急倾斜煤层巷帮变形失稳数值模拟

作者:秦涛;刘永立;冯俊杰;董长吉 刊名:辽宁工程技术大学学报(自然科学版) 上传者:王霞

【摘要】为控制新强煤矿急倾斜煤层巷帮变形失稳,采用数值模拟、理论分析和现场试验相结合的方法对急倾斜松软煤层回采巷道围岩变形破坏规律、合理支护方式与支护参数进行研究.研究表明:急倾斜松软煤层两端区是破坏的集中区域,下端头破坏更为剧烈,急倾斜松软煤层巷道的变形与破坏具有非对称性;急倾斜煤层巷道无支护时,巷道冒顶、底鼓、上帮破坏比较严重,而采用锚杆支护后,底鼓是影响上帮稳定性的关键,巷道上帮底角是控制的关键部位.通过数值模拟优化,确定了最终的支护参数,并进行了现场工业性试验,观测结果表明:巷道变形得到了有效控制,取得了较好的支护效果.

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0引言急倾斜煤层的形成受地质构造影响,构造应力大,煤层受破坏范围大,煤层松散.在急倾斜煤层巷道围岩内,虽然垂直煤层顶底板压力较小,但巷道两帮构造压力较大,急倾斜煤层开采巷道支护问题一直是煤矿支护的难题[1-2].国内外对于急倾斜中厚煤层开采的研究,其研究重点主要是在开采方法和设备方面,而与其相关的回采巷道围岩控制方面的研究也相对较少,主要是借鉴缓倾斜和大倾角煤层的一些相关研究成果[3-5],然而,急倾斜煤层巷道的支护技术及作用机理有其自身特性,与缓斜或倾斜煤层区别较大[6-8].基于以上背景,本文结合新强煤矿的实际生产与地质条件,考虑急倾斜煤层巷道围岩破碎松散的特点,采用目前使用最为广泛的岩土工程离散元模拟软件UDEC4.0软件,研究急倾斜煤层回采巷道围岩变形破坏规律,分析急倾斜煤层回采巷道围岩破坏机理,优化巷道支护参数,进而提出控制急倾斜煤层巷帮变形失稳的有效方法.1模型的建立新强煤矿五采区煤层倾角4550,采用走向长壁综采工艺.模拟的地点选为五采区58上煤层右三片右二降段的半煤岩巷,该巷道为45051工作面的回风平巷,受到两次采动以及采空区支撑压力的影响,巷道片帮、滑移严重,是支护的重点区域.根据模拟地点的地质条件,建立如下模型:模型为平面应变模型,尺寸为93m111m,巷道埋深350m,倾角50,煤厚2.2m;上覆岩层总厚度为59m,顶板向上分别为厚度9.0m的粉砂岩和3.0m的粉细岩;底板岩层总厚度为70.8m,直接底为厚度3.3m的粉砂岩,老底为厚度2.5m的砂砾岩.各煤岩层内都含三组节理,平行煤层的层理、垂直节理和倾斜节理,节理密度根据实测结果进行设置.考虑到采动影响,巷道附近区域节理进行加密处理,巷道附近煤层各组节理密度大于2.0条/m,而较远处则小于1.0条/m,巷道附近的顶底板岩层也作类似处理.根据实际赋存条件,模型边界条件如下:上部边界条件载荷的分布形式简化为均布载荷,上部边界条件为应力边界条件,即qh8.0MPa.下部边界条件下部边界条件为底板,简化为位移边界条件,在x方向自由运动,y方向为固定,即v=0.两侧边界条件本模型的两侧简化为位移边界条件,在y方向自由运动,x方向为固定,即u=0.岩块、节理变形强度模型均为摩尔-库仑模型.2模拟实施方案模拟支架支护强度为0.95MPa.模拟方案如下:(1)模拟上一区段回采后,侧向支承压力的分布特征及煤体内破坏发育特征;(2)模拟巷道围岩控制方式为不支护、顶板锚杆支护、顶板上帮锚杆支护、顶板两帮锚杆支护、顶板锚杆+上帮锚网支护、顶板下帮锚杆+上帮锚网支护、顶板下帮锚杆+上帮锚网+上帮帮角锚杆加强支护、顶板下帮锚杆+上帮锚网+两帮帮角锚杆加强支护8种支护方案,进行控制效果对比分析.3模拟结果及分析3.1急倾斜煤层煤岩体破坏特征及侧向支承压力相比缓斜煤层,急倾斜工作面岩层移动不再均匀,并沿采空区对称分布,煤岩层沿倾斜方向向下移动[9-10].回采后,采空区围岩变形运动特点如下:围岩中各点位移量的最大值为4.2m,远大于采高2.4m,如以0.2m位移量作为显著变形的边界,则显著变形区呈沿煤层斜倾的“漏斗”状,“漏斗”底端在工作面的下端头;根据位移矢量的变化可知,围岩位移有两个重要特征,一是位移矢量主要指向采空区方向,工作面下端区是位移矢量的“交点”,使得采空区顶底板水平位移0点相交于下端头.图1急倾斜煤层工作面两端头侧向支承压力分布Fig.1abutmentdistibutionofbothworkfaceendsinsteepcoalseam煤层倾角的增大,同样产生应力分布的不对称,反映

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