道变形;影响因素;有效措施中图分类号:TD82 文献标识码:A引言煤矿巷道一般是在工程性质相对较差的沉积岩系中构筑相对稳定的地下通道,往往在采动应力作用下出现大变形,严重制约了煤矿安全生产。
回采巷道作为采区的重要组成成分,担负着运输、回风及通行的重要作用。
然而,开采中回采巷道受到“三高一扰动”等影响易产生冲击地压、大变形等非线性动力学灾害。
高强开采中巷道断面随着采煤机、掘锚机、液压支架等机械尺寸的不断增大,特别是大断面开切眼二次掘进过程中先掘部分变形剧烈、回采过程中端头支护处易产生底鼓、炸帮等。
加剧了巷道的矿压显现,回采巷道的围岩控制问题一直是阻碍我国煤炭工业可持续发展的因素之一。
1 围岩变形机理通过对井下地质状况的勘探,导致深井高应力软围岩破坏的原因主要是复杂的变形力机制引起的,第一种是由于高地应力导致的变形,其变形的机制是应力扩容型(IIABCD)。
第二种是油液围岩软弱、强度低导致的,其变形机制为结构变形(IIIBC)。
第三者是大断面效应引起的,其变形机制为结构变形(IIIE),在三种变形机制的作用下,导致了深井高应力软围岩在工作过程中发生负复合型变形。
近距离煤层群开采回采巷道合理布置位置理论分析针对多次采动影响下近距离煤层群开采回采巷道围岩控制的问题,通过理论分析近距离煤层群开采条件下下部煤层回采巷道应布置于上部开采煤层实体煤侧下方的原岩应力区或采空区侧下方的卸压区中。
上部煤体开采后,在回采空间周围煤体上产生集中应力,该应力向底板深部传递,使底板岩层在一定范围内重新分布应力,在上部22201工作面采空区侧距22201工作面煤壁11.7m处为应力集中区和卸压区边界,下部煤层开掘回采巷道应在大于11.7m处的回采巷道处于卸压区。
标签:采动影响;近距离;煤层群;巷道布置;理论分析0 引言对于煤层群开采,随着煤层间距离减小,上下煤层间开采的相互影响会逐渐增大,特别是当煤层间距很近时,下部煤层开采前顶板的完整程度已受上部煤层开采损伤影响,其上又为上部煤层开采垮落的矸石,且上部煤层开采后残留的区段煤柱及一侧采空的煤体在底板形成的集中应力,导致下部煤层开采区域的顶板结构和应力环境发生变化。
从而使下部煤层开采与单一煤层开采相比出现了许多新的矿山压力现象。
而回采巷道的矿山压力显现尤其明显,由于应力传递规律特殊,矿压显现的时空关系复杂,造成巷道围岩变形量大,支护困难,特别是当回采巷道布置与各煤层开采的时空关系不合理时,这种现象尤其严重。
因此,研究近距离煤层群下部煤层回采巷道布置及围岩控制技术,对于近距离煤层群的安全高效开采具有重要意义。
1 工程概况某煤矿井田走向长22km,倾斜宽4.5~8km,面积约135km2。
全井田地质储量2252.28Mt,工业储量2013.72Mt,可采储量1275.74Mt。
设计生产能力3.0Mt/a,后经过技术改造生产能力提升为5.0Mt/a。
矿井以两个水平开拓全井田,一水平开拓山西组2、3、4、5号煤,水平标高+400m,二水平开拓太原组6、8、9、10号煤。
矿井目前生产水平为+400m水平。
矿井北翼2、3+4、5号煤层属于近距离煤层群,24208工作面为北二采区第八个沿煤层倾向布置的长壁式回采工作面。
近距离煤层群采煤工作面下巷道的矿压观测摘要:近距离煤层群开采过程中最大的难题是回采巷道的布置问题。
目前极近距离煤层群开采中所遇到的主要难题是上部煤层开采后下部煤层开采及下部煤层开采后上部煤层开采的巷道布置及其围岩控制。
对于近距离煤层开采,当煤层层间距离较大时,上部煤层开采后对下部煤层的开采影响程度很小,其矿压显现规律、开采方法受上部煤层开采影响较小。
