基于裂隙演化的双巷掘进区段煤柱 承载特性研究

来源: 未知 作者:paper 发布时间: 2020-05-17 15:24
论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:工程硕士
1绪论 1Introduction 1.1项目背景及研究意义(Research Background and Significance) 在煤矿生产中,回采巷道及工作面的推进都会引起开采空间周围煤体及岩层 的应力扰动,在巷道及工作面附近产生
1绪论
1Introduction
1.1项目背景及研究意义(Research Background and Significance)
在煤矿生产中,回采巷道及工作面的推进都会引起开采空间周围煤体及岩层 的应力扰动,在巷道及工作面附近产生应力集中,这种由回采及掘进产生的应力 都被称为采动应力或二次应力⑴叽回采巷道及工作面之间的接替关系及布置形 式会影响采动应力的大小及出现位置。采动应力作用引起的上覆岩层的失稳及顶 板垮落,这是煤矿生产活动中区别与其他工程最突出的特点吐讥
目前,长壁工作面回采巷道的主要布置方式分为单巷布置、双(多)巷布置 和沿空留巷布置⑹。当煤层赋存比较稳定时,回采巷道通常为单翼布置,在相邻 回采工作面回采完毕之后,采空区上覆岩层稳定之后,开始掘进下一个工作面的 回风顺槽,为了缓解采掘接替紧张的问题,许多矿井会选择跳采的方式,这样会 导致留下一个孤岛工作面。随着开采深度的加大,高瓦斯矿井也越来越多,当工 作面长度比较长时,单巷布置的通风及运输问题日益明显,为了消除瓦斯危险, 提高生产效率,许多矿井开采采用双巷的布置方式E叭
双巷布置方式虽然能够解决顺序单翼开采的采掘接替紧张的问题,但是,这 种布置方式最大难题就是不仅要考虑区段煤柱在本工作面回采过程中的承载及 裂隙扩展扩展问题,而且还要考虑下一个工作面回采过程中煤柱承载特性及巷道 支护问题,保留下来的巷道既要受到本工作面回采时采空区上方岩层垮落产生的 侧向支承应力和超前支承应力,同时还要受到下一个工作面回采过程中的支承应 力的影响[1M5]o因此,在本工作面回采过程中,后方采空区上覆岩层破断失稳过 程中,煤柱的承载特性及围岩变形破坏规律如何演化是双巷煤柱宽度研究的关键 问题。以高河煤矿3号煤层W1309和W1310工作面以及两者之间的煤柱作为研 究对象,结合理论计算、数值模型模拟、现场勘察观测等手段,展开基于裂隙演 化的双巷掘进过程,一次工作面回采时期、二次工作面采动过程中不同煤柱尺寸 条件下煤柱内部的应力分布规律、裂隙扩展特征、巷道稳定性演化特征,进而为 解决高河煤矿3号煤层双巷掘进工作面区段煤柱宽度留设与巷道围岩控制问题 提供系统的理论及技术支撑,同时也为类似双巷布置工作面煤柱合理尺寸及巷道 围岩稳定控制提供借鉴意义。
1 • 2 国内外研究现状(Research Status at Home and Abroad) 1.2.1双巷掘进上覆岩层结构及稳定性分析
双巷布置工作面回采巷道掘进完成之后,巷道会受到两个工作面开采接替的 位置和时间关系上的采动影响,巷道围岩的应力特点以及巷道变形规律,和传统 的单巷布置巷道相比在很多方面都不同[16'17]o双巷回采巷道主要受到本工作面回 采过程中采空区后方上覆岩层破断失稳过程中产生的侧向支承应力及超前支承 应力,随着本工作面的不断回采,工作面后方的采空区上方的顶板岩层会逐渐垮 落,基本顶岩层初次来压表现为断裂形式,周期来压是发生在基本顶岩 层断裂以后沿着工作面走向方向上保持“砌体梁”的特点维持稳定状态,因此工 作面的端头区域内出现了 “弧形三角板结构”。弧形三角板的断裂、回转以及下 沉,采空区上方顶板岩层空间上的断裂位置和运动特点都会对双巷布置煤柱的留 设宽度产生很大的影响。众多研究成果发现,伴随着本工作面的向前推进回采, 弧形三角板结构的原有稳定状态以及运动特点均出现特别大的不同点,通过直接 顶板岩层和双巷布置的方式进行留巷,弧形三角板结构的运动特点对于双巷布置 工作面巷道围岩的稳定状态及煤柱裂隙扩展都有很大的影响[18'21]o针对双巷布置 上覆岩层结构及维护方式,国内外对留巷上覆岩层的稳定特征,上覆岩层的活动 特征都做了大量的研究。
