緩斜煤層群采動影響下底板軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性控制.pdf

1、我國不少礦區(qū)都存在底板軟巖巷道受近距離煤層群采動影響的問題，特別是受跨采影響的高應力軟巖巷道圍巖變形破壞機理復雜，支護問題日益突出，圍巖穩(wěn)定性控制十分困難。近距離煤層群采動影響下底板軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性控制實質(zhì)上是高應力重復作用下的軟巖巷道支護問題，這也一直是困擾我國煤礦生產(chǎn)和建設的難題之一。因此，對底板軟巖巷道的變形破壞特征及其受重復采動影響的圍巖穩(wěn)定性控制機理進行研究，不僅具有重要的理論意義，而且具有重要的工程應用價值。
　　

2、 本文以川南煤業(yè)魯班山北礦為工程背景，綜合應用室內(nèi)試驗、現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析和數(shù)值模擬手段，測定了試驗礦井原巖應力、煤系地層煤(巖)物理力學參數(shù)、煤層底板軟巖的蠕變特性及本構(gòu)關(guān)系、受不同采動影響下底板上山松動圈的厚度。數(shù)值分析了緩斜近距離煤層群開采條件下支承壓力分布規(guī)律以及在底板巖層中的傳播規(guī)律；分析了在煤層群跨采影響下現(xiàn)有底板上山的布置及支護存在的問題。理論研究了在高應力軟巖巷道超大松動圈條件下，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護可能形成錨桿與圍巖的組

3、合拱以及錨索與圍巖的加固拱，即“雙拱”，分析了“雙拱”的作用機理，提出根據(jù)松動圈厚度設計錨網(wǎng)索的支護參數(shù)，現(xiàn)場測試了一采區(qū)回風上山按“雙拱”設計加固后，在重復采動影響下的礦壓顯現(xiàn)。論文主要成果如下：
　　 (1)根據(jù)松動圈圍巖穩(wěn)定性分類方法對礦井底板巷道圍巖進行了分類，得出試驗礦井一采區(qū)回風上山在不受采動影響時主要為Ⅱ～Ⅲ類圍巖，即較穩(wěn)定和一般穩(wěn)定圍巖；受煤層群跨采影響后主要為Ⅳ～Ⅴ類圍巖，即一般不穩(wěn)定圍巖(軟巖)和不穩(wěn)定圍巖(

4、較軟圍巖)。根據(jù)上山圍巖的礦物成分、所受應力狀態(tài)、巖石強度等，將其劃分為準高應力軟巖。
　　 (2)結(jié)合一采區(qū)回風上山巷道變形的過程特征，論文對試驗礦井底板軟巖(砂質(zhì)泥巖)進行了蠕變特性試驗及蠕變力學模型研究：通過單軸實驗得到巖石的全應力-應變曲線，在應力-應變的各個階段上分別選取不同的應力水平進行蠕變實驗；根據(jù)加載應力水平產(chǎn)生的蠕變差異，建立了砂質(zhì)泥巖的經(jīng)驗本構(gòu)方程和蠕變力學模型。其研究成果可應用到魯班山北礦軟巖巷道支護優(yōu)化設

5、計中，為軟巖巷道支護設計作補充和完善。
　　 (3)利用聲發(fā)射Kaiser效應測試巖體地應力的原理、方法及彈性力學理論，得出了試驗礦井285運輸聯(lián)絡巷、三采區(qū)+450m裝車石門處的原巖應力值，研究表明，礦區(qū)地應力場主要以構(gòu)造應力場型為主，自重應力場型為輔；最小主應力值接近上覆巖層所形成的自重應力且各主應力值均為壓應力。為建立數(shù)值模型提供了應力邊界條件。
　　 (4)應用數(shù)值模擬方法對煤層群支承壓力分布規(guī)律的研究，得出了如

6、下規(guī)律：
　　 沿走向首采煤層工作面前方支承壓力隨工作面的推進而以相同的應力波形不斷向前傳播，工作面前方應力峰值隨著工作面的推進而逐漸增大。重復一次及重復二次開采過程中，工作面前方均形成了應力“雙峰”曲線，其中工作面前方第一應力增高區(qū)應力小而集中，影響范圍較小，第二個應力增高區(qū)寬而平緩，應力影響范圍較大；沿傾斜方向在工作面采空區(qū)兩側(cè)形成了應力單峰曲線，其中采空區(qū)下側(cè)煤體的應力集中系數(shù)小于工作面上側(cè)煤體應力集中系數(shù)，但其應力集中程

7、度略高，影響范圍也略大。
　　 (5)應用數(shù)值模擬方法對煤層群底板應力分布規(guī)律進行了研究，得出了如下規(guī)律：回采工作面煤體下的σy等應力線呈泡形并斜向于工作面前方，采空區(qū)下方巖層的σy等應力線呈橢圓狀，隨著工作面的推進，位于煤層底板的原巖應力區(qū)、應力增高區(qū)、應力降低區(qū)這3個區(qū)將不斷向前移動，對下部煤層開采及巷道維護有直接影響。沿走向8＃煤層回采工作面前后支承壓力在底板巖層中傳播的動壓影響范圍為35m；沿傾斜方向8＃煤層回采工作面采

8、空區(qū)兩側(cè)支承壓力在底板巖層中傳播的靜壓影響范圍為45m。
　　 (6)應用數(shù)值模擬方法對跨上山回采的合理停采煤柱位置及尺寸進行了研究，研究表明，采用2＃、3＃、8＃煤層停采煤柱分別為10m、20m、20m的內(nèi)錯式布置方案比較合理，在8＃煤層煤柱下方底板巖層影響范圍為35m，據(jù)此來設計底板巷道布置位置，可以避免或減輕煤柱支承壓力對巷道圍巖的破壞。
　　 (7)分析了煤層群采動影響下軟巖巷道圍巖變形破壞特征與軟巖巷道穩(wěn)定性控

9、制機理。2＃、3＃煤層由于距離底板上山較遠，其跨采對上山圍巖穩(wěn)定性影響小；底板上山圍巖穩(wěn)定性在與8＃煤層工作面水平距離-40m　　 (8)圍繞軟巖巷道圍巖松動圈厚度與錨桿組合拱、錨索加固拱厚度之間的關(guān)系，建立了跨采動壓軟

10、巖巷道預應力錨桿錨索雙拱支護體系。通過把錨索加固拱內(nèi)緣與錨桿組合拱外緣相連，而加固拱外緣位于未受破壞的穩(wěn)定巖體中，并將松動圈的邊界置于加固拱的中部，以此來改變內(nèi)部巖體的應力狀態(tài)，阻止松動圈邊界巖體進一步向深部變形破壞，使松動圈厚度穩(wěn)定下來，從而使巷道的變形量穩(wěn)定下來。根據(jù)軟巖巷道圍巖松動圈厚度來確定錨桿組合拱厚度、錨索加固拱厚度及支護相關(guān)參數(shù)，以此來控制采動對軟巖巷道圍巖穩(wěn)定的影響。并把該支護體系應用于礦井巷道支護工程實踐，錨網(wǎng)索噴聯(lián)合