当煤层间距很近时,下部煤层开采与单一煤层开采相比出现了许多新的矿压显现。
在极近距离煤层群开采的过程中,仍存在许多技术难题。
近距离煤层开采时由于采掘接替及其他影响,在上煤层开采时下煤层布置巷道时,其采煤工作面采动影响对巷道造成的变形程度决定了上下煤层的采掘关系。
关键词:近距离煤层群采煤工作面下巷道矿压观测威鑫煤矿在2020年11采区北翼四区段1108 工作面下布置1146掘进工作面。
1146掘进工作面主要受采空区形态、顶板岩体结构和采空区规模等因素影响。
1146巷道围岩变形性特征观测、数据收集分析,对类似采掘进工作面布置提供依据。
1工作面概况:煤层,采用走向长壁后退式一次性采全高采煤方法,全1108工作面主采C20部垮落法处理采空区。
煤层中沿煤层顶板掘进,采用1146机巷布置在11 采区四区段北翼,沿C24下锚网索联合支护作为永久支护方式。
上距C煤层平均法线距离11.84m;1146机20巷上覆1108工作面正在回采。
巷道进入采空区下时,主要受上覆采煤工作面采动影响。
2巷道矿压观测点布置:通过在1146掘进巷道内布置矿压观测点,进行矿压观测、数据收集分析,确定1108工作面回采过程中,工作面和采空区对底板巷道围岩受力及变形的影响特征。
1146掘进工作面布置1#、2#、3#、4#、5#5个测点。
采用钢丝式多点位移计,在1146机巷矿压观测测点附近顶板完整处,采用锚索钻机垂直顶板岩层施工10m 长钻孔,安设多点位移计。
多点位移计基点深度分别为 2m 、4m 、6m 、8m 、10m ,观测顶板上方10m 范围内的岩体相对位移。
煤矿开采中巷道变形的影响因素作用分析发布时间:2022-10-31T01:59:33.359Z 来源:《工程管理前沿》2022年第13期作者:马跃[导读] 煤炭是中国能源供应的主要形式。
马跃陕西省榆林市府谷县庙沟门镇涌鑫公司安山煤矿陕西榆林 719407摘要:煤炭是中国能源供应的主要形式。
随着我国东部地区煤炭资源的不断开发利用,煤炭资源逐渐减少。
西北部煤炭储量丰富,目前开采利用率低。
西北地区煤矿区的成岩作用时间相对较短。
煤层底板以弱胶结软岩为主,如粉砂岩、碳质泥岩和中细砂岩。
岩层的机械强度较低,遇水时容易膨胀和泥泞,胶结性差。
在这种煤岩下开采煤时,在巷道开挖过程中,大断面软岩容易产生围岩大塑性变形范围,复合顶板下沉导致巷道弯曲破坏。
针对巷道开挖过程中引起巷道变形的主要因素,采用模拟分析方法分析其变形效应,为巷道支护提供参考,有针对性地开展巷道支护,减少巷道变形,确保煤矿安全生产。
关键词:煤矿开采;巷道变形;影响因素;作用1巷道崛起技术概述巷道上升技术对煤矿开采具有重要意义,也是关键技术之一。
巷道上升对矿山也有积极影响,采矿巷道的数量将越来越多。
在我国,开展巷道崛起主要有三种方式:一是悬臂挖掘机,在我国应用广泛,应用时间相对较长。
第二种是使用连续采矿机和杆式瞄准钻机,其应用有限,在蒙古通常使用较多。
三是挖掘和锚固单元的挖掘和锚固一体化的兴起。
这种方法尚未正式投入使用,仅在一些矿区进行了测试。
2巷道围岩变形分析模型的建立对引起巷道变形的影响因素作用进行仿真分析,在岩土工程数值模拟的软件中,选用FLAC3D对工作面巷道的变形破坏进行数值模拟。
FLAC3D能够对岩石、土质及其他的三维受力结构进行准确的模拟,特别是针对岩层的弹塑性破坏进行准确的模拟,在岩土工程界具有广泛的应用,适用于对巷道的变形进行分析。