侯朝炯、李学华[22T]根据综放工作面沿空掘巷煤柱及巷道围岩的变化特征, 提出了采空区上覆顶板岩层的“大-小结构”的观点,“大结构”是指基本顶岩 层沿着倾斜方向形成的能够保持沿空掘巷小煤柱围岩稳定的结构。“小结构”是 指巷道区域内的锚杆锚索支护构件及其与围岩形成的锚固系统。基本顶板岩层在 工作面端头位置产生的弧形三角板结构作为沿空掘巷上方的关键块体,详细分析 了关键块在巷道不同阶段的稳定特点,提出了关键块在各个阶段都能保持稳定进 而为沿空掘巷提供很好的外部应力环境状态。“小结构”的稳定性主要受大结构 稳定状态的影响,同时“小结构”的稳定还与窄煤柱承载特征、锚杆支护系统稳 定性及围岩特点有关系,阐明了提高锚杆支护系统的预紧力和支护构件强度对保 持沿空掘巷围岩稳定有重要的影响作用。
张东升冋借助物理相似模拟的手段以及数值计算模拟,讨论了综放工作面 回采巷道上方基本顶岩层断裂位置、断裂特点、不同支护形式对于顶板岩层活动 的影响规律,并对巷旁充填支护参数进行了分析,确定了使用锚杆(索)网整体 支护的方式能够保证综放工作面回采巷道围岩的稳定状态。
高富强等狞26】提出运用UDEC-Trigon方法评判综放工作面垮落特征,提出 的Trigon模型被写入UDEC中,通过分析裂隙的产生及扩展规律来确定地层的 垮落过程,在模型中渐进垮落的许多特征都能够重现,并且与鲁尔煤田案例研究 中的实测数据相吻合。
李国栋等[勿根据新元煤矿3414工作面具体生产地质条件为研究背景,首先 建立了 UDEC-Trigon数值计算模型,分析了在不同支护形式下沿空留巷充填体 上方岩层破断形式,研究断裂特点对于巷道围岩稳定状态的影响作用,通过数值 模拟结果得到了,沿空留巷围岩主要表现为剪切裂隙,充填体区域的顶板岩层主 要表现为张拉裂隙明显发育,因此它是沿空留巷围岩稳定控制的薄弱区域,当选 择合理的充填体宽度及支护形式时,沿空留巷下位顶板岩层能够及时沿着充填体 外边缘破短,限制了实体煤帮内剪切裂隙的继续扩展,提高了巷旁充填体以及实 体煤帮承载结构稳定能力。
张源曲在研究不稳定覆岩条件下沿空掘巷围岩稳定特征及控制技术时,首 先借助矿用钻孔窥视仪现场勘察不稳定覆岩条件下沿空掘巷上方顶板岩体的裂 隙扩展特点,引入了 “测量的基本尺度-裂隙扩展数”的裂隙记录方式,根据此 指标对上方顶板岩体进行了对比分析,讨论了裂隙的分布及演化特点。研究结果 表明,不稳定覆岩条件下沿空掘巷上方顶板岩层中的主要裂隙发育特点是:纵向、 横向裂隙,纵向裂隙主要分布在沿空掘巷上方的顶板岩体中,横向裂隙主要分布 在煤柱帮顶板上方岩层总,随着时间的推进,纵向裂隙会逐渐标为断裂区域,横 向裂隙会逐渐离层和径向方向错动,这二种裂隙互相扩展很容易出现异常破碎区 域,因此,不稳定覆岩条件下沿空掘巷围岩变形破坏的主要影响原因是上覆岩层 的破断、回转以及下沉和错动。
2岩体力学参数测试及Trigon模型参数修正
2Measurement of Rock Mechanics Parameters and
Parameter Modification of Trigon Model
2.1煤岩物理力学参数测试(Measurement of physical and mechanical parameters of coal and rock)
