多构造三软煤层回采巷道覆岩运动及控制分析.pdf

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

9、动规律分析（）基本顶初次来压。工作面自开切眼推进到 时，采空区上覆岩层裂隙开始发育，裂隙沿岩层层面向两边扩展，裂隙发育高度 ，发育长度 ，随后顶板裂隙急速发育至采空区两端，折断式发生垮落，如图 （）所示。（）基本顶周期来压。随着工作面的继续推进上覆岩层未发生明显的变化，工作面推进至 时，在移架卸压的过程中，上覆岩层出现 条新的离层裂隙并迅速发育发生第二次垮落，垮落形态呈梯形，如图 （）所示。垮落步距 ，此时，工作面基本顶的第一次周期来压结束。工作面推进至 停止回采，直接顶和基本顶呈台阶式下沉破断。在整个推进的过程中顶板共垮落 次，平均垮落步距 。（）基本顶最终破断。在工作面推进的过程中，顶板首

10、先产生裂隙。随着工作面的推进，裂隙垂直于煤层倾向的方向发育，随着裂隙的发育，岩体开始出现离层，在液压支架移架之后直接顶和基本顶同步呈台阶式下沉垮落，如图 （）所示。三软煤层巷道应力变化分析巷道掘进后围岩平衡应力状态被打破，应力重新分布，由覆岩运动造成的三软煤层回采顶板来压规律可以通过巷道周围应力分布情况来反映。号巷道顶板及两帮应力随工作面推进距离的变化如图 所示。分析可知，随着工作面推进，号巷道围岩应力呈增加趋势。当巷道位于工 年第 期能源与环保第 卷图 顶板垮落及裂缝发育情况 图 巷道围岩应力变化 作面前方 内巷道顶板应力达到峰值，号巷道顶板应力峰值为 ；号巷道顶板应力峰值为 ；号巷道顶板应

11、力峰值为 。在嵩山重力滑动构造影响下，巷道内应力分布不均匀，条巷道均出现了应力集中现象，且应力集中发生在巷道的两帮，应力集中系数分别为 、。加之 工作面的采动影响，巷道上帮的应力集中程度大于下帮。由图 可知，号巷道上帮应力峰值 ，下帮应力峰值 ；号巷道上帮应力峰值 ，下帮应力峰值 ；号巷道上帮应力峰值 ，下帮应力峰值 。由于受嵩山滑动构造及煤层赋存的影响，巷道围岩应力分布表现为巷道的上帮应力大于下帮。且巷道在距工作面煤壁 范围内应力达到峰值，工作面超前压力影响范围为工作面前方 范围内。经对比，物理相似模拟实验结果与现场监测基本吻合。工程应用 支护方案设计在滑动构造的影响下，工作面回采巷道围岩破

12、碎，应力集中不均匀，松动圈范围较大，糜棱煤松散强度低等现象，单一支护难以达到巷道围岩稳定控制效果，采用“型钢棚 塑料菱形网护帮 锚索”补强联合支护方案。针对破碎的巷道表面采用 型钢棚加塑料护 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 卷帮网进行强力支护，钢棚采用 型钢加工，钢棚为 节结构，顶梁及肩窝处搭接均为 ，菱形网尺寸为 ，。或者用宽 、长 的 型钢加工配合 钢筋加工的钢筋梯铁背板进行强力支护。针对 工作面回采巷道破碎深度较大，普通锚杆难以锚固到稳定岩层，锚固作用易失效的情况，在棚间打设长锚索进行全断面补强支护。锚索打设要求正顶端部卡缆处各打设 根，顶部两端卡缆左右

