下保護(hù)層開(kāi)采對(duì)上覆煤巷的動(dòng)態(tài)影響及控制研究

1、󰀁第25卷第4期下保護(hù)層開(kāi)采對(duì)上覆煤巷的動(dòng)態(tài)影響及控制研究涂󰀁敏1,張向陽(yáng)1,張華磊2(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院,煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽淮南󰀁232001;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)理學(xué)院,江蘇徐州󰀁221116)摘要:為了解決下保護(hù)層開(kāi)采對(duì)上覆煤層巷道圍巖變形的影響,采用注漿加固巷道圍巖是一種可行的方法.在力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,得出了基本頂?shù)膿锨颗c巷道圍巖支護(hù)阻力之間的關(guān)系,支護(hù)阻力減小時(shí),基本頂彎曲下沉撓度增加;當(dāng)圍巖比較破碎時(shí),注漿加固巷道圍巖是防治其變形的有效措施,并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了破碎煤體注漿加固試驗(yàn).研究

2、結(jié)果表明,通過(guò)對(duì)受采動(dòng)影響煤體的注漿加固有效地控制了上覆煤層巷道圍巖的變形.關(guān)鍵詞:保護(hù)層開(kāi)采;上覆煤巷;力學(xué)分析;圍巖控制中圖分類號(hào):TD350󰀁󰀁文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADynamicEffectonOverlyingCoalEntryinUsingLowerProtectiveSeamMiningandItsControllingMeasuresTUMin1,ZHANGXiang󰀁yang1,ZHANGHua󰀁lei2(1.SchoolofMiningandSafety,TheKeyLaboratoryofSafeandHigh

3、83041;EfficiencyMiningofMinistryofEducation,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,Anhui232001,China;2.CollegeofScience,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou,Jiangsu221116,China)Abstract:Insolvingtheproblemofdeformationinsurroundingrocksoftheoverlyingcoalen󰀁trycausedbyupperpro

4、tectiveseammining,reinforcingthesurroundingrocksbygroutingisafeasiblemethod.Fromthemechanicsanalysis,weobtainedtherelationshipbetweenthedeflec󰀁tionofmainroofandsupportresistanceofsurroundingrocks:thedeflectionofthemainroofincreaseswiththedecreaseofsupportresistance.So,whenthesurroundingrocki

5、scrushed,thereinforcementbygroutingisveryeffectivetopreventthesurroundingrockfrombeingde󰀁formed.Thisisverifiedinpracticalproduction.Keywords:protectiveseammining;overlyingentry;mechanicsanalysis;surroundingrockcontrol󰀁󰀁保護(hù)層開(kāi)采是防止煤和瓦斯突出最有效、最經(jīng)濟(jì)的措施,但由于下保護(hù)層的開(kāi)采必定引起上覆巖層的下沉移動(dòng)變形,在上覆煤層中

6、沿走向及傾向卸壓區(qū)域邊緣形成一定的應(yīng)力升高區(qū),該區(qū)域內(nèi)煤層中采動(dòng)裂隙發(fā)育1󰀁5.對(duì)于布置在其中的巷道來(lái)說(shuō),必定導(dǎo)致其圍巖應(yīng)力分布產(chǎn)生變化,巷道圍巖破碎,呈現(xiàn)󰀂松軟散 的特性,在工作面回采過(guò)程中,巷收稿日期:2008󰀁06󰀁15基金項(xiàng)目:安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(070414170);煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(07KF06)󰀁第4期涂󰀁敏等:下保護(hù)層開(kāi)采對(duì)上覆煤巷的動(dòng)態(tài)影響及控制研究4271󰀁上覆巷道圍巖變形的力學(xué)分析1.1󰀁力學(xué)模型的建立依據(jù)淮南礦區(qū)

