深部厚層復(fù)合頂板沿空留巷圍巖變形機(jī)理及其控制研究.pdf

1、目前，我國(guó)礦井每年以10～25m的速度向深部延深，深部開(kāi)采面臨“三高一擾動(dòng)”，即高應(yīng)力、高地溫和高巖溶水壓及強(qiáng)烈的開(kāi)采擾動(dòng)影響，嚴(yán)重制約煤礦的安全高效開(kāi)采。深部圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜多變，其中，在圍巖控制方面，以厚層復(fù)合頂板巖層的控制難度很大，厚層復(fù)合頂板在留巷過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的離層，加上充填體的劇烈變形，極易誘發(fā)頂板事故，這和深部開(kāi)采面臨的突水、煤與瓦斯突出構(gòu)成深部開(kāi)采的主要工程災(zāi)害。
　　為了實(shí)現(xiàn)深部煤炭的安全高效開(kāi)采和生產(chǎn)的快速

2、接替，解決深部煤層高瓦斯對(duì)生產(chǎn)的制約影響，在卸壓抽采采動(dòng)裂隙瓦斯，采用上向和下向鉆孔抽采鄰近煤層裂隙瓦斯和實(shí)行Y型通風(fēng)的基礎(chǔ)上，利用采動(dòng)形成的支承壓力在采空區(qū)邊緣的低應(yīng)力區(qū)，進(jìn)行無(wú)煤柱沿空留巷，既解決深部上隅角的瓦斯超限難題，又為留巷圍巖的穩(wěn)定提供了可利用的有利條件。
　　深部厚層復(fù)合頂板條件下的沿空留巷，在工作面開(kāi)采引起留巷上覆巖層的變形-斷裂和下沉運(yùn)動(dòng)，在工作面傾向和豎直方向上形成“橫三區(qū)，豎三帶”，即傾向方向上留巷采空區(qū)邊緣

3、的低應(yīng)力區(qū)、煤幫應(yīng)力增高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)及豎直方向向上依次為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶;由留巷上覆巖層運(yùn)動(dòng)形成的“內(nèi)、外”應(yīng)力拱的動(dòng)態(tài)演化，留巷上覆巖層“外”應(yīng)力拱拱內(nèi)破斷巖層形成留巷圍巖的“大”結(jié)構(gòu)，當(dāng)工作面推進(jìn)到采面長(zhǎng)度左右時(shí)，覆巖“外”應(yīng)力拱的拱高擴(kuò)展高度達(dá)到最大，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，應(yīng)力拱的擴(kuò)展高度基本不變，“大”應(yīng)力拱的拱腳隨工作面的推進(jìn)有向深部移近的趨勢(shì);“內(nèi)”應(yīng)力拱形成留巷圍巖的“小”結(jié)構(gòu)，“內(nèi)”應(yīng)力拱拱腳向深部移近較“外

4、”應(yīng)力拱更為緩慢，“大”結(jié)構(gòu)的破斷運(yùn)動(dòng)促使“小”結(jié)構(gòu)受到很大沖擊作用并產(chǎn)生劇烈變形運(yùn)動(dòng)，這種變形是否能夠達(dá)到耦合，與留巷圍巖的支護(hù)結(jié)構(gòu)、支護(hù)參數(shù)和支護(hù)的時(shí)空關(guān)系等密切相關(guān)。
　　深部煤層頂板大多表現(xiàn)為復(fù)合頂板，薄層復(fù)合頂板下留巷時(shí)頂板較易控制，而厚層復(fù)合頂板下留巷圍巖呈現(xiàn)全斷面來(lái)壓，其留巷圍巖變形程度明顯地強(qiáng)烈于淺部和中硬頂板，圍巖變形具有顯著的分區(qū)裂化現(xiàn)象，留巷圍巖變形具有明顯的不均衡性和持續(xù)流變特性，其破壞形式主要有撓曲、剪切

5、、拉伸及壓縮破壞形式，厚層復(fù)合頂板的塑性離層明顯、層間彎曲和因錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生的層間離層，使得留巷頂?shù)装瀹a(chǎn)生明顯的增垮效應(yīng)，普通錨桿與錨索難以將厚層復(fù)合巖層錨固在深部堅(jiān)硬巖層中，難以形成留巷圍巖穩(wěn)定的拱結(jié)構(gòu)，在外層“大”結(jié)構(gòu)的沖擊作用下，留巷圍巖“小”結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生失穩(wěn)。
　　深部厚層復(fù)合頂板巖層大致可分為全軟巖層、上軟下硬巖層和上硬下軟復(fù)合巖層三種，在不同類(lèi)型復(fù)合頂板條件下進(jìn)行留巷的難易程度也明顯不同，通過(guò)正交數(shù)值分析可知全軟型厚層復(fù)合

6、頂板離層下沉量最大，上硬下軟厚層復(fù)合頂板次之，上軟下硬厚層復(fù)合頂板離層下沉量最小。
　　本文主要運(yùn)用巖層控制關(guān)鍵層理論和彈塑性理論，構(gòu)建深部留巷基本頂和厚層復(fù)合頂板運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型，對(duì)留巷基本頂關(guān)鍵塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和復(fù)合直接頂變形規(guī)律進(jìn)行力學(xué)分析，得出復(fù)合頂板的撓曲變形方程，并分析其底鼓變形的力學(xué)機(jī)理。通過(guò)FLAC3D分析厚層復(fù)合頂板下留巷覆巖“內(nèi)、外”應(yīng)力拱的演化特征圍巖的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的演化規(guī)律;通過(guò)正交分析揭示了厚層復(fù)合頂板類(lèi)型、

7、充填體寬度、充填體強(qiáng)度、煤體強(qiáng)度、巷內(nèi)不同支護(hù)形式和采空區(qū)壓實(shí)剛度對(duì)厚層復(fù)合頂板留巷圍巖應(yīng)力與變形的影響強(qiáng)弱關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室相似模擬分析厚層復(fù)合頂板沿空留巷圍巖隨采動(dòng)影響下的變化規(guī)律，為深部厚層復(fù)合頂板下留巷圍巖的控制提供了思路。
　　最后，針對(duì)深部厚層復(fù)合頂板沿空留巷圍巖變形的時(shí)空特征，提出了非均衡控制和底板錨注支護(hù)控制技術(shù)，對(duì)關(guān)鍵部位分段分區(qū)加固支護(hù)，對(duì)厚層復(fù)合頂板進(jìn)行錨桿加長(zhǎng)短錨索進(jìn)行梯次立體錨固支護(hù)，在留巷巷內(nèi)復(fù)合頂板巖層