腾晖矿复采采区大巷过老空区支护技术.pdf
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1、128移动扫码阅读JI.Safety in Coal Mines,354(8):128-135.LIU Jiansheng.Support technology for main roadway passingthroughgoaf in Tenghui Mine re-mining area刘建胜.腾晖矿复采采区大巷过老空区支护技术 J.煤矿安全,2 0 2 3,54(8):1 2 8-1 3 5.Safety in Coal Mines2023年8 月Aug.2023No.8Vol.54煤砺岁全第54 卷第8 期D0I:10.13347/ki.mkag.2023.08.018腾晖矿复采采区
2、大巷过老空区支护技术刘建胜(山西省霍州煤电集团河津腾晖煤业有限责任公司,山西运城0 4 3 3 0 2)摘要:为解决腾晖煤矿2#煤过老空区巷道掘进期间的冒顶问题,开展了掘进工作面揭露老空区期间的顶底板位移场与应力场演化规律研究。采用理论计算、现场监测与数值模拟结合的方式得到了掘进巷道在揭露老空区期间不同阶段的应力状态及受影响范围,确定了掘进巷道过老空区支护方案。计算结果表明:在煤层中老空区边缘存在5 1 0 m的塑性区域,当巷道不断向老空区方向推进时,掘进工作面同老空区之间的柱状煤体应力状态从弹性向塑性转变;巷道掘进期间顶底板位移演化趋势并不同步,随着巷道不断靠近采空区,顶板位移变形速率增加2
3、 0%,底板变形量则随着掘进工作面靠近采空区变形速率逐渐降低直至达到稳定值。现场实验结果表明:50 d内顶底板相对变形量的增加控制在2 5mm,两帮相对变形量的增加控制在2 3 mm,巷道围岩变形情况得到了有效控制。关键词:顶板稳定;巷道掘进;老空区;数值模拟;巷道支护;围岩控制中图分类号:TD353文献标志码:B文章编号:1 0 0 3-4 9 6 X(2023)08-0128-08Support technology for main roadway passing:throughgoafinMine re-mining areaLIU Jiansheng(Shanxi Huozhou C
4、oal Power Group Hejin Tenghui Coal Industry Limited Liability Company,Yuncheng 043302,China)Abstract:In order to solve the problem of roof caving during the excavation of the roadway of Tenghui 2#coal passing through theold goaf,the research on the evolution law of the displacement field and stress
5、field of the roof and floor during the heading faceto reveal the old goaf was carried out.The stress state and affected range of the tunneling roadway at different stages during thedisclosure of the old goaf were obtained by combining theoretical calculation,on-site monitoring and numerical simulati
6、on,and thesupport scheme of the tunneling roadway over the old goaf was determined.The calculation results show that there is a plastic areaof 5-10 m at the edge of the old goaf in the coal seam,and when the roadway continues to advance towards the old goaf,thestress state of the columnar coal body