7、某礦地質(zhì)條件為背景,由采場(chǎng)上覆巖層移動(dòng)規(guī)律可知:上覆煤層移動(dòng)盆地的中部為均勻下沉,而移動(dòng)盆地的邊緣部分的煤層內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變最大,11󰀁2煤層的開(kāi)采造成被卸壓煤層13󰀁1煤層的移動(dòng)變形,如圖1所示.󰀁󰀁求解該微分方程,并應(yīng)用邊界條件x=0處:y=y0;M0=EIy0;Q0=EIy0+Ny#0.x%處:y0.󰀁󰀁確定積分常數(shù)后得0x0y=e- cos!x-EI(r-s)r00sin!x2EI(r-s)!r󰀁󰀁因而=y#=e- x(5).(6)00cos!-x-EI(r-s),

8、󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁,(8)(7)00sin!x2EI(r-s)!圖1󰀁采動(dòng)影響范圍示意圖Fig.1󰀁SchematicdiagramofinfluencescopeofminingareaM=EIy=e- xM0cos!x+00sin!x(r-s)!xQ=EIy󰀂=e-1)采11󰀁2煤時(shí),13󰀁1煤頂板下沉分析基本頂簡(jiǎn)化為懸臂梁600cos!x-r-s,(9)00sin!x2(r-s)!式中: =-241/2;!=+241/2;為懸臂梁橫截面的

9、轉(zhuǎn)角;Q為懸臂梁橫截面的剪力;Q0為懸,如圖2.臂梁端部橫截面上的彎矩;M為懸臂梁橫截面上的彎矩;M0為懸臂梁端部橫截面上的彎矩.則懸臂梁相對(duì)于x=0端的下沉量為y相對(duì)+󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁=0L+3EI-L-02Lq(x)xdx-q(x)xdx-00-2EI3圖2󰀁力學(xué)模型一Fig.2󰀁Thefirstmechanicalmodel󰀁󰀁

10、懸臂梁受到橫向分布載荷q(x)及軸向力N作用.由Winkler彈性地基假設(shè)有q(x)=-ky,式中󰀁k為系數(shù).將其視為半無(wú)限長(zhǎng)梁,則參照Timoshenko的解,梁的彎曲變形微分方程為EIy+Ny=q(x),式中󰀁EI為抗彎剛度.令s=N/EI,r2=k/EI.󰀁󰀁則式(2)變?yōu)?0)(3)(2)(1)00.EIr(r-s)(10)󰀁󰀁在平面應(yīng)變條件下,基本頂?shù)膹椥阅Ａ縀取E/(1-#),#為泊松比.2)13󰀁1煤開(kāi)采時(shí)其頂板下沉分析此時(shí),懸臂梁受到集度為q支的支護(hù)力,受力分析如圖3

11、所示.圖3󰀁力學(xué)模型二Fig.3󰀁Thesecondmechanicalmodel)428采礦與安全工程學(xué)報(bào)第25卷󰀁M0=&L支q(x)xdx+QL+N-,(11)022Q0=&q(x)dx+Q-qL(2!8!,煤層厚度為1.54.2m,平均3.6m.11󰀁2煤層中1211(1)工作面分別沿著傾向開(kāi)采,對(duì)被卸壓煤層13󰀁1煤層中的1214(3)工作面進(jìn)行卸壓.1214(3)工作面自2006年6月20日開(kāi)始至2007年2月28日,工作面共推進(jìn)400m,其中自2006年9月至2007年2月,工作面通過(guò)

12、1211(1)工作面采動(dòng)影響范圍段,安全生產(chǎn)條件十分惡劣,出現(xiàn)過(guò)頂板出水、壓架、漏頂?shù)痊F(xiàn)象,巷道挑頂高度達(dá)到6m左右,嚴(yán)重影響了整個(gè)礦井的安全生產(chǎn).1214(3)和1211(1)工作面位置關(guān)系如圖4所示.支L.(12)則懸伸端相對(duì)于x=0端的下沉量為支4y相對(duì)=0L+-+󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁3EI8EI-L-02Lq(x)xdx-q(x)xdx-00-2EI00.EIr(r-s)(13)󰀁󰀁可見(jiàn),基本頂?shù)膿锨颗c巷道圍巖的

