多构造三软煤层回采巷道覆岩运动及控制分析.pdf
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1、第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期:;责任编辑:陈鑫源 :基金项目:国家自然科学基金资助项目(,);河南省重点研发与推广专项(科技攻关)资助项目()作者简介:苏金华(),男,河南永城人,高级工程师,年毕业于河南理工大学,主要从事煤矿巷道支护技术研究工作。引用格式:苏金华,任金武,张继远,等 多构造三软煤层回采巷道覆岩运动及控制分析 能源与环保,():,():多构造三软煤层回采巷道覆岩运动及控制分析苏金华,任金武,张继远,田孟含,张盼,辛亚军,吴春浩(河南能源集团 永华能源有限公司,河南 洛阳 ;河南理工大学 能源科学与工程学院,河南 焦作 ;煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,
2、河南 焦作 )摘要:针对近距离多重滑动构造三软煤层回采巷道变形破坏严重支护困难的问题,采用相似模拟实验与现场调研监测相结合的研究方法,研究了多重滑动构造三软煤层回采巷道上覆岩层运动特征与回采过程中巷道围岩应力分布规律,提出了多重滑动构造三软煤层回采巷道基本支护方案。研究结果表明,在滑动构造影响下,上覆岩层随着工作面不断推进产生裂隙至裂隙叠加发展至不同岩体之间开始产生离层,随后呈台阶式下沉垮落;巷道顶板的初次来压步距为 ,周期来压步距为 ,顶板的最终破断形式为台阶式;巷道主应力为水平应力,应力集中出现在巷道的上下两帮,受滑动构造的影响,巷道围岩应力集中不均匀表现为上帮应力集中程度大于下帮;滑动构
3、造影响下,巷道顶底板围岩破碎且围岩变形呈现明显的方向性,巷道上帮的变形量大于下帮;采用 型钢棚 锚索联合支护能够有效控制巷道围岩变形。关键词:滑动构造;三软煤层;回采巷道;覆岩运动;应力分布;围岩控制中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,;,):,:;年第 期能源与环保第 卷在豫西地区滑动构造比较发育,而在滑动构造的影响下,煤岩体往往比较破碎易形成三软煤层,三软煤层巷道在短时间内会出现大变形、冒顶、支护体破坏等失稳现象。唐建新等 研究了高应力条件下三软煤层回采巷道的破坏机制;宋常胜等 研究了滑动构造下的三软煤层地应力;盛刚 研究了滑动构造下的煤层巷道围岩塑性区以及围岩的流变特性;邓小
4、磊 研究了偃龙矿区滑动构造应力影响下的三软煤层巷道支护方式;王兴开等 对于滑动构造区极松散煤巷围岩的大变形机制进行了研究;荆升国等 对于滑动构造区厚煤层巷道锚固结构形成机制进行了研究;许满贵等 研究了三软煤层综采工作面的覆岩运动规律和裂隙演化规律。针对三软煤层巷道支护困难问题,王旭峰等 研究了大倾角三软煤层巷道关键部位的强化支护技术;孟现锋等 研究了三软煤层高应力大采长工作面并提出了优化设计方案;王琦等 研究了三软煤层沿空巷道的破坏机制;孙恒山 研究了滑动构造带下采煤的上覆岩层的运动规律;张武 研究了滑动构造影响下巷道围岩的变形情况以及控制技术;王沉等 针对三软煤层回采巷道支护难题研究了断面优
5、化理论提出了优化高度概念;范子儀等 研究了采动影响下软岩巷道的非对称变形特征;文志杰等 研究了软岩回采巷道的底鼓破坏机制;潘锐等 研究了三软煤层回采支撑压力分布。本文通过相似模拟实验,研究了嵩山煤矿 工作面采空区覆岩的运动规律以及巷道围岩的应力分布情况,针对性提出了多构造三软煤层回采巷道支护方案,对滑动构造下三软煤层巷道围岩控制具有一定参考意义。工程概况 地质工程基本特征 工作面主采二煤层,二煤层为单一缓倾斜煤层,走向近东西,倾向北,倾角 ,平均 。二煤层顶板岩性以泥岩及砂质泥岩为主,底板岩性以粉砂岩及泥岩为主。工作面顶底板岩层柱状如图 所示。滑动构造特征滑动构造是嵩山矿主要构造,主滑面位于二
6、煤层之上,与二煤层近似平行,上覆岩层受重力作用沿滑面由高向低滑动。在构造应力的作用下,二煤层顶板泥岩、砂质泥岩等破碎严重,造成二煤层顶板软、底板软、煤层软的三软煤层(图 )。图 工作面顶底板柱状 图 滑动构造剖面 巷道围岩变形破坏特征巷道顶板呈块体冒落,两帮水平移动较大。巷道围岩初期收缩速度快,变形持续时间较长,底鼓现象严重,呈整体凸出,断面由梯形半圆拱内缩成不规则形状,两帮移近量达到 以上,顶底板移近量达到 以上,严重影响正常使用(图 )。图 巷道围岩变形破坏形态 年第 期苏金华,等:多构造三软煤层回采巷道覆岩运动及控制分析第 卷 相似模拟实验设计 实验方案设计相似模拟实验采用二维实验模拟煤
7、层倾向剖面,设计模型尺寸长 、宽 、高 ,模拟范围为 。根据原型确定几何相似比为 ,容重相似比为 ,强度比为 ,根据煤层顶底板岩性最终确定模型各分层的材料配比号和用量,见表 。表 材料配比用量 层位岩性配比号总质量 砂质泥岩 石灰岩 泥岩 煤层 砂质泥岩 煤层 石灰岩 砂质泥岩 细粒砂岩 砂质泥岩 煤层 泥岩 砂质泥岩 细粒砂岩 层位岩性配比号总质量 砂质泥岩 煤层 砂质泥岩 粉砂岩 细粒砂岩 煤层 泥岩 砂质泥岩 细粒砂岩 砖块 粉砂岩 砂质泥岩 粉砂岩 中粒砂岩 巷道布置及观测方案本次试验在模型中开挖 条巷道进行模拟,其中 条为 工作面南部邻近已回采完的工作面两巷,另一条为与 条巷相邻工作
8、面的运输巷或回风巷。在模型中从右到左依次命名 号巷,设计为梯形半圆拱巷道(图 红色区域)。其中,号巷距左边界 ,距下边界 ;号巷距左边界 ,距下边界 ;号巷距左边界 ,距下边界 ,具体布置如图 所示。图 巷道布置示意 试验采用压力盒连接 静态电阻应变仪采集应力变化,通过计算机配套测试分析软件自动采集数据。位移监测采用近影测量技术,从模型右侧开始开挖,每次开挖结束后,通过数码相机拍摄的照片统计试验过程中位移监测点的位移数据并分析覆岩运动规律。位移测点布置如图 所示。图 位移观测测点布置示意 实验结果分析为便于与现场规律对比,根据相似比将实验室数据转换成实际数据对实验结果进行具体分析。工作面覆岩运
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