7、between the heading face and the old goaf changes from elastic to plastic.The evolutiontrend of roof and floor displacement is not synchronized during roadway excavation,and the deformation rate of roof displacementincreases by 20%as the roadway gets closer to the goaf,and the deformation rate of th
8、e floor gradually decreases as the headingface approaches the goaf until it reaches a stable value.The field experimental results show that the increase of the relativedeformation of the top and bottom plates in 50 d is controlled at 25 mm,and the increase of the relative deformation of the twogroup
9、s is controlled at 23 mm,and the deformation of the surrounding rock of the roadway is effectively controlled.Key words:roof plate stability;roadway excavation;old goaf,numerical simulation;roadway supporting;surrounding rock control我国煤炭资源开采规模逐年扩大,除开采深度逐年向深部发展外,对煤炭资源的整合与再利用也加快了脚步。在此行业背景下,资源整合矿井中仍存在煤
10、矿资源未得到有效统筹规划的现象,这意味收稿日期:2 0 2 3-0 3-1 7责任编辑:朱蕾作者简介:刘建胜(1 9 7 0 一),男,山西霍州人,高级工程师,学士,从事煤矿生产技术和管理方面的工作。E-mail:1 3 9 3 57 9 53 8 1 1 3 9.c o m129Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月煤码发全Vol.54No.8第8 期第54 卷着在煤层复采过程中揭露老空区、老巷对巷道围岩的稳定性控制产生了负面影响。张炜等基于曹村矿1 0#与1 1#极近距离煤层开采地质条件建立底板破坏力学模型,计算出底板破坏深度,对煤柱的剪切应力、垂直应力和
11、水平应力求出弹性力学解,得出煤柱下方存在非均匀分布的荷载的结论;孔德中等 2 也通过建立上层煤底板破坏力学模型,得出了相近结论,不同的是其通过数值模拟残留煤柱下方底板的应力分布情况,论证了煤柱高应力区与低应力区具体分布特征;许磊等 3 通过FLAC3D数值模拟探讨了残留煤柱尺寸对底板的偏应力分布情况的影响,分析了残留煤柱尺寸对下方底板的偏应力分布形态的影响、得出偏应力在深部的传递特征和下位煤层偏应力演化特征;ZHANG等 4 建立了工作面端面顶板首次破坏前的薄板力学模型,对比分析了6 种不同长宽比下薄板的挠度分布特征,总结了基于采空区应力演化的工作面端面顶板破坏特征;李胜等 5 结合理论计算与
12、数值模拟对同沂矿残留煤柱应力状态进行计算;胡少轩等 6 通过建立不同尺寸的上煤层残留煤柱的数值模型,对比残留煤柱的底板应力分布特征,总结出下煤层应力演化规律;梁文 7 针对复合顶板条件下支护难,易冒顶的问题,在分析了其失稳机理的基础上提出了长短锚索协同支护技术并取得了成功应用;方新秋等8 运用理论分析影响下煤层巷道变形失稳的关键因素,包括巷道布置位置、护巷煤柱宽度等。在此基础上对不同影响因素进行数值模拟研究,并提出了提高巷道围岩稳定性的控制措施;SHANG等9 从主应力、剪切破坏准则、弹性应变能等方面系统研究了采空区周围围岩的破坏概率;曹俊文 1 0 通过理论推导、现场试验提出了充填体上方顶板