13、支護(hù)阻力之間的關(guān)系為支護(hù)阻力減小時(shí),基本頂彎曲下沉撓度增加.2󰀁巷道圍巖加固技術(shù)分析由力學(xué)分析可知,巷道圍巖基本頂彎曲下沉撓度隨支護(hù)阻力的增大而減小,對(duì)于巷道支護(hù)而言,在增大圍巖支護(hù)阻力的同時(shí),還要改善圍巖的力學(xué)特征.而錨桿支護(hù)利用其本身的主動(dòng)支護(hù)原理,能夠起到改善圍巖力學(xué)特征的目的,但對(duì)于下保護(hù)層開(kāi)采上覆煤層巷道來(lái)說(shuō),巷道處于下保護(hù)層卸壓帶范圍之內(nèi),圍巖力學(xué)參數(shù)已發(fā)生部分改變,呈現(xiàn)顯著的󰀂松軟散 特性,巷道變形表現(xiàn)為明顯的流變性.由工程應(yīng)用實(shí)踐證明和注漿加固巷道圍巖的機(jī)理7󰀁10可知,注漿是加固和改善󰀂松軟散 巷道圍巖一種有效的

14、方法之一,它是一種以劈裂為主,兼具充填和擠密等多種復(fù)合運(yùn)動(dòng)形式,因漿液的水化反應(yīng),離子交換,化學(xué)膠結(jié)作用,形成結(jié)石體,提高土體的物理力學(xué)性能,是一種復(fù)雜的化學(xué)變化與物理變化的綜合反應(yīng)過(guò)程.當(dāng)圍巖比較破碎時(shí),鉆孔注漿加固是防治其片冒的有效措施,為了加強(qiáng)下保護(hù)層開(kāi)采卸壓范圍內(nèi)上覆圍巖自身的強(qiáng)度,因此,提出在原來(lái)錨桿主動(dòng)支護(hù)的基礎(chǔ)上,采用注漿方法,對(duì)圍巖進(jìn)行二次加固,并進(jìn)行了工程實(shí)踐.圖4󰀁1214(3)和1211(1)工作面位置關(guān)系圖Fig.4󰀁Ubietychartofminingface1214(3)and1211(1)3.2󰀁注漿加固方案),+

15、和,孔深3.0m,布孔間距3.0m;孔)和,仰角37!,孔距離巷道頂板1.2m,孔)距離號(hào)孔1.2m.使用7655型風(fēng)錘造孔、封孔器封孔,利用專用注漿泵注入馬麗散達(dá)到堵漏、加固的目的,設(shè)計(jì)壓力為58MPa.鉆孔布置如圖5所示.3󰀁工程應(yīng)用3.1󰀁工程技術(shù)條件1214(3)工作面位于張集礦西一(13󰀁1)上采區(qū)以北.東、西分別至五勘探線、五六勘探線;南、北分別至60m,40m防水煤柱線以內(nèi).工作面走向長(zhǎng)200m,傾斜長(zhǎng)816m,面積為163200m.地面標(biāo)高為+25.3+27.4m,工作面標(biāo)高為-413.12󰀁第4期涂𘀀

16、1;敏等:下保護(hù)層開(kāi)采對(duì)上覆煤巷的動(dòng)態(tài)影響及控制研究429產(chǎn).而巷道注漿后,頂?shù)装彘]合量雖然隨著時(shí)間的增長(zhǎng)在變大,斷面收縮率曲線斜率減小,巷道斷面收縮率控制在20%左右,說(shuō)明馬麗散注漿材料能有效地控制巷道破碎頂板,改變圍巖松散結(jié)構(gòu),提高煤巖體的整體強(qiáng)度,使破碎頂板重新固結(jié)生成頂板,減小巷道變形,從而保證了工作面的推進(jìn)速度,滿足工作面安全高效生產(chǎn)的要求.4󰀁結(jié)󰀁論1)下保護(hù)層開(kāi)采對(duì)上覆煤層巷道產(chǎn)生動(dòng)態(tài)影響,巷道處于下保護(hù)層卸壓范圍內(nèi),圍巖力學(xué)參數(shù)圖5󰀁注漿孔分布圖Fig.5󰀁Layoutofgroutinghole發(fā)生改變,呈現(xiàn)顯著

