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不同顶煤综放开采变形机理及控制研究

2024-08-10 32 上传者：管理员

摘要：针对不同顶煤情况下综放开采顶板变形破坏现象，文章从理论分析、数值计算和现场试验三个方面，对煤巷的围岩应力状况和变形破坏模式进行研究。研究结果表明：综放开采采空区侧煤巷的变形破坏，在纵向和水平方向上均表现为非对称破坏模式，不对称变形是在强行开采情况下，围岩受力条件不均匀所导致。

关键词：
不对称变形
侧煤巷围岩
煤矿
综放开采
采空区侧煤巷
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随着煤炭开采技术的快速发展，厚煤层的大规模开采已成为煤矿实现高效高产的关键手段。由于多重开采，采空区侧煤巷围岩的力学环境呈现不均匀分布的特点，并表现出特定的非对称破坏状态，对于综放开采的采空区侧煤巷，顶煤层厚度代表着顶板岩层移动状态。

我国煤矿巷道围岩控制的难点是软岩、强行开采导致的变形。巷道围岩的控制与塑性区有很大关系，巷道围岩塑性区的发育程度直接关系到巷道支护结构的形态、刚度和强度。张开元等人对巷道围岩塑性区理论进行研究，分析了巷道围岩应力的非均匀演化规律和塑性区分布特征。王世凯等人从应力和围岩破坏的不均匀性角度，对巷道的矿井压力进行了有效的研究，特别是针对采空区边煤巷的变形问题，也采用了各种有效的研究方法。

本文以采空区侧煤巷为研究对象，通过对巷道围岩的变形特征、力学环境和非对称变形进行分析，对采空区边煤巷围岩不对称控制的理论和实际应用进行研究和探索。

1、工程背景

本文的研究背景是晋能控股煤业集团马道头煤矿8404综放工作面，研究的煤层为5号煤层，平均厚16.35 m,可采走向长为4 137 m,倾向长220 m.煤层结构复杂，一般含1～8层夹矸，夹矸总厚度0.14～5.58 m,平均2.04 m.煤层倾角1°～12°.该工作面煤层伪顶为泥岩，厚0.47 m,水平层理发育易风化。直接顶为砂质泥岩，厚0.74 m.老顶为中粗砂岩、含砾粗砂岩，厚6.83 m.直接底为泥岩，厚0.47 m.老底为粉砂岩、泥岩，厚7.33 m,灰白色，粉砂质。

由于该工作面煤层厚度较大，且工作面在推进开采过程中，顶煤厚度变化也较大，工作面及两巷矿压显现较明显。巷道变形沿垂直和水平方向均呈现“双向”不对称破坏特征，主要表现为顶板沉陷和底鼓。具体变形特性如下：①沿垂直方向，煤柱侧顶板的下沉量远大于实体煤侧，煤柱侧顶板的破碎严重，从最大底鼓的分布位置来看，主要分布在煤柱侧；②沿水平方向，水平顶板的挤压运动导致钢带严重弯曲。钢梯出现弯曲，锚索脱落，形成明显的挤压断裂区。两侧沿水平方向出现大面积移动，煤柱侧肩角区域煤体异常破碎，钢丝网明显失效。

2、巷道围岩应力环境分析

2.1顶板破裂位置与顶煤层厚度的相关性分析

根据开采条件，巷道的不对称变形特征与顶板煤层厚度有直接关系。随着前盘区回采，主顶板周期性破碎、旋转、下陷，导致采空区回采失败，形成横向的斜梁结构。这种结构很容易受到采矿的影响。由于该地区顶煤层厚度变化较大，主顶板裂隙对煤柱巷道的影响呈指数增大趋势。

为了分析两者之间的关系，采用钻孔观测装置对主顶板破裂位置进行监测。

2.1.1观测方案及站场布置

在煤巷的4个典型断面设置观测站，这些断面围岩变形分别是较好、较差、中等和严重，前面顶板的垮落带厚度分别为10.4 m、6.2 m、8.1 m和9.2 m,各观测点分布，如图1所示。以巷道中心线为顶板边界，将边界两侧的顶板定义为煤柱顶板和实心煤顶板，根据巷道中心线等间距钻孔，分别在煤柱侧顶面和实体侧顶面设置5个钻孔。受采矿的影响，顶板破裂或下沉时，其破裂面不会变得光滑平整。在水平剪力、垂直压力和顶板岩层各方向运动的作用下，纵向和横向裂缝演化为裂隙带、离层、径向位错和裂隙组，从而确定顶板主裂缝位置。

图1顶板钻孔布置示意

2.1.2观察结果分析

当顶煤厚度为10.4 m时，顶板主破裂线位于采空区侧，距离煤柱边缘-0.75 m;当顶煤厚度为6.2 m时，顶板主破裂位置在固体煤侧，距离煤柱边缘30.35 m;当顶煤厚度为8.1 m时，主顶板破裂线位于巷道上方，距离煤柱边缘27.68 m;当顶煤厚度为9.2 m时，主顶板破裂线位于煤柱上方，距煤柱边缘12.3 m.从以上数据可以看出，随着前盘区的垮落带厚度增加，主顶板断裂线位置向采空区侧移动，在一定的垮落带厚度范围内，随着垮落带厚度的增加，巷道变形越来越严重。当顶煤厚度达到极限时，巷道围岩处于有利状态。

