长壁开采三顺槽老顶破断结构特征理论分析

朱艳军

（潞安集团 李村煤矿，山西 长治 046000）

长壁开采三顺槽老顶破断结构特征理论分析

朱艳军

（潞安集团 李村煤矿，山西 长治 046000）

采用理论分析方法，研究长壁开采条件下三顺槽老顶在工作面不同回采阶段的结构破断特征。研究表明：三顺槽掘成后，老顶未发生破断，这个结构稳定。上区段工作面回采后，老顶在上区段工作面上方和其保护煤柱内断裂、旋转，形成块体平衡结构。下区段工作面回采后，老顶进一步断裂、旋转，形成新的块体平衡结构。

长壁开采；三顺槽；力学模型；支承压力

从巷道的用途和服务期间的应力场特征分析，三顺槽是种特殊回采巷道。由于上区段工作面的回采，采空区上覆岩层破断跨落，基本顶岩层形成“O-X”破断结构；基本顶岩层随着工作面的回采，沿工作面采动方向形成了砌体结构；靠近煤壁附近，基本顶岩层破断形成了弧形三角块结构。弧形三角块的一个三角边面和煤壁平行，且破断面处在工作面煤壁内部，它的运动趋势和结构稳定程度给它下方煤体的受力和变形造成严重影响。受到下区段工作面回采的影响，顺槽附近上方基本顶岩层结构发生改变，基本顶块体结构的稳定性及运动状态必将发生较大改变，并通过直接顶作用于保护煤柱和顺槽，基本顶块体结构的形式和稳定性对工作面顺槽结构的稳定性有着很重要的影响[1-6]大量的现场观测表明：顺槽掘完后基本处于稳定阶段，其变形也较小。当上区段工作面回采后，顺槽周围二次应力场叠加，围岩裂化变得破碎，顺槽围岩变形剧烈。当下区段工作面开采后，顺槽围岩破碎程度更加剧烈，顺槽断面收缩量和支护结构所受的载荷急剧增大。基本顶结构的稳定性和运动状态对顺槽的稳定性造成直接影响。。

通过建立顺槽在三个阶段时基本顶块体结构的数学力学模型，并对顺槽基本顶结构稳定性进行理论分析，揭示三顺槽的稳定性。

1 三顺槽上覆岩层块体力学模型

图1为三顺槽与工作面布置图，服务期间要经历巷道掘进、上区段工作面回采、下区段工作面回采三个阶段，各阶段顺槽上覆岩体的结构形式不同。上覆岩体的垮落特征、垮落后的赋存状态（在一定程度上）取决于老顶岩层的断裂特征及其垮落后的赋存状态。因此，整个服务期间顺槽上覆岩体的断裂经历了三个典型结构特征过程。

图1 三顺槽与工作面布置图

1.1 巷道掘进后的覆岩结构

巷道掘进后的覆岩结构示意图，见图2。巷道掘进后，直接顶和老顶围岩能维持稳定，不会发生断裂，顺槽老顶可能发生破断的判断可用下式判断：

式中：RT、RS为抗拉、抗剪强度极限；h为老顶的厚度；LlT、Lls为正应力和剪应力分别达到强度极限时的巷道跨度。

图2 巷道掘成后的结构特征

此时顺槽稳定性控制，主要是控制直接顶和老顶的离层，直接顶和老顶不形成离层可用下式判断：

式中：Σh为直接顶厚度；h1老顶厚度；E1、E2为老顶、直接顶的弹性模量；a为老顶到上一关键层的高度与老顶厚度的比值。

此种情况下巷道围岩控制，主要是控制巷道表面围岩（尤其是直接顶）的完整性、防止直接顶和老顶之间出现离层。

1.2 上区段回采完成后的覆岩结构

上区段回采完成后的覆岩结构示意图，见图3。上区段工作面开采完成后，顺槽Ⅲ跟随工作面开采消失进入采空区，采空区上覆岩层跨落形成砌体梁结构，老顶在煤柱Ⅱ内发生破断，形成块体A和块体B，块体B为弧形三角块，但作为平面问题来处理，可把弧形块折算成矩形块的长度进行分析。此时顺槽Ⅰ相对稳定，维持顺槽Ⅱ的稳定性条件是煤柱Ⅱ能够支撑支持直接顶的重量、阻止块体B左端回转和块体A右端向下回转。此时围岩控制的重点是:提高煤柱Ⅱ的支撑能力，维持砌体结构的平衡。