以某正在开采中的弱胶结软岩巷道为例对巷道的变形进行分析,煤层的埋深为540m,侧压力系数为1.2,对引起巷道变形的因素进行分析,设定模型的大小为100m×20m×100m(长×宽×高),巷道的断面尺寸为5.6m×3.6m,是大断面巷道,对于巷道的变形更加敏感,建立巷道的模型。
回采巷道底鼓的形变分析及处理方法作者:赵亮来源:《中国化工贸易·下旬刊》2020年第01期摘要:煤矿巷道支护中经常遇到巷道底鼓的变形问题,巷道是煤矿行人和运输的主要通道,底鼓变形会带来一系列的问题,巷道能通行的面积会缩小,支护作用降低,无法通风,安全也无法得到保证,严重的底鼓现象会使整个巷道无法使用,重修巷道会影响运输的速度,浪费建筑材料。
对于底鼓的处理,各个国家都在研究,发现底鼓主要是由两个方面的因素导致的,包括巷道自身的情况和巷道周围岩石的质地。
从中也获得了一些新的发现,得出了新的治理方法,但是对巷道底鼓的研究是无止境的。
本文简单介绍一下回采巷道底鼓形变的原因和一些处理方法。
关键词:回采巷道底鼓;形变分析;处理方法1 回采巷道底鼓的认识不论是国内还是国外,都有专家对底鼓的现象做过专门的研究,并且发表过一系列的文章。
康红是我国著名的煤炭专家,他是从数学逻辑运算着手的,底板不稳定,导致地板周围的岩层向地板弯曲,是底鼓形成的原因之一。
何用年、贺正昌也是研究煤矿回采巷道底鼓想象的专家,他们二位是从实验着手去研究的,实验得出结论认为,巷道底鼓是由两帮岩柱传递顶板压力,两帮围岩在挤压底板的同时一起下沉,底板在严重挤压变形的情况下发生断裂,然后出现底板隆起即底鼓。
德国的奥顿哥特通过运用相似材质模型模拟实验观察底鼓的全过程,他理解的巷道底鼓是因为,两帮岩柱在垂直应力的作用下完整性被破坏,后来巷道底板在水平应力作用下向巷道间鼓出。
2 回采巷道底鼓的形变分析2.1 巷道底鼓的分类2.1.1 膨胀性底鼓日常用水和顶板都可以让巷道发生底鼓,掘进的时候和回采的过程这些时间段为是产生底鼓的外在条件。
有了水,底板就会膨胀,围岩和底板的的质量变低,给底板留下了膨胀的空间,底鼓就形成了。
蒙脱石黏土型岩层也会经常发生这种现象,它是软弱岩石的一种,这种岩石不能沾水,沾的水越多,接触水的时间越长,岩石就会越大,越来越疏松。
第二章沿空巷道围岩变形破坏机理及稳定性分析巷道围岩变形破坏是巷道失稳的外在表现,研究沿空巷道变形破坏机理是研究巷道失稳的前提与基础。
因此,本章通过通过理论分析、数值模拟结合现场观测研究沿空巷道围岩变形破坏特征,归纳出其影响因素,为研究沿空巷道失稳机理及巷道控制技术打下基础。
2.1沿空巷道围岩应力分布规律巷道表面位移、破坏表现为巷道顶底板及两帮的变形破坏,在沿空掘巷围岩结构中小煤柱的变形失稳是整个巷道变形失稳的重点,围岩结构的应力变化引起巷道的变形,因此有必要对沿空掘巷的围岩结构的应力变化进行深入分析。
有研究表明,沿空掘巷在掘进及回采期间巷道围岩应力表现出一定的规律性[24-27]。
(1)顶板①垂直应力在巷道的掘进期间,由于破坏了巷道原来的应力平衡状态,引起应力重新分布。
垂直应力沿着顶板层面呈现非均匀状态,巷道中部的垂直应力明显较低,而在煤帮附近应力较高,这是因为由于巷道开挖形成了类似于压力拱的结构存在。
在巷道从掘进到稳定期间,垂直应力在整个层面上都有不同程度的降低,这就造成了顶板的变形主要发生在中浅部围岩,且优以顶板的中部破坏严重。
②水平应力在受到本工作面采动影响时,水平应力有明显的上升。
顶板中应力的明显上升,由于压曲作用的存在,致使巷道中垂直应力增大,顶板将在大范围内下沉和变形。
