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工作面过陷落柱覆岩垮落形态与支护技术研究

2024-06-12 47 上传者：管理员

摘要：为解决新景公司芦北15号采区15231进风巷过陷落柱区域的支护设计问题，采用理论分析构建了陷落柱破坏判定式，并分析了陷落柱构造的力学致灾与防治机理。运用相似模拟实验探究了工作面过陷落柱区域时的覆岩垮落规律。结果表明：陷落柱的裂隙结构、应力强度因子等岩性特征参数越弱，构造复杂程度越高，陷落柱的失稳破坏强度越大。工作面通过陷落柱区域时会发生大面积的覆岩运移与顶板的急速下沉。推过陷落柱区域后，覆岩的破断高度沿陷落柱高度继续向上发育，周期来压步距表现为“揭露构造前大于揭露构造后”的特征。针对性地设计了“钢筋钢带+经纬网+锚索+锚杆+套29U型棚”联合支护方案，监测结果表明：两帮的变形量波动增加，顶底板的变形量缓慢增加，变形增量为25～35 mm.巷道未表现出明显的大变形与快速失稳的特征，侧面验证了支护优化设计方案具有可靠性。

关键词：
工作面
巷道支护
支护设计
覆岩垮落
陷落柱构造
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矿井工作面过陷落柱区域是煤矿开采中的一个复杂和敏感区域。陷落柱作为典型的地质构造，其稳定性对于确保矿井安全和持续开采至关重要[1,2,3]。过陷落柱的开采不仅涉及到矿体的资源回收，也直接影响矿山压力的重新分布和地下工程的稳定，并可能引起人员安全危险、设备损失、冲击地压现象、地面环境破坏、水害风险增加、资源浪费、开采难度增加等采矿问题[4,5,6]。正确评估和处理这些区域的风险，是矿山工程与安全管理的核心议题。

针对煤矿地质陷落柱的矿山压力问题，从力学角度出发，郝兵元等[7]探究了综采工作面过陷落柱区域导致的陷落柱柱体的应力演化规律。李振华等[8]通过考虑渗透水压的作用，将陷落柱围岩分为了无水力梯度的塑性充水区和存在水力梯度的周边渗透区，同时理论分析了陷落柱的渗透区与弹性区的应力分布函数。刘港等[9]采用弹性力学的板壳理论与断裂力学理论提出了底板隐伏陷落柱的破坏模型。尹尚先等[10]以陷落柱与隔水关键层的厚度之比为切入点，将陷落柱诱发矿井突水的模型划归为薄板模型与剪切模型。

以上研究为煤矿陷落柱诱发灾害的力学机理提供了大量研究基础，但探究方向多为陷落柱致使矿井突水的灾变机理。在工作面开采工程中，陷落柱由于其自身力学性质与岩性分布等构造问题，通常也会导致工作面覆岩的不规则垮落、矿压分布异常、巷道大变形等问题[11,12,13,14,15,16,17]。为深入研究工作面过陷落柱区域导致的矿压问题，本文以新景公司芦北15号采区15231进风巷过陷落柱区域的实际工程为例，理论分析了陷落柱区域的力学特征，探究了15231工作面过陷落柱区域的覆岩垮落规律，并提出了相应的巷道支护措施，为此类地质矿压问题提供理论与实践指导。

1、工程概况

15231工作面煤层平均厚度为7.02 m, 平均倾角为5°,煤层的层理与节理较为发育，煤层赋存稳定，结构简单，属中灰、中硫、中磷的无烟煤，煤层以半亮煤为主，内生裂隙发育，煤层含有两层夹矸，坚固性系数为0.6～1.5.煤层顶底板岩性特征如表1所示。