13、稳定的分区域动态加固控制对策并在工程实践中取得了成功;屠世浩等 采用FLAC3D数值模拟软件,以残留煤柱同巷道位置空间相对位置作为控制变量进行数值模拟研究,分析不同工况下塑性区发育及应力分布情况,并结合现场实测结果,提出了巷道合理布置位置及支护方案优化建议;ZHAO等 1 2 基于采空区岩体压实理论和双产量模型,提出了工作面层状岩体破坏及控制技术。目前国内外学者在近距离煤层开采上煤层底板应力分布规律、下煤层巷道变形失稳机理和巷道围岩稳定性控制技术方面做了大量研究,并已取得了重大的进展,但关于煤层复采条件下的巷道掘进问题目前可供参考的研究成果仍相对较少。为此,从实际工程条件出发,分析腾晖煤矿2#
14、煤掘进巷道揭露老空区前后顶底板的位移场、应力场分布特征及演化过程,提出具有针对性的支护方案来解决腾晖煤业过老空区掘进巷道顶板支护失效引发的冒顶问题1工程概况腾晖煤业2#煤层位于山西组下段上部,下距K砂岩顶1 7.2 9 m左右,下距1 0#煤层4 3.1 1 57.6 8m,平均4 9.6 5m。煤层厚度4.8 0 7.4 7 m,平均6.1 2m,结构简单-较简单,大部不含夹研,局部含1 层夹研偶含2 层,为全井田稳定可采煤层。顶板岩性为砂质泥岩、泥岩,底板岩性为泥岩及砂质泥岩。该煤层东部形成大面积采空区,现开采井田西部资源。三采区材料巷工作面布置于2#煤层三采区,巷道北部为设计三采区回采区
15、域,南部为Fi断层,西部为矿井二采区,东部为三采区区域,掘进期间需穿过CK2-11采空区(2 0 0 6 2 0 0 9 年回采,采空面积为210892m);穿过CK2-7采空区(2 0 0 4 年前回采,采空面积为4 0 9 2 0 6 m);穿过CK2-6采空区(2 0 0 0年前回采,采空面积为3 4 8 1 0 1 m)。三采区材料巷掘进工作面如图1,煤层顶底板岩性表见表1。2-2061巷206 834 mCK2-1120062009年三采区材料巷2-2062巷三采区回风巷图1三采区材料巷掘进工作面示意图Fig.1Schematic diagram of heading face of
16、material lane in No.3 mining area由于腾晖煤矿属于资源整合型矿井,2#煤层在不同时期已经进行过不同强度的开采活动,受当时工艺和成本限制,老空区形态为2 3 m煤厚不等,对煤炭资源利用并不充分。在经历过多个不同矿井不同时期下开采活动的影响,2#煤老空区覆岩结构不稳定,在三采区材料大巷道掘进过程中多处揭露老空区严重影响了掘进工作的正常进行。2掘进巷道过老空区顶板结构特征2.1老空区侧向支承压力分布特征随着工作面的推进,采空区边缘煤体受侧向支.130Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤防发全第54 卷第8 期表
17、1 火煤层顶底板岩性表Table1Lithology table of coal seam roof and floor顶板岩石厚度/m岩性特征名称名称灰色,中粒砂状结构,钙质胶结,中粒4.425.00基本顶交错层理,夹黑灰色砂泥质条砂岩4.71带,成分以石英为主,含菱铁质砂质2.983.02深灰色,灰黑色,砂质泥状结构,直接顶泥岩3.05平坦状断口,含植物化石碎片黑色,质软易碎,弱玻璃光泽,成5.185.94煤层2煤分以亮煤及暗煤为主,属半亮型5.56煤黑色,泥质结构,平坦状断口,水直接底3.1810.61泥岩平层理,含植物化石碎片,局部6.90炭化2.3012.14灰黑色,粉砂状结构,泥钙
18、质胶基本底粉砂岩7.22结,贝壳状断口承压力和矿压显现的影响。煤体内部节理发育程度的不同又影响到其自身的应力分布状态,通常按照其应力分布状态可以由远及近的划分为破碎区(1)、塑性区()、应力增高区()和原岩应力区(IV)。根据极限平衡理论,建立了老空区侧向支承压力计算力学模型,煤柱塑性区宽度计算力学模型如图2。KpgHPx口MIVXoXX巷道掘进方向,一水平应力;,一垂直应力;一煤层与岩层间剪应力;xo一极限平衡区宽度;xi一侧向支承压力影响范围。图2 煤柱塑性区宽度计算力学模型Fig.21Mechanical model for calculating the plastic zonewid
