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孤岛工作面回采对下伏巷道的影响研究

2025-03-08 59 上传者：管理员

摘要：为研究孤岛工作面回采底板破坏深度和应力分布规律对下伏巷道围岩的影响，以大淑村矿四采区为工程背景，采用理论计算、数值模拟方法，分析孤岛工作面回采后底板最大破坏深度和底板应力、位移分布规律。结果表明：孤岛工作面底板最大破坏深度为21.6 m；工作面回采后顶底板应力明显减小，下伏巷道受顶板应力集中影响得到缓解；优化工作面开采方案后下伏巷道垂直应力、水平应力和垂直位移量均明显减小。研究结果为孤岛工作面开采方案和下伏巷道布置提供参考。

关键词：
下伏巷道
孤岛工作面
应力分布
数值模拟
破坏深度
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煤层开采后原岩应力状态的改变会造成底板变形和破坏,底板的破坏会产生底板突水危险且会对下伏巷道造成破坏[1-2]｡刘天泉[3]提出了岩体变形的空间分带论即“三带”划分;施龙青[4]基于损伤力学､断裂力学和矿山压力理论提出了开采煤层底板“四带”划分理论,将底板划分为矿压破坏带､新增损伤带､原始损伤带和原始导高带,并推导出各带计算公式;刘伟韬､张培森[5-6]对工作面多因素影响进行研究,得出影响底板破坏深度的主次顺序:工作面斜长>采深>采厚>煤层倾角;张风达[7]分析了深､浅部煤层底板破坏的主控因素并得出结论,浅部煤层受工作面开采尺寸影响最大,深部煤层受埋深的影响最大;李江华[8]采用电剖法对不同采高底板破坏深度进行了分析,得出煤层埋深较大时随着采高的增大,底板破坏深度增大｡常庆粮[9]对膏体充填开采底板破坏范围进行了研究,并揭示了充填开采控制底板的力学机理｡上述研究多限于解决承压水上安全采煤,而对煤层下伏巷道的影响研究较少｡因此,本文以大淑村矿四采区172406工作面为例,对工作面开采底板破坏深度和对下伏巷道的影响进行研究,为今后底抽巷的布置提供参考｡

1、工程背景

大淑村矿172406工作面位于南翼四采区中部,同层172402､172404工作面已回采结束｡该工作面回采2#煤层,本煤层属二叠系山西组地层,煤层赋存稳定,一般厚5.6m,煤岩层倾角平均12°,工作面采用走向长壁综放开采,原设计172406工作面是四采区最后一个条带工作面,下伏巷道有406底抽巷和404上顺槽｡工作面与下伏巷道的关系,如图1所示｡

图1工作面与下伏巷道的关系

2、孤岛工作面开采方案优化

2.1工作面开采方案

工作面对底板岩体的破坏深度受采宽影响[12],而底板破坏深度将直接影响到下伏巷道的稳定性,同时为最大限度回收四采区煤炭资源,对172406工作面回采方案进行优化,采宽建立2种方案:方案1为采宽70m,留宽126m;方案2为采宽180m,留宽16m;方案2相比方案1增加回采煤量约66万t,采出率达到90%｡406底抽巷距工作面底板30m,404上顺槽距工作面底板37m,设计方案,如图2所示｡

图2工作面开采方案(单位:m)

2.2底板破坏深度理论计算

工作面回采后考虑到底板岩层破坏深度受工作面采深､斜长､倾角因素的影响,参考“三下”采煤规程中底板破坏深度计算公式及回归计算方程,底板破坏深度

由式(1)､式(2)计算得出,方案1底板最大破坏深度分别为9.7､15.3m,方案2底板最大破坏深度分别为21.6､17.6m｡406底抽巷和404上顺槽布置距离底板均大于22m,因此工作面底板破坏深度未波及至下伏巷道｡

3、数值模拟研究

3.1模型建立

采用FLAC3D模拟软件建立计算模型[10-11],工作面倾向沿模型X方向布置,走向沿模型Y方向布置,2#煤层底板距离模型底边界45m｡设计模型大小为X×Y×Z=1600m×2200m×575m,模型建成共计528000单元,569296节点｡根据大淑村矿岩层物理力学参数测试报告,各煤岩层的物理力学参数,如表1所示｡