2.1.1煤岩体试样准备工作
高河煤矿试验工作面W1310、W1309,这两个工作面准备采用双巷布置方 式,在研究双巷布置煤柱承载特性时需要进行对试验区域范围内的顶板岩层、底 板岩层以及煤层等各分层的力学特性进行测试,其中需要抗压强度测试岩样9 组,单轴抗拉强度测试岩样9组,抗剪强度(内聚力,内摩擦角)测试岩样9 组,总计27组。
2.1.2煤岩体试件单轴抗压强度测试
试验区域内的煤岩体试件进行标准单轴抗压强度测试,试件的变形破坏对比
图见图2-1〜2-3。煤层试样、直接顶试样以及直接底板试样的标准单轴抗压强度 力学试验结果如表2-1所示。
  
3高河煤矿双巷掘进煤柱承载特性研究
3Study on Bearing Characteristic of Double Roadway Driving Pillar in Gaohe Coal Mine
3.1 煤柱宽度理论计算(Theoretical calculation of coal pillar width)
3.1.1极限平衡理论建立窄煤柱力学模型
在建立窄煤柱的力学模型时,为了计算方便把邻近采空区的煤柱内塑性区深 度的问题简化为平面上的应变问题。那么,在工作面回采完成之后,窄煤柱内由 于受到上覆顶板岩层的运动在煤柱内部出现塑性破坏区,它与未发生破坏的弹性 状态的煤体存在一个交汇面,这个面的位置位于兀=為处,在这个位置上的应力方 程式是:
4现场施工及矿压观测
4On-site Construction and Rock Pressure
Observation
4. 1双巷掘进巷道围岩控制技术方案优化(Optimizing Technical Scheme of Surrounding Rock Control in Double Roadway Driving)
基于裂隙演化的双巷掘进区段煤柱承载特性研究,确定了高河煤矿W1309 进风顺槽与W1310回风顺槽合理区段煤柱宽度为12 mo W1310回风顺槽为矩形 断面,净宽5.2 m,净高3.9 m,采用锚网索支护方式:
顶板锚杆选择是0 22 mm> L2200 mm左旋螺纹钢材质锚杆,锚杆的间排距 分别选择是800 mm、900 mm,每一排共布置7根锚杆,顶板锚杆安装时必须与 巷道顶板水平面保持垂直,其中顶板的两个帮角位置的锚杆需要保持向帮部倾斜 15°的夹角向顶板上方安装;所有锚杆都必须安装减摩和球形垫圈等支护配件, 其中托盘大小选择是边长为150 mm,厚度为10 mm,形状选择是正方形,锚杆 安装时向钻孔内放入1根CK2335、1根Z2360矿用锚固剂,CK2335在前,Z2360 在后。锚杆锚固力不得小于150 kN,扭矩不小于300 N Mo在锚杆安装过程中, 巷道的顶板需要铺设型号是8#的菱形金属网,网片的尺寸是:长度5400 mm, 宽度1000mm,两个金属网片之间的交叉重叠长度是100mm。
顶板锚索选择是①21.6 mm、L6300 mm的矿用锚索,打在两排锚杆中间, 锚索的布置方式是“三二三”的形式,顶板锚索安装时必须与巷道顶板水平面保 持垂直,锚索排距是1800mm,所有锚索都必须安装锁具、减摩和球形垫圈等支 护配件,托盘大小选择是边长为300 mm,厚度为16 mm,形状选择是蝶形,锚 索安装时向钻孔内放入1根CK2335、2根Z2360矿用锚固剂,CK2335在前, Z2360在后。