17、的󰀂松軟散 特性,巷道變形表現(xiàn)為明顯的流變性.2)采用錨桿支護(hù)系統(tǒng)對(duì)圍巖加固;當(dāng)圍巖比較破碎時(shí),為了加強(qiáng)圍巖自身的強(qiáng)度,實(shí)施馬麗散注漿加固巷道圍巖,有效地控制松散圍巖巷道的變形,使破碎頂板重新固結(jié)整體強(qiáng)度較高的頂板,保證了工作面的正?；夭?參考文獻(xiàn):1󰀁錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制M.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.2󰀁湯建泉,何滿潮,馬慶云,等.開(kāi)采覆巖運(yùn)動(dòng)和破壞規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究J.中國(guó)煤炭,1996(2):14󰀁17.TANGJian󰀁quan,HEMan󰀁chao,MAQingb

18、3041;yun,etal.Studyonlawsofmovementanddestructionofex󰀁perimentalofcoverrockminingJ.ChinaCoal,1996(2):14󰀁17.3󰀁HOPKINSDL.Theimplicationsofjoint󰀁deforma󰀁tioninanalyzingthepropertiesandbehavioroffrac󰀁turedrockmasses,undergroundexcavationandfaultsJ.Internat

19、ionalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,2000,37(1/2):52󰀁56.4󰀁GALEWJ.Stratacontroldtillisingrockreinforce󰀁menttechniquesandstresscontrolmethodsinaus󰀁traliacoalminesJ.MiningEngineering,1991(1):67󰀁71.5󰀁涂󰀁敏,繆協(xié)興,黃乃彬.遠(yuǎn)程下保護(hù)層開(kāi)采被保護(hù)煤層變形規(guī)律研究J.采礦與安全工程

20、學(xué)報(bào),2006,23(3):253󰀁257.TUMin,MIAOXie󰀁xing;HUANGNai󰀁bin.De󰀁依照?qǐng)D5所示布孔及封孔,要求鉆孔直徑42mm;開(kāi)始注漿,把兩根吸料管分別插入馬麗散樹(shù)脂和催化劑桶中,活塞在氣馬達(dá)的作用下運(yùn)動(dòng),由1214(3)工作面走向布置,距切眼400m前方范圍內(nèi)巷道受到下方1211(1)工作面采動(dòng)的影響,變形較嚴(yán)重,因此,在變形嚴(yán)重段每隔8m布置一個(gè)表面變形測(cè)點(diǎn),剩余巷道每隔16m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn).共布置80對(duì)觀測(cè)斷面,連續(xù)觀測(cè)了60d.采用十字布點(diǎn)法觀測(cè).3.5󰀁觀測(cè)結(jié)果分析通過(guò)對(duì)注

21、漿前后巷道表面變形觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析,巷道斷面收縮率如圖6.圖6󰀁未注漿加固和注漿加固后巷道測(cè)點(diǎn)變化圖Fig.6󰀁Changechartofmeasuringpointaftergroutingandnogroutingformationruleofprotectedcoalseamexploitedbyu󰀁singthelong󰀁distance󰀁lowerprotectiveseammethodJ.JournalofMining&SafetyEngineering,2006,23(3):253𘀀