(1)小煤柱帮掘巷前靠近上工作面采空区部分为破碎区,靠近巷道部分为原来承受高压的弹性区与塑性区,掘巷后煤体应力急剧降低,发生破坏而卸载,产生向巷道方向的位移。
①垂直应力在小煤柱与巷道顶板的交界处,垂直应力呈现基本一致性,靠近采空区一侧的煤体因破坏而卸载,应力水平较低。
靠近巷道一侧煤体应力相对较高,垂直应力明显集中,受回采时影响达到最大值。
②水平应力沿小煤柱宽度方向,应力分布呈现明显的区域性,从靠近采空区侧依次分为破裂区、塑性区和弹性区。
具体见图2-1,在煤柱两侧存在破裂区,应力承载能力小。
在巷道掘进及稳定期间,水平应力沿煤柱高度方向上的分布呈现一致性,应力集中程度较低,在受本工作面采动影响时,在煤柱高度范围内水平应力均有不同程度增加的趋势。
探析沿空留巷工作面留巷巷道变形控制方法摘要:沿空留巷是当前国内煤矿开采中常见的无煤柱开采技术,其实质是通过采取一定的措施把回采巷道保留下来,以便于下一区段的工作面使用。
沿空留巷具有提高资源回收率、降低巷道掘进量、缓解工作面接替紧张状态、延长矿井服务年限、实现矿井Y型通风等优点,是我国煤炭安全高效开采的关键技术之一。
本文对沿空留巷工作面留巷巷道变形控制方法进行分析,以供参考。
关键词:沿空留巷;留巷巷道;变形控制引言通过对我国某地区一处煤矿开采工作面的现状进行了分析和考察,整个巷道内部的基础结构完好,巷道的顶部和边缘区域受到的变形压力不是非常严重,局部区域的突起比较严重,采取了底部落道的加固方法,靠近墙体边缘区域通过单根工字钢来进行支护,并且个别的锚索结构已经完全失效,通过后续的补充加固处理来防止出现不稳定性问题。
1沿空留巷作为一个持续性的工程,沿空留巷的工程周期可划分为三个阶段:①留巷初期,巷道开挖阶段至工作面回采前;②留巷中期,即随着工作面回采,开始留巷至留巷结束;③留巷末期,下一个工作面开始回采至所留巷道报废。
但目前大多数的研究工作都是围绕留巷中期对巷道稳定及矿压显现的控制而展开,对留巷后期巷道的使用及修复工作的研究进行得较少。
在留巷后期,随着下一个工作面的推进,之前所留巷道随着工作面的回采,再次受到采动压力的影响,会发生较大的变形和破坏。
因此,为了满足留巷末期下个工作面的运输、通风等需求,必须对所留巷道变形部分进行有针对性的修复,以确保在留巷后巷道断面能够满足基本使用要求。
2沿空留巷支护设计分析2.1巷道设置概述巷道设计矩形断面,净宽5.2m,净高2.7m,净断面14.04m2。
支护方式为沿煤层底板布置,采用锚网索支护。
巷道内南帮上部铺设动力电缆,信号电缆,监测、监控电缆,监测、监控电缆悬挂在动力电缆上方,间距≥10cm。
南帮下部铺设DN50压风管、DN75静压防尘管和25.4cm排水管,北帮上部吊挂抽放管路。
近距离煤层开采围岩破坏规律分析随着煤炭资源的日益枯竭,近距离煤层开采成为了一种常见的煤炭开采方式。
对于近距离煤层开采而言,围岩破坏问题一直备受关注。
近距离煤层开采围岩破坏规律的分析对于确保煤矿生产安全、提高矿山经济效益具有重要意义。
本文将对近距离煤层开采围岩破坏规律进行深入的分析,希望可以为相关研究和生产实践提供一定的参考。
一、围岩破坏形式近距离煤层开采围岩破坏通常表现为岩体松散、离层破碎、断裂变形等现象。
在采煤过程中,围岩会受到巨大的压力和变形作用,从而导致破坏。
围岩的破坏形式主要有以下几种:1. 松散破坏:围岩受力后出现松散状态,失去原有的完整结构,易发生坍塌和变形。
2. 离层破坏:围岩内部产生断裂和异向性破碎,围岩岩体出现裂隙,影响围岩的整体稳定性。