19、thof coal pillar由图2 可知:当工作面掘进至与老空区距离x1时,老空区的侧向支承压力已开始在掘进工作面内产生较为明显的影响,在巷道向前掘进至xo位置前这段时间,掘进头顶板承受的垂直应力逐渐升高直至峰值,在此期间由于煤体仍处于弹性变形阶段,巷道围岩仍保持相对稳定;掘进工作面进一步推进到极限平衡区范围xo内时,煤体内部裂隙发育致使承载能力降低,巷道围岩受掘进扰动呈现出破碎失稳趋势,冒顶风险性增加。因此,在巷道掘进至极限平衡区之前加强支护阻力以达到抑制巷道围岩状态恶化趋势,提高巷道围岩稳定性的目的。极限平衡区宽度xo和侧向支承压力影响范围x1可分别表示为 1 3 :CoKpgH+M入
20、tanPo_Xo=1n(1)2tanoCo+卫Xtan Po入MInKXi=+X0(2)2入tan Po式中:M为煤层采高,取6.1 2 m;入为侧压系数,取0.2 1;o为煤层界面内的内摩擦角,取2 8;K为应力集中系数,取2.0;p为岩层的平均密度,取2.7t/m;H为煤层底板相对埋深,取4 0 0 m;Co为煤层界面中的黏聚力,取2 MPa;px为采空区对煤壁的侧向约束力,取0。代人得到极限平衡区宽度xo为7.6 8 m,侧向支承压力影响范围xi为2 6.6 8 m。2.2掘进巷道顶板结构特征在大巷内进行钻孔窥视判断顶板结构,按照距离采空区距离1 5、1 0、5、0 m取顶板观测1 钻孔
21、、2#钻孔、3 钻孔、4#钻孔。顶板结构钻孔窥视结果如图3。由图3 可知:1#钻孔顶板岩层探测结果表明钻孔内部并未呈现出很明显的层位分离,浅部区域(距孔口0.3 m)有裂隙发育,在距孔口3.2 m处有离层的现象;2#钻孔顶板岩层探测情况表明,浅部区域孔壁出现煤块碎落现象,裂隙发育程度明显升高,在3.5m处出现明显的离层现象;3#钻孔观测结果中由于煤层变薄,浅部区域(距孔口0.5m)孔壁有碎岩块出现,深部区域岩石碎块出现频次增加,孔壁完整程度明显降低;4#钻孔观测情况浅部区域(距孔口0.3m)孔壁可观测到破碎小块石,深部区域(距孔口1.3 m)岩石碎块由小变大,直至较大碎块将钻孔堵塞(距孔口1.
22、7 m)。3过老空区巷道数值模拟3.1数值模型和模拟方案数值三维模型按照2#煤地质剖面图尺寸建立,模型左下角点为坐标原点,水平向右为x轴正方向,水平向里为轴正方向,垂直向上为z轴正方向,重力方向沿轴负方向。由于本次模拟主要研究老空131SafetyinCoal Mines2023年8 月Aug.2023煤码发全Vol.54No.8第8 期第54 卷000.0000.0000.0000.0+00.0+00.0+00.0+00.0+00.0距1 钻孔口0.3 m+00.0距1 钻孔口1 3.2 m+00.0距2#钻孔口0.2 m+00.0距2 钻孔口3.5m000.000000.000000.00
23、0000.000(a)1#钻孔浅部(b)1#钻孔深部(c)2#钻孔浅部(d)2#钻孔深部000.0000.0000.0+00.0+00.0+00.0+00.0+00.0+00.0距3 钻孔口0.5m000.000距3 钻孔口3.2 m000.000距4 钻孔口0.3 m000.000距4 钻孔口1.7 m(e)3#钻孔浅部(f)3#钻孔深部(g)4#钻孔浅部(h)4#钻孔深部图3顶板结构钻孔窥视结果Fig.3Peeking results of borehole in roof structure区影响下巷道掘进头的应力和塑性区分布特征,建立三维模型的尺寸为1 50 mx150mx50m,共划
24、分112500个单元。数值模型示意图如图4。老空区位置煤层位置图4数值模型示意图Fig.4Schematic diagram of numerical model三维模型的边界条件取为:四周采用铰支,底部采用固支,上部为自由边界。初始垂直应力为自重应力,考虑工作面在地层中所处的深度50 0 m,地应力边界条件根据实际测量结果进行施加,垂直应力12.5MPa,水平应力1.1 1 MPa,选用Mohr-Coulomb本构模型。2#煤岩层物理力学参数均按实验室煤岩样测试结果和工程类比对模型进行赋值,模拟力学参数见表2。研究主要基于老空区影响下巷道顶底板掘进期间的位移场的演化规律对腾晖煤矿2#过老空区
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