22、1;257.6󰀁錢鳴高,繆協(xié)興.采場(chǎng)上覆巖層結(jié)構(gòu)的形態(tài)與受力分析J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),󰀁󰀁注漿前隨著時(shí)間的持續(xù),巷道斷面收縮率逐漸增大,一個(gè)月內(nèi)巷道斷面收縮率達(dá)到45%,巷道變(下轉(zhuǎn)第434頁(yè))434采礦與安全工程學(xué)報(bào)第25卷󰀁參考文獻(xiàn):1󰀁伍永平.大傾角煤層開(kāi)采󰀂R󰀁S󰀁F 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)控制基礎(chǔ)研究D.西安:西安科技大學(xué)能源學(xué)院,2003.2󰀁伍永平,員東風(fēng),張淼豐.大傾角煤層綜采基本問(wèn)題研究J.煤炭學(xué)報(bào),2000,25(5):445󰀁

23、;448.WUYong󰀁ping,YUANDong󰀁feng,ZHANGMiao󰀁feng.Studyontheelementaryproblemsoffull󰀁mech󰀁anizedcoalminingingreaterpitchingseamJ.Jour󰀁nalofChinaCoalSociety,2000,25(5):445󰀁448.3󰀁師賀慶.傾斜厚煤層綜放開(kāi)采技術(shù)探討J.礦山壓力與頂板管理,2001,18(1):44󰀁46.SHIHeb

24、3041;qing.Studyonfullymechanizedsublevelca󰀁vinginsteepextra󰀁thickcoalseamJ.GroundPres󰀁sureandStrataControl,2001,18(1):44󰀁46.4󰀁伍永平,員東風(fēng).大傾角綜采支架穩(wěn)定性控制J.礦山壓力與頂板管理,1999,16(3/4):82󰀁85.WUYong󰀁ping,YUANDong󰀁feng.Thestabilitycontrolofsupportattop

25、cavingfacewithsteepseamJ.GroundPressureandStrataControl,1999,16(3/4):82󰀁85.5󰀁張󰀁勇,劉󰀁濤,師賀慶.大傾角綜放工作面支架失穩(wěn)機(jī)理J.煤炭工程,2003(10):25󰀁28.ZHANGYong,LIUTao,SHIHe󰀁qing.Analyzingthedestabilizationofthehydraulicsupportathigh󰀁dipfully󰀁mechanizedlongwallf

26、aceusingsublevelcavingmethodJ.CoalEngineering,2003(10):25󰀁28.6󰀁林忠明,陳忠輝,謝俊文,等.大傾角綜放開(kāi)采液壓支架穩(wěn)定性分析與控制措施J.煤炭學(xué)報(bào),2004,29(3):264󰀁268.LINZhong󰀁ming,CHENZhong󰀁hui,XIEJun󰀁wen,etal.Stabilityanalysisandcontrolmeasuresofpow󰀁eredsupportsingreaterinclinedfull&#

27、983041;mechanizedcoalseamJ.JournalofChinaCoalSociety,2004,29(3):264󰀁268.7󰀁錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制M.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.8󰀁弓培林.大采高采場(chǎng)圍巖控制理論及應(yīng)用研究M.北京:煤炭工業(yè)出版社,2006.9󰀁趙洪亮,袁󰀁永,張󰀁琳.大傾角松軟煤層綜放面礦壓規(guī)律及控制J.采礦與安全工程學(xué)報(bào),2007,24(3):345󰀁348.ZHAOHong󰀁liang,YUANYong

28、,ZHANGLin.StratabehaviorinfullymechanizedtopcoalcavingfaceofsteepsoftcoalseamsanditscontrolJ.Jour󰀁nalofMining&SafetyEngineering,2007,24(3):345󰀁348.(上接第429頁(yè))󰀁󰀁1995,14(2):97󰀁106.QIANMing󰀁gao,MIAOXie󰀁xing.Theoreticalanaly󰀁sisonthestructuralformandstabilityofoverlyingstatainlongwallminingJ.ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,1995,14(2):97󰀁106.7󰀁張淑同,楊志