表1 15231工作面顶底板岩性特征

15231进风巷为沿15号煤顶板掘进的上层回采巷道，巷道断面为直墙半圆拱断面，净宽5.0 m, 净高3.63 m; 荒宽5.52 m, 荒高3.83 m.15231工作面井下位于芦北15号煤采区南翼西部，东为15030工作面(已采)和15309工作面(未掘),南为芦南15号煤采区大巷，西为本区15232工作面，北为芦北15号煤采区大巷。本巷道上覆3号煤层7303、7304、7309、71122工作面已开采；上覆6号煤层不可采；上覆8号煤层2116、8118工作面已开采；上覆9号煤层9114工作面正在开采，其他煤层均未开采。根据地质测量部预测预报资料显示，15231进风巷继续掘进5 m将揭露陷落柱，预计规模20 m×15 m, 具体位置如图1所示。

图1 陷落柱与工作面进风巷相对位置

2、陷落柱构造力学模型分析

陷落柱构造在平面方向上多为圆形或椭圆形构造，在垂直方向上具有一定高度，为简化分析，构建了如图2所示的椭圆形陷落柱力学模型。

图2 陷落柱力学模型

假设陷落柱的内部承受均匀的剪切作用力，应力无旋转现象。陷落柱的高度为h,m; 上表面的周长为l1,m; 长轴为a1,m; 下表面的周长为l2,m; 长轴为a2,m; 斜边的长度为l,m; 柱边与下表面的夹角为α,°.

设陷落柱力学模型内部岩石承受的极限剪切应力为τ0,则根据断裂力学理论可得到式(1):

式中：KIC为岩石断裂韧度；d为裂缝尺寸，m.

对式(1)进行积分，可得到陷落柱边界上所能承受的极限剪切力如式(2)所示：

式中：Q'为极限抗剪强度，MPa; a为塑性破坏平面范围的长轴长度，m; b为塑性破坏平面范围的短轴长度，m.

假设陷落柱所受的垂直应力与原岩应力相同，则椭圆平面上所受的剪切应力如式(3):

τ=C+γHtanφ (3)

式中：γ为覆岩容重，N/m3;H为陷落柱的埋深，m; C为陷落柱岩石的内聚力，MPa; φ为陷落柱岩石的内摩擦角，°.

对式(3)进行积分得到陷落柱边界上的剪切作用力Q如式(4)所示：

当陷落柱边界的抗剪切强度大于剪切作用力时，即当Q'>Q时，陷落柱构造带将会被破坏，公式表达如式(5)所示：

综上分析，式(5)为陷落柱构造的破坏判据，假设陷落柱的短轴b与长轴a的比值为k1,则式(5)可简化表示为式(6):

将公式(6)进行变换得到其判定公式(7)形式：

对式(7)进行理论分析：当F>1时，陷落柱区域将会发生塑性破坏，同时可以得出以下结论：

成正比，即陷落柱自身的围岩裂缝越多，陷落柱越容易发生破坏。

2) F与KIC成反比，即陷落柱岩石的应力强度因子越大，陷落柱越不易发生破坏。

3) 陷落柱的稳定性与埋深，岩石容重，以及岩石的力学强度参数有直接关系。

因此，巷道过陷落柱的技术关键在于改善陷落柱结构的力学性质，增加陷落柱岩石的力学性能与抗剪强度，通过对陷落柱进行加固，降低陷落柱的破碎程度。

3、工作面过陷落柱相似模拟研究

为探究工作面开采过程中前方陷落柱对覆岩垮落规律的影响，采用相似模拟实验方法对顶板的破断特征、周期来压步距等现象进行分析。相似模拟模型的尺寸为250.0 cm×144.8 cm,其中15号煤层位于模型底板68.8 cm位置，模型的比例为1∶50.工作面左边5 cm位置作为开切眼，工作面右边5 cm位置作为停采线，每次推进距离为10 cm,推进速度为20 cm/h,图3(a)即为完整模型的形态。当工作面向前推进，当工作面推进距离为16.7 m时，如图3(b)所示。由于工作面顶板的悬臂距离增加，超过了极限抗弯强度，直接顶发生了初次垮落。在图3(c)中，采空区的范围继续增加，弯矩则随之增大，工作面推进至20.3 m时，顶板发生了初次破断，但由于距陷落柱的距离较远，并未产生耦合影响。工作面距离推进至图3(d)所示位置时，工作面顶板周期性垮落，发生周期性来压，来压的步距约为17.3 m.