3. 变形破坏:围岩受到巨大的压力和拉力后,产生变形,如岩体弯曲、挤压等现象,使得围岩原有的结构发生破坏。
以上破坏形式在近距离煤层开采中都可能出现,而且它们之间通常是相互影响、相互作用的。
1. 应力场分析在近距离煤层开采过程中,由于采煤压力、岩层变形、矿压等因素的作用,使得煤层周围的围岩受到了复杂的力学作用。
煤层开采的过程中,煤岩和围岩之间的相互作用会导致围岩应力场的变化,形成不同的应力状态。
这些应力状态会直接影响到围岩的破坏和变形。
2. 煤岩和围岩的相互作用3. 围岩内部结构特点围岩的内部结构特点直接影响了围岩的破坏和变形。
在近距离煤层开采中,围岩的结构通常是非均质、非连续的,因此在采煤过程中易发生断裂和破坏。
岩体的裂隙、孔隙等结构特点也会对围岩的稳定性产生一定的影响。
1. 煤层开采对围岩的影响2. 围岩破坏的演化规律围岩破坏通常是一个动态演化的过程,破坏的程度会随着采煤的进行而不断加剧。
在初期阶段,围岩主要是受到了一定程度的应力和变形作用,但随着采煤的推进,围岩的破坏会逐渐扩大和加剧。
3. 围岩破坏的控制策略为了减轻围岩的破坏,需要对围岩的破坏规律进行深入分析,制定合理的控制策略。
浅谈马口煤矿极近距离煤层采空下开采设计[摘要] 对马口煤矿极近距离煤层采空下开采设计进行分析,并通过生产实践总结出一套可靠的采掘安全保障系统,形成了一套完整的极近距离煤层采空下开采技术,对近距离煤层开采具有指导作用,具有广阔的推广应用前景。
[关键词] 极近距离煤层;采空区下;巷道布置;开采技术。
马口煤矿404盘区13#-1层于2010年底开采结束,为保证盘区正常接替,必须开采404盘区下部13#-2层。
404盘区13#-1层与13#-2属极近距离煤层,层间距不稳定。
我矿从科学合理的盘区开采设计到首采面13#-2层8402工作面掘进、开采的成功完成,总结出宝贵的理论基础和实践经验,形成一套完整的极近距离煤层采空下开采技术。
1、盘区概况13#-2层404盘区所处的开采水平为1185水平,上部13#-1层均已回采结束,盘区走向长度1161m,倾斜长度480—615m。
煤层厚度1.8m~3.1m,平均厚度2.6m,煤层倾角1°—5°,平均3°,13#-1和13#-2煤层层间距1.0m~2.5m,平均2m。
404盘区内地质构造复杂,有陷落柱2个,断层分布较密集。
13#-2层顶板为砂岩,层理、节理发育,稳定性差,掘进和回采时顶板不易维护,易发生冒顶事故。
2、开拓方案说明2.1 盘区巷道布置13层盘区8402综采工作面顺槽巷道采用内错距布置方式。
如图1所示。
2.2上下顺槽内错距的确定13#-2层受上覆13#-1层采空区及层间距的影响,根据上部采空区塌落稳定后采空区及巷间煤柱的压力传递范围,选择13#-2层工作面与13#-1工作面内错式布置。
根据顺槽平巷矿山压力显现规律,13#-2层顺槽在其与13#-1层层间距确定的情况下,应布置于压力的传递影响角以外,压力影响角与煤层倾角、层间岩石性质有关,一般情况下当煤层倾角小于250时,压力影响为250~450,13#-2层上覆13#-1层煤层倾角一般为10~60,所以上下顺槽内错距应按水平煤层压力影响范围公式计算:L≧H·tgθ式中L ——上下顺槽内错距,米;H——13#-2与13#-1层间距,米,取2米;θ——压力影响角,度,取35°。
煤矿回采巷道变形破坏机理及其加强支护【摘要】对煤矿回采巷道变形破坏的现状做了描述,分析了造成这种现象的原因,并对回采巷道的加强支护提出了建议。