两帮锚杆选择是①20 mm. L2200mm的左旋螺纹钢材质锚杆,锚杆的间排 距分别选择是800 mm. 900 mm,每一排共布置5根锚杆。锚杆安装时必须与巷 道两帮竖直面保持垂直,其中帮部的两个顶底角位置的锚杆需要保持向顶底板方 向倾斜15。的夹角安装,所有锚杆都必须安装减摩和球形垫圈等支护配件,其 中托盘大小选择是边长为150 mm,厚度为10 mm,形状选择是正方形,锚杆安 装时向钻孔内放入1根CK2335、1根Z2360矿用锚固剂,CK2335在前,Z2360 在后。锚杆锚固力不得小于120 kN,扭矩不小于300 N Mo

煤柱帮锚索使用018.9 mm、L4300 mm的矿用锚索,锚索沿巷道走向三花 布置,间距为1600 mm,排距为900 mm,托盘大小选择是边长为300 mm,厚 度为16 mm,形状选择是蝶形,锚索安装时向钻孔内放入1根CK2335、1根Z2360 矿用锚固剂,CK2335在前,Z2360在后。
巷道两帮需要铺设型号是8#的菱形金属网,网片的尺寸是:长度4100 mm, 宽度1000mm。两个金属网片之间的交叉重叠长度是100mm。锚杆支护参数如 图4-1所示。

5结论
5Conclusions
以高河煤矿W1310双巷掘进工作面为研究对象,借助UDEC-Trigon数值模 型的手段分析了双巷掘进时期、两次工作面回采过程中的不同煤柱尺寸煤柱内应 力、裂隙扩展和围岩变形特征演化规律,确定了双巷布置合理煤柱宽度及W1310 回风顺槽的锚杆(索)支护参数,并在高河煤矿工程实践中得到了成功应用,主 要结论如下:
(1)岩体力学参数测试及Trigon模型岩体力学参数修正,通过实验室岩体力 学参数测试,确定了高河煤矿煤岩样的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度,为了使 Trigon模型中岩体参数尽可能接近物理问题的实际参数,对室内试验得到的岩石 块体参数进行校正,确定了校正以后岩体参数理论大小。
(2)基于裂隙演化规律全动压过程煤柱承载特性分析,掘进期间,随着区段 煤柱宽度的增大,煤柱内垂直应力峰值逐渐增大,煤柱内剪切裂隙的扩展深度逐 渐减小,巷道围岩的变形量也逐渐减小。确定了掘进期间合理区段煤柱宽度为7 〜20 m。在W1309 I作面回采期间,当煤柱宽度为10〜12 m时,煤柱处于侧向 支承压力叠加的应力降低区,煤柱内垂直应力峰值略有增大,但接近原岩应力, 煤柱内存在裂隙闭合区,煤柱处于塑性承载状态。二次回采期间,具有塑性承载 能力的12m的典型煤柱宽度下,超前距离分别为10m、30m、50 m时,煤柱内 垂直应力峰值分别为14.5 MPa、15.5 MPa、15.0 MPa,煤柱内垂直应力峰值略 有增大但接近原岩应力,煤柱内裂隙闭合区最小长度为1.65m,两帮移近量最大 值为450mm、顶底板移近量最大值为400mm,处于塑性承载状态的12m煤柱在 二次回采期间承载能力较好,容易保持稳定。
(3)W1310回风顺槽顶锚杆用①22 mm、L2200 mm左旋螺纹钢锚杆,间距排 距800x900 mm,顶锚索①21.6 mm、L6300 mm进行补强。两帮锚杆用①20m、 L2200 mm左旋螺纹钢锚杆,间排距800x900 mm,煤柱帮用①18.9mm、L4300 mm 加强支护。在掘进期间,W1310回风顺槽顶底板和两帮变形量最大值分别为: 80 mm. 140 mm,巷道变形较小,在二次回采期间,巷道顶底板和两帮变形量最 大值分别为:375 mm. 480 mm,巷道围岩变形量在预计范围内,巷道围岩控制 效果较好。通过钻孔应力计监测分析,在掘进期间煤柱中部6 ni位置应力值最大 为12 MPa,在一次回采稳定以后,煤柱中部6 m位置应力值最大为14 MPa,在 本工作面回采超前30 m位置时,煤柱中部6 m位置应力值最大为16 MPa,表明 12 ni区段煤柱在全动压过程中具备良好的承载能力,巷道围岩容易保持稳定。