2.2巷道围岩不对称变形的内在原因

典型断面的钻孔观测结果表明，围岩的非对称变形破坏与顶板煤层厚度密切相关。其主要原因是不同的顶煤层厚度导致采空区充填程度不同，主顶板岩层旋转程度不同，导致巷道围岩应力环境不均匀。这种不均匀的围岩应力环境是巷道不对称变形破坏的内在原因。如图2(a)所示，当前盘区垮落带厚度较小时，顶板主破裂线位于实体煤上方。由于直接顶板岩层的破碎和膨胀作用，可以对采空区进行充填，减小主顶板岩层的破碎和挠度。随着顶煤层厚度的增大，顶板断裂线位置向采空区侧移动，如图2(b)和图2(c)所示，采空区充填程度较差，主顶岩层旋转程度较大，煤壁支撑关键块体的影响越来越小，围岩变形加剧。屈服厚度增加到一定程度时，如图2(d)所示，主要屋顶的旋转程度增加，导致局部应力集中在岩石块铰链，创建塑性状态的岩石，导致整体的不稳定结构，此时断裂线在采空区侧，巷道围岩已恢复到初始应力状态。

图2不同顶煤层厚度下的主顶板断裂线位置

3、非对称变形机理的数值模拟分析

3.1数值模型的建立

为了更直观地了解非对称变形破坏的形成原理，采用FLAC3D数值模拟软件对煤柱巷道周围的应力环境进行建模和分析。顶煤层的厚度分别对5 m、7 m、9 m和11 m的巷道围岩进行了数值模拟。岩石力学参数的获取过程如下：首先，对煤体和岩体进行物理力学实验。由于岩样是在实验室中进行处理，与原始地质环境完全分离，所测力学参数与实际情况不符，需要进行修正。单轴抗压强度为实验室试验结果的0.284倍；煤岩岩体的弹性模量、黏合力和抗拉强度约为室内试验结果的0.1～0.25倍，泊松比约为室内试验结果的1.2～1.4倍。综合以上研究结果，煤岩体的弹性模量、黏合力和抗拉强度为室内试验结果的0.2倍，泊松比为室内试验结果的1.2倍。在室内试验结果的基础上，得到了数值模拟所需的煤岩体参数。

考虑到开采过程中支承压力的影响范围，确定模型左侧至巷道的边界为50 m,根据右侧工作面长度建立模型。模型采用Mohr-Coulomb破坏准则，展示出采空区侧煤巷的非对称应力分布特征和围岩变形特征。

3.2数值结果模拟分析

围岩不对称变形与顶煤层厚度和顶岩层的旋转水平挤压有关。为了研究水平应力的不对称分布规律，沿巷道顶板向上2 m间隔设置水平测线，巷道顶板水平应力分布规律如图3所示。

分析如下：

1)在一定的崩落厚度范围内，水平应力降低，浅屋顶部分的煤柱实体煤深、水平应力基本上呈现降低的趋势，屋顶煤柱一侧的压力总是高于实体煤一侧的压力，应力分布不均匀。随着垮落带厚度的增加，巷道围岩应力分布的不均匀性越来越明显。在不均匀水平应力的连续作用下，容易造成煤柱侧顶板的破碎，如图3(a)所示。当超过极限崩落厚度时，如图3(d)所示，巷道顶板应力减小，顶板应力分布不明显。

2)从巷道顶板向上，水平应力发生突变，突变位置随着顶煤层厚度的变化而变化。当顶煤厚度为5 m时，水平应力突变点距顶板5～6 m;顶煤层厚度为7 m时，水平应力突变点距顶板7～8 m;顶煤层厚度为9 m时，水平应力突变点距顶板9～10 m;顶煤层厚度为11 m时，顶板水平应力突变点距顶板11～12 m.当顶煤厚度增加时，突变位置逐渐转移到屋顶位置，突变位置均在煤岩界面附近，上下接口的水平应力差异在突变位置增大，导致上下地层的运动是沿着夹层水平滑动，使得不对称顶煤层压力作用在巷道对称支护上，必然导致巷道的不对称破坏。

图3不同顶煤层厚度巷道顶板水平应力的分布规律

4、结语

1)综放开采煤柱巷道围岩变形受到强行开采时是不对称的，围岩应力的不均匀性是造成不对称变形破坏的主要原因。

2)在一定的垮落带厚度范围内，随着垮落带厚度的增加，主顶断裂线位置由实体煤侧向采空区侧移动，但当达到顶煤层最大厚度时，主顶板沿煤柱边缘发生失稳，巷道围岩应力恢复到初始应力状态。

3)巷道原有支护结构具有一定的对称性。对称支护结构受到的非对称外力时，极大地降低了其承载能力，不能保证围岩的协调变形。

文章来源:吴玉泉.不同顶煤综放开采变形机理及控制研究[J].煤,2024,33(08):95-97.