采空区下巷道围岩应力场特征及其控制研究.pdf
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1、1032023 年第 9 期贺淼鑫:采空区下巷道围岩应力场特征及其控制研究收稿日期 2023-04-14作者简介 贺淼鑫(1988),男,山西高平人,2015 年毕业于黑龙江科技大学采矿工程专业,本科,采煤工程师,现从事煤矿安全生产管理工作。采空区下巷道围岩应力场特征及其控制研究贺淼鑫(晋能控股装备制造集团有限公司寺河煤矿二号井,山西 晋城 048006)摘 要 针对采空区下巷道变形大,难以控制问题,采用 FLAC 数值模拟方法分析了采空区下部巷道围岩应力场分布规律和变形破坏特征,发现巷道两帮变形量较小,顶板下沉量较大,顶板接近上覆煤层处破坏明显,提出了强化顶板锚杆控制的方案。矿压监测分析结果
2、表明:盘区巷道在回采期间顶板下沉量最大为 53 mm,底鼓量最大为202 mm,两帮移近量最大为255 mm,锚杆受力整体变化比较小,巷道整体保持了良好的稳定性。关键词 采空区;巷道;支护中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.09.033Study on the Characteristics and Control of the Stress Field in the Roadway Surrounding Rock Under the GoafHe Miaoxin(Jinneng Holding Equipment Ma
3、nufacturing Group Co.,Ltd.Sihe Coal Mine No.2 Well,Shanxi Jincheng 048006)Abstract:Aiming at the problem of large deformation and difficulty in controlling the roadway under the goaf,FLAC numerical simulation method is used to analyze the distribution law of stress field and deformation and failure
4、characteristics of the lower roadway surrounding rock in the goaf.It is found that the deformation amount of the two sides of the roadway is small,the subsidence amount of the roof is large,and the failure of the roof near the overlying coal seam is obvious.A scheme to strengthen the control of roof
5、 anchor rods is proposed.The analysis results of mine pressure monitoring indicate that during the excavation of the panel roadway,the maximum subsidence amount of the roof is 53 mm,the maximum bottom heave amount is 202 mm,and the maximum displacement amount of the two sides is 255 mm.The overall c
6、hange in anchor rod force is relatively small,and the overall stability of the roadway is maintained.Key words:goaf;roadway;support 贺淼鑫:采空区下巷道围岩应力场特征及其控制研究近距离煤层开采时煤层间巷道掘进与工作面开采相互影响和干扰较为严重。在实际生产中,上覆采空区内煤柱处产生的应力升高导致其下方的巷道围岩垂直应力显著增大,巷道稳定性难以控制。尽管采空区下方巷道围岩应力较小,但上覆层的开采导致下方煤层巷道顶板松软破碎,巷道难以支护。在生产中,下层煤中的巷道布置欠
7、佳,或者支护强度低,会导致巷道围岩变形收敛和塑性破坏区较大,造成巷道失稳,这是近距离煤层下行开采时制约生产安全的突出问题1-2。因此,近距离煤层开采时,下层煤矿压分布规律及巷道稳定性控制的研究具有重要的理论及现实意义。1 概况1.1 生产和地质条件寺河二号井主采煤层有 3 层,从上至下依次为3 号、9 号和 15 号煤层。其中 3 号和 9 号煤层部分盘区已回采,而 15 号煤层还未开采,目前正在布置 15 号煤层工作面,15 号煤布置的第一个工作面上部的 3 号和 9 号煤已开采完毕。因此,15 号煤层必然受到上部采动压力和集中应力的干扰和影响,该煤层中巷道掘进中必然会产生大的变形,给围岩控
8、制带来挑战。位于太原组一段顶部的 15 号煤层,埋深为1042023 年第 9 期329419 m 之间,上距 9 号煤层 30 m 左右。煤层平均厚度 1.5 m 左右,平均倾角为 5。煤层直接顶为石灰岩,厚 9.8 m,为稳定岩层,顶板类型为类,下部偶见 0.10.3 m 左右泥岩;煤层的直接底为灰色铝质泥岩,厚 4.0 m。1.2 地质力学测试分析15 号煤地质力学参数测试结果表明,最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力分别为 12.5 MPa、6.55 MPa 和 7.72 MPa,最大水平主应力方向和主导方向分别为 N62.90W 及 NEE;15 号煤层顶板岩层强度平均值为 1
9、12.10 MPa,局部含有平均强度 48.90 MPa 的砂质泥岩,横向裂隙发育。测试数据表明,15 号煤层顶板岩层除局部存在较大裂隙的特征外,整体较完整;15 号煤两帮煤体裂隙发育,较破碎,该处煤体强度平均值为 12.75 MPa。2 采空区下部巷道围岩应力场分布特性研究2.1 模型建立及模拟方案设计基于寺河煤矿二号井三盘区 15 号地质条件,采用数值模拟方法进行分析,研究该矿 9 号煤遗留煤柱下 15 号煤盘区大巷合理布置位置。此处采用 Flac 数值模拟,模型宽和高分别为185 m 和 70 m。模型上部为应力边界,底部为固定边界,用均匀分布的应力载荷取代上覆岩层重力,模型四周施加水平
10、位移约束。对地应力测试结果和模型厚度加以综合考虑后,确定施加的初始垂直应力值为 7.0 MPa,水平应力值为 9.0 MPa,计算模型选用摩尔-库伦模型。从上到下各岩层岩性如图 1、图 2。图 1 数值模型(m)图 2 模拟方案(m)2.2 模拟结果分析工作面(9 号煤 7 盘区)回采后垂直应力分布如图 3。图 3 9 号煤 7 盘区工作面回采后垂直应力分布云图从图 3 中可以看出,7 盘区工作面回采后,盘区大巷煤柱两侧支撑压力峰值处会形成“应力核区”,应力峰值和应力集中系数分别为 17.4 MPa 和2.49。应力集中区在煤柱内呈现向底板传递的倾向,应力梯度区会在一定范围内形成。3 盘区巷道
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