标签回采巷道;变形破坏的机理;加强支护形式选择前言采煤工作面向前推进过程中,机、风两巷的变形与破坏直接影响着工作面及其两巷机电设备的迁移和采煤工作面的正常推进。
平煤集团六矿回采巷道的变形破坏,长期困扰着矿井的正常生产,并一度使多个工作面处于半停产或停产状态。
为维护巷道所投入的工作量,使全矿蒙受了巨大的经济损失,同时也给工作面的安全工作造成了重大隐患。
因此,对工作面机、风两巷变形破坏的机理进行研究,找出恰当的加强支护方法,对矿井降低吨煤成本,提高劳动生产率,实现安全生产具有十分重要的现实意义。
1 回采巷道变形破坏的现象、特点1.1 回采巷道变形破坏的现象回采巷道变形破坏主要表现为巷道支架的不规则变形和巷道断面的缩小,支架顶梁被压弯折断,棚腿被挤入巷道或压入底板,巷道出现底鼓,工字钢梯形支架呈为倒梯形,并出现所谓的爬行巷道。
此种现象严重阻碍着巷道内机电设备的外移、物料的运输,为保证采面正常生产,往往需要对巷道进行扩帮、卧底、出渣、架设新支护,消耗很多人力物力和时间。
1.2 回采巷道变形破坏的特点(1)在同一巷道内,采用拱形支架支护比采用工字钢支架支护效果要好得多,巷道无明显变形或变形不严重。
(2)从巷道围岩稳定性看,布置在单一煤层,一次采全高、见顶见底、顶底板岩性坚硬、煤层稳定的回采巷道,容易保持完好,在生产过程中,基本不需进行加固或翻修。
而布置在地质条件较复杂的煤层中的机风巷,维护工程量都比较大。
(3)布置在上分层的回采巷道比布置在下分层锈结假顶的回采巷道容易保持完好。
(4)在巷道一侧采空区和两侧均为实体煤相比,前者明显比后者容易变形破坏,而后者则能长期保持完好。
(5)在同一巷道内,受到采动影响的区段比其它区段的巷道更容易变形破坏。
2 回采巷道变形破坏的机理为什么会发生上述现象,是什么原因导致巷道的变形破坏,如何从中找出它的规律和相应措施并加以克服是下面所研究的内容。
近距离煤层煤柱及采空区下综采工作面矿压规律研究对浅埋近距离综采工作面过上覆房采采空区和集中煤柱时易发生动压事故,并导致大面积切顶压架事故的问题,该煤层开采引起覆岩变形破坏、岩体弹性能聚集造成冲击式来压和压架机理、地表移动规律和井下矿压规律关系等进行了研究,针对性地采取了残留煤柱爆破放顶卸压、地面钻孔注砂充填煤房和合理控制采高等控制和预防措施,实现了工作面的安全高效生产。
标签:煤层;房柱式采空区;事故随着我国煤矿开采深度的逐渐增加,许多矿井上部煤层已开采殆尽,面临着上下层开采问题。
当煤层间距较小时,上部煤层的采动会对下煤层顶板造成一定范围的损伤影响,导致下煤层工作面在上部采空区和遗留煤柱的影响区域内出现应力集中、矿压显现剧烈等情况,影响了下煤层的生产安全。
顶板不易形成稳定的结构,基本顶破断运动有可能直接波及地表,工作面出现明显动载现象;顶板破断易于出现台阶下沉,严重时有可能造成压架事故;上覆煤层的残留煤柱形成较大的应力集中,可能突然失稳,或造成冲击式来压,对下部近距离煤层综采顶板管理造成安全隐患。
本文采用相似材料模拟、数值模拟、现场井上下实测方法,以该煤矿煤层首采长壁综采工作面为研究对象,研究下部煤层综采工作面开采后顶板的垮落特征、上部煤层残留煤柱的破坏规律以及对下层煤工作面的影响等,为房柱式采空区下近距离煤层综采工作面顶板控制和支护参数的合理确定提供依据。
一、煤层开采模拟试验本试验采用平面模型,模型模拟试验表明:当工作面推进38.4 m时,层间岩层下分层突然发生离层垮落,离层面范围为33.6 m,工作面继续推进,层间岩层基本在架后随采随冒,煤层煤柱与层间岩层一起垮落充填采空区。
