底板水压力作用下底抽巷对底板岩层影响试验研究.pdf
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1、73引用格Vol.55,No.8COAL ENGINEERING第55卷第8 期灰程煤doi:10.11799/ce202308014底板水压力作用下底抽巷对底板岩层影响试验研突李鹏1,王永涛,李见波3(1.内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司,内蒙古鄂尔多斯017300;2.山东能源集团西北矿业有限公司,陕西西安710018;3.华北科技学院矿山安全学院,河北三河065201)摘要:为研究采动和承压水作用下底抽巷对底板岩层的变形与破坏的影响,基于能量守恒原理,通过传统室内相似模拟平台,分析底板水压力有效施加机制,并开展底抽巷影响下底板岩层变形与破坏相似试验。相似试验结果表明,底板岩体应力场在底抽巷
2、道开挖阶段和工作面推采阶段分别受到两次明显扰动,巷道开挖和煤层开采后的空间提供了能量释放的通道,采动是应力场变化的重要因素,巷道对局部应力和周边位移影响明显。有底抽巷条件下底板破坏深度大于无底抽巷时情形,无底抽巷时各测线位移变化规律相近,表现为“凸”变形;存在底板巷道时,底抽巷下方的测线形态有变化且各测线的变形规律出现差异。底抽巷使得近水体处的岩体裂隙更发育,在底抽巷道附近尤其是破碎区域,需要采取相应加固措施针对性地减小底抽巷道对底板岩体隔水性能的影响。关键词:水压力;底抽巷;相似试验;限定变形;底板破坏中图分类号:TD322文献标识码:A文章编号:16 7 1-0 959(2 0 2 3)0
3、 8-0 0 7 3-0 5Experiment on the influence of floor gas extraction roadwayon floor strata under water pressureLI Pengl,WANG Yongtao,LI Jianbo3(1.Inner Mongolia Huangtaolegai Coal Co.,Ltd.,Ordos 017300,China;2.Shandong Energy Group xibei Mining Co.,Ltd.,Xian 710018,China;3.School of Mine Safety,North
4、China Institute of Science and Technology,Sanhe 065201,China)Abstract:In order to study the influence of coal seam floor roadway for gas extraction on the deformation and failure of floorrock under the action of mining and confined water,the effective application device of floor water pressure was a
5、nalyzed,basedon the principle of energy conservation.The similar test of floor rock deformation and failure under the influence of floorextraction roadway was carried out.The results show that the stress field of floor rock mass is obviously disturbed twice,respectively in the excavation stage of th
6、e floor roadway and the mining stage of the working face.The goaf after the roadwayexcavation and coal seam mining provides a channel for energy release.Mining is an important factor for the change of the stressfield,and the floor roadway has an obvious impact on the local stress and the local surro
7、unding displacement.The floor failuredepth under the condition of floor roadway is greater than that under the condition of no roadway extraction.The displacementchange rules of the monitoring lines are similar under the condition of no floor roadway extraction,which show“convexdeformation.However,t