13、处、两帮上卡缆向上 处、两帮下 卡缆向下 处、两帮底板向上 、处各打设根锚索。顶部锚索规格 ，帮部锚索规格 。每根锚索使用支 、支 型锚固剂，锚索预紧力不低于 ，锚索外露长度 。具体支护规格如图 所示。图 锚索补强支护方案示意 现场围岩位移监测分析采用 型钢棚 锚索联合支护后，工作面回采巷道矿压观测结果如图 所示。图 巷道围岩变形观测结果 由图 可知，巷道围岩总体变形速率在开始的 内为剧烈衰减期，为缓慢衰减期，后为稳定期，后该测点已稳定，可减少观测频率。观测稳定后，受水平构造应力影响，巷道左右帮移近量 ，变形速率 ，左帮变形速率 ，右帮变形速率 。顶底板移近量 ，顶板下沉量 ，平均下沉速率 ；

14、底鼓量 ，变形速率 。结论（）受滑动构造影响，随着工作面推进，三软煤层回采巷道上覆岩层产生裂隙离层并呈台阶式下沉垮落，工作面顶板初次来压步距为 ，周期来压步距为 ，最终破断形式为台阶式。（）滑动构造挤压作用下，巷道围岩水平应力大于垂直应力，应力集中主要集中在两帮，集中系数为 ，上帮应力集中大于下帮。（）滑动构造挤压作用使得煤层顶底板围岩破碎，巷道非对称变形，上帮变形量大于下帮。巷道稳定后顶底板移近量为 ，左右帮移近量为 。（）采用 型钢棚 塑料菱形网护帮 锚索补强联合支护方案后，巷道断面收缩率小于 ，围岩控制效果显著。参考文献（）：唐建新，王艳磊，舒国钧，等 高应力“三软”煤层回采巷道围岩破坏

15、机制及控制研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：江贝，李术才，王琦，等 三软煤层巷道破坏机制及锚注对比试验 煤炭学报，（）：，（）：宋常胜，朱琦琦，任金武，等 滑动构造区煤矿地应力特征研究 煤炭技术，（）：，（）：普冬冬 滑动构造区煤巷围岩松动圈数值模拟 河南工程学院学报（自然科学版），（）：（），（）：盛刚 滑动构造对煤层巷道围岩的影响 中国煤炭地质，（）：年第 期能源与环保第 卷 ，（）：邓小磊 偃龙矿区受嵩山滑动构造应力影响下三软煤层巷道支护技术研究 内蒙古煤炭经济，（）：，（）：王兴开，谢文兵，荆升国，等 滑动构造区极松散煤巷围岩大变形控制机制试验研究 岩石力学与工程学报，（）：，（

16、）：荆升国，鹿利恒，江静 滑动构造区厚煤层巷道锚固结构形成机制研究与应用 采矿与安全工程学报，（）：，（）：许满贵，魏攀，李树刚，等“三软”煤层综采工作面覆岩运移和裂隙演化规律实验研究 煤炭学报，（）：，（）：来兴平，崔峰，曹建涛，等 三软煤层综放工作面覆岩垮落及裂隙导水特征分析 煤炭学报，（）：，（）：王旭锋，汪洋，张东升 大倾角“三软”煤层巷道关键部位强化支护技术研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：孟现锋，辛亚军，张继远，等 三软煤层高应力大采长工作面优化设计 能源与节能，（）：，（）：，王琦，潘锐，李术才，等 三软煤层沿空巷道破坏机制及锚注控制 煤炭学报，（）：，（）：孙恒山 滑动构造带下采煤上覆岩层移动规律研究 内蒙古煤炭经济，（）：，（）：张武 滑动构造影响下巷道围岩变形及控制技术研究 技术与市场，（）：，（）：王沉，屠世浩，李召鑫，等 深部“三软”煤层回采巷道断面优化研究 中国矿业大学学报，（）：，（）：范子儀，李永亮，孙昊，等 采动影响下弱胶结软岩巷道非对称变形特征与控制对策 采矿与岩层控制工程学报，（）：，（）：文志杰，卢建宇，肖庆华，等 软岩回采巷道底臌破坏机制与支护技术 煤炭学报，（）：，（）：潘锐，蔡毅，黄厚旭，等 三软煤层回采支承压力分布及支护构件受力规律研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：