当工作面推至67.2 m 时,基本顶离层并下沉,直接作用煤柱上,形成稳定的砌体梁结构,垮落层厚达8m,为工作面初次来压。
工作面初采期间,顶板的周期来压步距、强度较大。
工作面正常推进期间,上覆岩层依次周期性下沉,周期来压平均步距10m,当支架支撑力小时,有出现台阶下沉现象。
近距离煤层采空区下回采巷道变形过程浅析
摘要:近距离煤层采空区下回采巷道,由于工作面开采过后受
侧向支承压力和采动的影响较大,因此,研究巷道及支护体发生变
形破坏的过程,分析倾斜煤层巷道静压条件下变形破坏的主控因
素,为分析支护对策和优化支护参数提供科学依据。
关键词:近距离煤层 回采巷道 巷道变形
1 概述
采用midas/gts和flac3d大型的有限差分软件[1],以93下05
工作面上顺槽为分析对象,建立93下05工作面上顺槽地质工程模
型和常规锚网支护(南屯矿较为常用)力学模型,研究巷道及支护
体发生变形破坏的过程,分析倾斜煤层巷道静压条件下变形破坏的
主控因素,为分析支护对策和优化支护参数提供科学依据。
2 计算模型的建立
为了详细了解93下05工作面上顺槽巷道开挖后的应力、应变
分布情况,本研究根据巷道赋存地质情况及巷道实际形状、大小,
针对常规锚网支护方案,利用midas/gts软件和有限差分软件
flac3d建立了三维实体模型,来进行开挖后的动态模拟。
巷道几何模型、地质界面的生成均在midas/gts中完成,网格
划分后保存单元和节点几何信息,然后通过excel处理后转化为
flac3d的前处理数据格式,在flac3d中采用import grid命令导
入这些数据之后生成的网格模型见图2.1~2.2所示。
常规支护方案的工程地质力学模型和支护工况模型:
常规支护方案的模型由六面体单元构成,计算范围长×宽×高
=55m×12m×30m,共划分69800个单元,75030个节点。该模型侧
面限制水平移动,底部固定,模型上表面为应力边界,施加的荷载
为前期分析巷道合理布置位置计算出的荷载。采用shell单元模拟
钢筋网,采用cable单元模拟左旋等强螺纹钢锚杆单元,并采用fish
语言编辑程序模拟锚杆的受力特性。材料破坏符合mohr-coulomb
强度准则。将采空区冒落的矸石考虑为一种松散介质。宏观上它对
顶板支承的力学作用可近似地用弹性支承体表示。然而,随着工作
面的推进,矸石在覆岩作用下逐步被压实,材料的密度ρ、弹性模
量e和泊松比μ随时间的推移而增加。ρ、e和μ的变化规律参考
已有文献的研究成果[3],由以下经验公式计算:
ρ=1600+800(1-e-1.25t) (kg/m3)
ε=15+175(1-e-1.25t) (mpa)
μ=0.05+0.2(1-e-1.25t)
式中:时间t的单位为a,以上几式反映出ρ,e和μ 随时间
呈指数变化关系,最终达到恒值。根据各工作面停采时间,9307采
空区、93上05采空区、93上03采空区的时间t值分别取7.0a、
4.8a、2.6a。
3 常规支护方案模拟结果分析
3.1 位移场分布规律分析 从巷道位移可以看出,采用矿用常规
支护的巷道在掘进期间位移量较大,其中最大顶板下沉量达到
359mm,底臌量达到137mm,顶底相对位移量达到596mm;煤柱一侧
的帮部最大位移量达到380mm,工作面一侧的最大位移量也达到
151mm,两帮移近量达到531mm,巷道片帮严重,且煤柱侧帮部变形
量明显大于工作面侧的帮部变形量。采用矿用常规支护巷道在掘进