1.3 下区段回采完成后的覆岩结构

图3 上区段开采后的结构特征

图4 下区段开采后的结构特征

下区段回采完成后的覆岩结构示意图，见图4。下区段工作面回采完成后，顺槽Ⅰ跟随工作面回采消失进入采空区，采空区上覆岩层跨落形成和右边相同的砌体结构，老顶在煤柱Ⅱ内同样发生破断，形成了块体D（和块体B一样是弧形三角块体）。此时顺槽受上下区段开采，巷道稳定性受到强烈影响。此时维持巷道Ⅱ的稳定性条件是煤柱Ⅰ和煤柱Ⅱ能够支撑支持直接顶的重量和老顶块体A的重量，且煤柱Ⅰ能阻止块体D右端回转，煤柱Ⅱ能阻止块体B右端向下回转。此时围岩控制的重点是：提高煤柱Ⅰ和煤柱Ⅱ的支撑能力，提高顺槽中对顶板的支护力，以维持结构的平衡。

3 结束语

通过分析顺槽开挖和工作面回采中三顺槽的结构和覆岩运动规律，得出结论：（1）工作面回采过程中，老顶岩层对上覆软弱岩层的运动起到了控制作用，上覆软岩的运动跟老顶一致。（2）下区段工作面回采后，中间顺槽围岩破坏区域加大；老顶在仍在煤柱上方破断形成块体结构；两煤柱靠近采空区域都有大范围的破坏区。

[1]牛少卿，杨双锁，王志刚，寇永嘉.非均匀水平应力场中井壁结构的优化设计研究[J].山西大同大学学报(自然科学版)，2010，26(3):60-63.

[2]Shaoqing NIU，Shuangsuo YANG，Lei CUI. Research on the Characteristics of Strain-softening Model after Peak Based on Morh-Cloumb Theory Criterion[J]. Advanced Materials Research，Vols. 261-263 (2011) : 1439-1443.

[3]王思红，牛少卿，寇永嘉.松软破碎硐室群围岩稳定性数值分析[J].山西煤炭，2010，30(7):40-42.

[4]毛华晋，牛少卿，颜文艳.长壁开采条件下巷道三岔口稳定性研究[J].山西煤炭，2010，30(12):39-41.

[5]杨双锁.煤矿回采巷道围岩控制理论探讨[J].煤炭学报，2010，35(11):1842-1853.

[6]杨双锁，曹建平.锚杆受力演变机理及其与合理锚固长度的相关性[J].采矿与安全工程学报，2010，27(1):1-7.

Theoretical Analysis on Structure Failure Characteristics oFThree Crossheading Main RooFwith Long-wall Mining

ZHU Yan-jun

(L i c u nM i n e,L u'a nG r o u p,C h a n g z h i S h a n x i 046000)

By theoretical analysis, structure failure characteristics of three crossheading main roof were studied under the condition of long-wall mining in differenTmining phases. The results have shown that,after the three crossheading was done, the main roof didn'Tbreak and the structure was stable. After the caving of upper working panel finished, the main roof and its protective pillars experienced fracture,rotation, and formation of a balanced block structure. After the lower caving finished, the main roof broke and rotated further and formed a new balanced block structure.

Key words:long-wall mining; three crossheading; mechanical model; abutmenTpressure

TD 322

A

1672-5050（2011）10-0034-03

2011-06-22

朱艳军（1985—），男，山西长治人，大学本科，从事煤矿开采的研究工作。

刘新光