3.2数值模拟结果分析

分别对2种开采方案岩层移动和应力分布进行模拟,模拟结果如图3~图5所示｡孤岛工作面回采后,由于采空区下伏岩体应力得到释放,而两巷煤柱上下方出现应力集中,在应力降低区和增高区交接处将形成一个剪切破坏,剪切破坏区域主要集中在两巷煤柱顶､底板岩层内,底板岩层中布置的巷道位于该剪切破坏区时将造成严重破坏｡

表1煤岩层力学参数

图3垂直位移等值线分布图(单位:mm)

图4垂直应力等值线分布图(单位:MPa)

图5水平应力等值线分布图(单位:MPa)

从图3中可以看出,方案1中,采空区两侧受煤柱的影响,底板破坏深度较大,底抽巷竖直方向位移量为50~100mm,404上顺槽竖直方向位移量为0~50mm;方案2中,底板竖直位移呈倒马鞍形分布,底抽巷和404上顺槽竖直方向位移量为0~50mm｡孤岛工作面开采前,下伏巷道主要受孤岛工作面上覆岩层自重和两侧采空区顶板支撑压力的影响｡工作面回采后,顶､底板应力得到释放,从图4中可以看出,随着距离底板间距的增大,垂直应力逐渐减小,说明下伏巷道距离底板越远其稳定性越高｡孤岛工作面回采后,采空区上方的直接顶和基本顶主要表现为拉应力区;采空区两侧的煤柱上下方为支撑压力区｡

从图4中可以看出,工作面顶底板围岩应力为卸压区,其下伏巷道主要表现为底鼓,在工作面两巷煤柱顶底板形成应力增高区,最大垂直应力值出现在煤柱内部,最大值为14MPa,两侧煤柱主要表现为片帮｡2种开采方案中,底抽巷均位于卸压区,404上顺槽均位于高应力区｡方案1底抽巷垂直应力值为2MPa,404上顺槽垂直应力值为8MPa;方案2底抽巷垂直应力为0~1MPa,404上顺槽垂直应力值为6MPa｡孤岛工作面回采后,从工作面顶､底板垂直应力分布规律中可以得出方案2下伏巷道应力分布相比方案1明显减小｡

从图5可以看出,底板水平应力分布出现应力集中现象,由于下伏巷道受水平应力的影响,巷道受水平挤压会出现帮鼓现象｡方案1中底板应力集中程度较大,最大水平应力值为9MPa,底抽巷水平应力值为5MPa,404上顺槽水平应力值为6MPa;方案2中底抽巷水平应力为3MPa,404上顺槽水平应力为5MPa｡从2种方案下伏巷道应力分布规律可以得出,方案2底抽巷和404上顺槽水平应力分布均较方案1明显减小,有利于减小巷道帮鼓现象｡

4、结语

(1)通过理论计算得出底板破坏深度为17.6~21.6m,2种回采方案中下伏巷道布置均位于底板破坏深度之外,因此工作面底板破坏深度未波及至下伏巷道,证明下伏巷道位置布置合理｡

(2)孤岛工作面回采后,采空区顶､底板围岩应力出现明显卸压区域,底板应力得到释放,此时下伏巷道围岩应力明显降低,有效提高了下伏巷道的稳定性｡

(3)数值模拟结果显示,方案2中底板竖直位移呈倒马鞍形分布,底抽巷和404上顺槽均位于应力集中区域外,在竖直方向的位移､应力和水平方向的应力均较方案1明显减小,有利于减小巷道的变形｡

参考文献:

[1]靳德武.我国煤层底板突水问题的研究现状及展望[J].煤炭科学技术,2002(6):1-4.

[2]马文著,周晓敏,谭帅.承压水上煤层底板破坏特征研究——以山西义棠煤矿为例[J].采矿与岩层控制工程学报,2020,2(3):23-31.

[3]刘天泉.矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用[J].煤炭学报,1995(1):1-5.

[4]施龙青,韩进.开采煤层底板“四带”划分理论与实践[J].中国矿业大学学报,2005(1):19-26.

[5]刘伟韬,刘士亮,姬保静.基于正交试验的底板破坏深度主控因素敏感性分析[J].煤炭学报,2015,40(9):1995-2001.

[6]张培森,许大强,张晓乐,等.煤层底板破坏深度多因素影响指标分析与深度预测[J].采矿与岩层控制工程学报,2023,5(3):5-15.

[7]张风达,申宝宏.深部煤层底板破坏特征分析[J].采矿与安全工程学报,2019,36(1):44-50.