期间围岩变形量比较大。变形的特点呈现出顶板下沉量和煤柱侧帮
部位移量相对较大,由于受到应力集中及岩层结构效应的影响,顶
板下沉和底臌具有明显的非对称性,巷道煤柱侧帮部位移量较工作
面侧帮部位移大的多,巷道变形呈现出非对称变形破坏特征,且巷
道围岩变形呈现整体收缩的特点。
3.2 应力场分布规律分析 巷道掘进后,巷道两帮形成垂直应力
集中区,尤以煤柱侧应力集中程度最为明显,垂直应力集中系数达
到3.96,巷道顶板沿岩层倾斜方向形成水平应力集中区,在两个帮
角和顶板两侧深处形成剪应力集中区,顶板剪应力集中程度较大。
与普通岩石大巷不同的是,在煤柱侧帮部出现剪应力集中区,相应
地引起了煤柱的塑性区的扩大及剪胀破坏的发生。巷道周边围岩应
力集中使得顶板和煤柱侧帮部的变形较大。
3.3 破坏场分布规律分析 近距离煤层采区下巷道的破坏是一
个复杂的变形过程,巷道开挖后围岩应力状态在原采动引起的集中
应力分布下实现小范围的重新分布,塑性区进而得以进一步发展。
93上05工作面回采后,3上煤层的底板损伤严重,出现部分塑性
区;9307工作面由于回采时间较长,底板塑性区恢复弹性工作状态,
工作面帮部由于受到3上煤柱集中应力的影响,仍处于塑性工作状
态。巷道掘进后,由于实施支护后支护体与围岩未能实现耦合作用,
无法充分发挥支护作用,围岩自身状况也在不断恶化,首先在围岩
表层发生破坏,并逐步向围岩深部扩展,造成93上05工作面和9307
工作面煤柱塑性化程度进一步提高,巷道顶板和煤柱侧帮部塑性区
扩展并与之前形成的塑性区贯通,裂隙发育程度加剧,巷道的稳定
性无法得到控制,最终将发展到破坏失稳。
3.4 支护体受力分析 给予锚杆施加6t的预紧力,当围岩变形
到一定程度时,支护体最大受力达到13.5t,此时围岩的变形仍在
发展,且锚杆发生严重的弯曲变形,支护体不能与围岩实现协调变
形,当围岩变形到一定程度,裂隙岩体不能提供给锚杆锚固段足够
的粘结作用力时,锚杆会脱离岩体而失去应有的支护作用和对围岩
的约束和控制作用,围岩由三向受力状态变为单向或双向受力状
态,围岩变形加剧,最终导致巷道失稳。
4 结论
通过上述对数值模拟结果的分析,研究巷道位移场的变化、塑
性区的产生和扩展过程以及支护体受力的变化,发现近距离煤层巷
道在矿用常规支护工况下,变形破坏是一个渐变的恶性循环的过
程:
巷道开挖→围岩应力状态改变→浅部围岩变形未能有效控制,
浅部围岩出现塑性松动圈→顶板岩体开始滑移→帮部煤岩体垂向
和水平位移同时增加→底板塑性区煤岩体开始滑移,底板开始向巷
道内鼓起→围岩塑性松动圈逐步扩展转移至深部,塑性区与顶板及
帮部已形成的塑性区连结,裂隙贯通→顶板岩层加速失衡→帮部岩
体垂向和水平位移加剧→底板塑性区逐步扩大,底臌不断增大→加
剧顶板和帮部变形→支护体失效,直至巷道最终破坏。
参考文献:
[1]刘波,韩彦辉.flac原理、实例与应用指南.北京:人民交通
出版社,2005.
[2]n mohammand,the relation between in situ and laboratory
rock properties used in numeritc modeling,int,j,rockmech,
min, sci,1997,34(2),289-297.
[3]王金安,谢和平,m,a,kwasniewski.建筑物下厚煤层特殊
开采的三维数值分析,岩石力学与工程学报,1998,18(1),12-16.
作者简介:金思德(1973-),男,毕业于山东科技大学,现在
兖州煤业公司南屯煤矿防冲办工作。