在图3(e)～(h)中，工作面正式通过陷落柱区域，综合分析可知，工作面进入陷落柱区域后，会导致陷落柱构造发生整体失稳，覆岩的破断高度由原有的顶板垮落高度上升至陷落柱柱体高度，在实际工程中会导致陷落柱区域发生大面积的覆岩运移与顶板的急速下沉，当工作面推过陷落柱区域后，覆岩的破断高度并未下降，而是沿原有高度继续向上发育，同时垮落步距更短，周期来压步距表现为“揭露构造前>揭露构造后”的特征。因此，在支护设计中，不仅需要对过陷落柱区域巷道进行设计，同时还需考虑陷落柱前后区域的巷道支护设计。

图3 工作面过陷落柱相似模拟试验

4、进风巷过陷落柱区域支护优化设计

4.1 支护优化设计方案

根据上述分析结果，对15231进风巷过陷落柱区域及前后10 m范围进行支护设计：采用“钢筋钢带+经纬网+锚索+锚杆+套29U型棚”联合支护，顶部使用1根4.5 m钢筋钢带，在正中及其两侧共布置5根Φ21.8 mm×6 200 mm锚索，锚索间距1 000 mm、排距800 mm(不超过800 mm)。陷落柱区域内帮部两帮，各布置3根500号Φ20×2 000 mm锚杆，间距1 000 mm、排距800 mm(不超过800 mm)。陷落柱前后10 m帮部两帮，各布置3根Φ21.6×4 200 mm锚索，间距1 000 mm、排距800 mm(不超过800 mm)。最上1根帮锚杆距拱部最下1根锚索1 000 mm,最下1根帮锚杆距底板400 mm(断面支护图见图4)。

图4 工作面进风巷过陷落柱区域支护优化设计断面图（单位：mm)

过陷落柱前后10 m范围，棚距1 000 mm,棚梁滞后距离不超过两排；过陷落柱期间，棚距800 mm,棚梁滞后距离不超过两排；若顶板破碎、压力大、含水时，棚距600 mm,棚梁紧跟煤头，严禁滞后，揭露陷落柱后根据现场顶帮条件，若较破碎不得滞后。

4.2 工程监测验证

在15231进风巷与陷落柱交接的中心点进行工程监测，通过分析两帮与顶底板的变形量对支护方案的可靠性与有效性进行判定。根据图5所示，在为期两个月的监测区间中，两帮的变形量波动增加，变形增量约为25 mm;顶底板的变形量缓慢增加，变形增量约为35 mm.巷道并未表现出明显的大变形与快速失稳的特征，由此可以侧面表明上述的工作面进风巷过陷落柱区域支护优化设计方案具有可靠性，为巷道的安全生产运营提供了保障。

图5 15231进风巷与陷落柱交接的中心点变形曲线

5、结语

1) 采用理论分析方法建立陷落柱破坏判定式，对影响陷落柱构造稳定性的因素进行分析。即陷落柱自身的围岩裂缝越多，陷落柱越容易发生破坏；陷落柱岩石的应力强度因子越大，陷落柱越不易发生破坏；陷落柱的稳定性与埋深，岩石容重，以及岩石的力学强度参数有直接关系。

2) 运用相似模拟试验分析了工作面过陷落柱区域的覆岩垮落规律。指出工作面通过陷落柱区域时会发生大面积的覆岩运移与顶板的急速下沉。推过陷落柱区域后，覆岩的破断高度沿陷落柱高度继续向上发育，周期来压步距表现为“揭露构造前>揭露构造后”的特征。

3) 针对15231进风巷的支护设计提出了“钢筋钢带+经纬网+锚索+锚杆+套29U型棚”联合支护方案。监测结果显示，两帮的变形量波动增加，顶底板的变形量缓慢增加，变形增量约为25～35 mm.巷道未表现出明显的大变形与快速失稳的特征。

参考文献:

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