緩斜煤層群采動(dòng)影響下底板軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性控制.pdf

1、我國(guó)不少礦區(qū)都存在底板軟巖巷道受近距離煤層群采動(dòng)影響的問題，特別是受跨采影響的高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形破壞機(jī)理復(fù)雜，支護(hù)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(dòng)影響下底板軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性控制實(shí)質(zhì)上是高應(yīng)力重復(fù)作用下的軟巖巷道支護(hù)問題，這也一直是困擾我國(guó)煤礦生產(chǎn)和建設(shè)的難題之一。因此，對(duì)底板軟巖巷道的變形破壞特征及其受重復(fù)采動(dòng)影響的圍巖穩(wěn)定性控制機(jī)理進(jìn)行研究，不僅具有重要的理論意義，而且具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
　　

2、 本文以川南煤業(yè)魯班山北礦為工程背景，綜合應(yīng)用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論分析和數(shù)值模擬手段，測(cè)定了試驗(yàn)礦井原巖應(yīng)力、煤系地層煤(巖)物理力學(xué)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(dòng)影響下底板上山松動(dòng)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(hù)存在的問題。理論研究了在高應(yīng)力軟巖巷道超大松動(dòng)圈條件下，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)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(jī)理，提出根據(jù)松動(dòng)圈厚度設(shè)計(jì)錨網(wǎng)索的支護(hù)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了一采區(qū)回風(fēng)上山按“雙拱”設(shè)計(jì)加固后，在重復(fù)采動(dòng)影響下的礦壓顯現(xiàn)。論文主要成果如下：
　　 (1)根據(jù)松動(dòng)圈圍巖穩(wěn)定性分類方法對(duì)礦井底板巷道圍巖進(jìn)行了分類，得出試驗(yàn)礦井一采區(qū)回風(fēng)上山在不受采動(dòng)影響時(shí)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(yīng)力狀態(tài)、巖石強(qiáng)度等，將其劃分為準(zhǔn)高應(yīng)力軟巖。
　　 (2)結(jié)合一采區(qū)回風(fēng)上山巷道變形的過程特征，論文對(duì)試驗(yàn)礦井底板軟巖(砂質(zhì)泥巖)進(jìn)行了蠕變特性試驗(yàn)及蠕變力學(xué)模型研究：通過單軸實(shí)驗(yàn)得到巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在應(yīng)力-應(yīng)變的各個(gè)階段上分別選取不同的應(yīng)力水平進(jìn)行蠕變實(shí)驗(yàn)；根據(jù)加載應(yīng)力水平產(chǎn)生的蠕變差異，建立了砂質(zhì)泥巖的經(jīng)驗(yàn)本構(gòu)方程和蠕變力學(xué)模型。其研究成果可應(yīng)用到魯班山北礦軟巖巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)

5、計(jì)中，為軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)作補(bǔ)充和完善。
　　 (3)利用聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測(cè)試巖體地應(yīng)力的原理、方法及彈性力學(xué)理論，得出了試驗(yàn)礦井285運(yùn)輸聯(lián)絡(luò)巷、三采區(qū)+450m裝車石門處的原巖應(yīng)力值，研究表明，礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)主要以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)型為主，自重應(yīng)力場(chǎng)型為輔；最小主應(yīng)力值接近上覆巖層所形成的自重應(yīng)力且各主應(yīng)力值均為壓應(yīng)力。為建立數(shù)值模型提供了應(yīng)力邊界條件。
　　 (4)應(yīng)用數(shù)值模擬方法對(duì)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(jìn)而以相同的應(yīng)力波形不斷向前傳播，工作面前方應(yīng)力峰值隨著工作面的推進(jìn)而逐漸增大。重復(fù)一次及重復(fù)二次開采過程中，工作面前方均形成了應(yīng)力“雙峰”曲線，其中工作面前方第一應(yīng)力增高區(qū)應(yīng)力小而集中，影響范圍較小，第二個(gè)應(yīng)力增高區(qū)寬而平緩，應(yīng)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(yīng)力單峰曲線，其中采空區(qū)下側(cè)煤體的應(yīng)力集中系數(shù)小于工作面上側(cè)煤體應(yīng)力集中系數(shù)，但其應(yīng)力集中程

7、度略高，影響范圍也略大。
　　 (5)應(yīng)用數(shù)值模擬方法對(duì)煤層群底板應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了如下規(guī)律：回采工作面煤體下的σy等應(yīng)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(yīng)力線呈橢圓狀，隨著工作面的推進(jìn)，位于煤層底板的原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)這3個(gè)區(qū)將不斷向前移動(dòng)，對(duì)下部煤層開采及巷道維護(hù)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(dòng)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(yīng)用數(shù)值模擬方法對(duì)跨上山回采的合理停采煤柱位置及尺寸進(jìn)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(cuò)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(shè)計(jì)底板巷道布置位置，可以避免或減輕煤柱支承壓力對(duì)巷道圍巖的破壞。
　　 (7)分析了煤層群采動(dòng)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(jī)理。2＃、3＃煤層由于距離底板上山較遠(yuǎn)，其跨采對(duì)上山圍巖穩(wěn)定性影響??；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(dòng)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(dòng)壓軟

10、巖巷道預(yù)應(yīng)力錨桿錨索雙拱支護(hù)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(dòng)圈的邊界置于加固拱的中部，以此來改變內(nèi)部巖體的應(yīng)力狀態(tài)，阻止松動(dòng)圈邊界巖體進(jìn)一步向深部變形破壞，使松動(dòng)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(dòng)圈厚度來確定錨桿組合拱厚度、錨索加固拱厚度及支護(hù)相關(guān)參數(shù)，以此來控制采動(dòng)對(duì)軟巖巷道圍巖穩(wěn)定的影響。并把該支護(hù)體系應(yīng)用于礦井巷道支護(hù)工程實(shí)踐，錨網(wǎng)索噴聯(lián)合