8、he shape of the monitoring lines below the floor roadway is changed compared with the situation of floorroadway.The floor roadway makes the rock mass fracture near the water body more developed.In the vicinity of the floorroadway,especially in those broken areas,the corresponding reinforcement measu
9、res need to be taken to reduce the influenceof floor roadway on the water resistance of floor rock masses.Keywords:water pressure;floor gas extraction roadway;similar simulation test;limited deformation;floor failure收稿日期:2 0 2 2-10-2 0基金项目:国家自然科学基金项目(52 2 7 42 0 1,5150 40 95,5197 412 6)作者简介:李鹏(198 4
10、一),男,山东济宁人,高级工程师,主要从事煤矿开采与管理方面工作,E-mail:36 0 7 7 2 8 2 。各式:李鹏,王永涛,李见波底板水压力作用下底抽巷对底板岩层影响试验研究J煤炭工程,2 0 2 3,55(8):73-77.742023年第8 期程炭煤生产技术矿井采动灾害一旦发生不可逆转,多以防为主。有些矿区不仅赋存有高瓦斯还受到深部承压水影响,需要解决瓦斯与底板水害防治双重难题,实践中底抽巷布置与保护底板岩体是一对矛盾。底抽巷的布置解决瓦斯问题,但也破坏底板岩层的完整,降低煤层底板岩层抗弯变形等力学性能,增加水害发生的可能性。开展工作面开采前后底抽巷对底板岩体位移和应力场影响研究很
11、有必要。关于底抽巷的研究有很多,既有空间位置确定及优化支护方式等方面的研究,也有在底抽巷道中开展底抽巷钻孔设计及封孔深度的研究,研究手段包括理论研究和数值模拟等。底抽巷道布置多与工程实践相结合,如关于浅埋复合关键层工作面和高瓦斯突出煤层的底抽巷合理位置研究2.3,承压水体上布置底抽巷及其围岩破坏问题也是研究重点4文献5.6 针对巷道位置及优化进行分析,文献7,8 针对底抽巷围岩的稳定性、位移场以及支护方式问题开展了详细研究。另外,底板破坏深度是影响底抽巷布置的重要因素,关于底板破坏的研究有很多,如“下三带”理论9.10 和原位张裂与零位破坏理论11 等。受地质条件多变影响理论研究内容丰富,如专
12、家学者们开展采动底板破坏深度与奥灰改造研究12 、采动底板破坏深度预测方法研究13、煤层底板破坏机理分析14 和采动对岩体孔隙-裂隙类型升降变化的影响等15。底抽巷道布置及位置选择方面有相关研究,但由于现场地质条件差别很大,底抽巷影响深部岩层变形机制的研究难度大。本文从现场实践问题出发,采用限定变形和水压力条件下相似模拟实验手段,开展底抽巷对底板岩层变形与破坏的影响进行研究。1工程概况研究区煤层底板赋存多层薄灰岩,岩性以砂岩和灰岩互层为主,裂隙较为发育,其岩层柱状图如图1所示。灰岩富水性强,水压高,补给水源充足。底抽巷道布置在煤层底板岩层中,巷道上方直接顶较为完整,以泥岩为主,遇水容易软化和膨
13、胀。巷道下方直接底一般为隐晶质结构石灰岩,会有方解石脉充填。2试验设计2.1试验装置试验装置由承载框架、水压力模拟装置和位移-应力监测装置三部分构成,试验架的长宽为1600mm140mm,如图2 所示。其中,顶部可调高度限定顶板变形装置安放在试验台架上方,为试验架提供固定边界,施加给定限定变形。模拟岩层置放槽内底面铺放有承压弹簧组,为铺设方便且层面平整,在承压弹簧组上方铺设一柔性垫层,着重模拟开采导致的岩体能量释放时底板岩体的应力场和位移场变化情况。岩性厚度/m柱状砂岩9.9粉砂岩2.9煤层6.9炭质泥岩1.0粉砂岩9.6灰岩0.5粉砂岩2.5硅质砂岩0.8粉砂岩7.1灰岩7.5图1岩层柱状图
14、限定变形装置模版,模拟岩层模板安装孔煤层承压框架承压弹簧组柔性垫层图2相似试验装置在底板巷道所在层位,按照15cm间距埋设9个压力传感器。应力监测采用动态应变仪,位移监测使用全站仪。其中,巷道位置周边岩层加密布置测点,巷道上方和下方均布置应力测点。位移测点采用10 cm5cm网格布置方法。位移与应力监测点布置与巷道位置如图3所示。2.2底抽巷条件下底板水压力作用机制模拟分析限定变形装置是水压力施加并有效发挥作用的关键部分,水压力模拟装置作用机制如图4所示。模型铺设完毕后,待岩层干透,模型顶部施加应力,然后固定试验架限定变形板,此时岩层和底部承压弹簧处于储能阶段。开挖过程中,随着采空区形成,形成
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