孤岛工作面层状底板回采巷道底板破坏特征分析

杨锦峰

(神华集团包头能源有限责任公司,内蒙古自治区包头市,014000)

孤岛工作面层状底板回采巷道底板破坏特征分析

杨锦峰

(神华集团包头能源有限责任公司,内蒙古自治区包头市,014000)

曙光煤矿煤层底板层理发育,1208孤岛工作面回采巷道底板受支承压力影响大,引发底板产生剪切滑移。基于岩体力学理论,计算了巷道底板的破坏深度,分析了不同阶段孤岛工作面底板破坏的区域;运用FLAC3D软件分析了巷道围岩在不同回采阶段的支承压力集中系数,根据塑性区分布特征,得出了孤岛工作面回采期间巷道的破坏类型、巷道底板的破坏类型和破坏深度。

孤岛工作面 回采巷道 层状岩层 底鼓 破坏深度

底板岩性及其所处的地质环境是影响底板应力状态的主要因素。层状底板岩层在水平应力作用下易发生剪切滑移,随之引发岩层开裂、鼓起等一系列问题。孤岛工作面的支承压力较一般工作面更大,支承压力在回采巷道保护煤柱附近转化为水平应力,作用于回采巷道的两帮和底板,给巷道维护带来较大困难。因此,研究孤岛工作面巷道的破坏机理从而提出有针对性的加固方案,对控制巷道变形、保障生产系统安全有重要意义。

1 工程概况

曙光煤业1208工作面位于二采区北部,南邻1206工作面,北邻1210工作面,采区采用跳式回采方案,1208相邻两工作面均已采空,属孤岛工作面。1208工作面开采煤层属二叠系下统山西组2#煤层,煤厚平均为2.88 m,煤层倾角为0°～10°,平均倾角6°,埋藏深度497～574 m;1208工作面走向长度1873 m,倾斜长度120 m;直接顶为泥岩或砂质页岩,厚约为1.6 m;基本顶为砂质页岩,硬度较大,不易垮落;直接底板为砂质页岩,具有明显的层理特征,厚约为2.4 m;基本底为细粒砂岩,水平层理发育,煤体坚硬,厚2.42 m。两巷均沿煤层全高掘进,采用矩形断面。

根据1208工作面回采巷道的变形监测结果,在生产过程中,巷道普遍出现了顶底板移近量大的问题,在掘巷稳定阶段,巷道变形速率达到55 mm/d,一周内变形量达300 mm;采动影响阶段,巷道超前工作面100 m范围内巷道变形更为严重,一周内变形量达到600 mm,巷道底鼓尤为严重,底鼓量达450 mm,占总变形量的75%,影响了巷道的正常使用,需要投入大量人力、物力进行刷扩、维护。所以有必要对工作面回采巷道的底鼓原因进行分析,确定合理的加固方案,有效控制巷道底鼓。

由于曙光矿1208孤岛工作面回采巷道的底板为层状岩层,回采巷道的底板两端在支承压力的作用下将会产生较大的剪应力,在剪应力的作用下,将会导致底板在垂直方向上产生一个明显的分区,即底板岩层一定深度以上出现拉应变区,一定深度以下出现压应变区。当底板岩层出现离层时,抗弯刚度大幅度的降低,回采巷道在二次水平应力作用下,将会产生失稳破坏,产生底鼓。

2 孤岛工作面回采巷道层状底板底鼓模型

孤岛工作面围岩的支承压力较大,护巷煤柱内支承压力峰值点距煤壁距离也较大。根据岩体力学的理论,极限平衡区底板最大破坏深度为：

式中：Dmax——底板最大破坏深度,m;

L——支承压力峰值与煤壁之间的距离, m;

φ——岩体的内摩擦角,(°);

θ——破坏最低点同煤壁连线与竖直方向的夹角,(°)。

由式(1)可以看出底板最大破坏深度除了与岩体的内摩擦角φ有关外,还与距煤壁的距离有关,L与回采巷道底板的最大破坏深度呈正相关关系,即L越大,底板破坏深度越大。1208工作面支承压力峰值与煤壁之间的距离为10.5 m,破坏最低点同煤壁连线与竖直方向的夹角为15°,岩体的内摩擦角取30°,将数据代入(1),得底板最大破坏深度为4.75 m。

对于1208工作面回采巷道掘进阶段,巷道一侧为工作面煤壁,另一侧为护巷煤柱,护巷煤柱长期承受相邻工作面残余支承压力作用,其传递至底板岩层中的应力高于工作面煤壁侧,靠近煤柱侧底板的破坏范围更大,岩层更易发生剪切滑移,其岩层移动形态如图1(a)所示。

图1 孤岛工作面回采巷道底鼓模型

采动影响阶段,护巷煤柱除承受相邻工作面残余支承压力作用外,同时承受回采工作面采动引发的支承压力作用;受采动影响,回采工作面前方一定范围的煤壁内支承压力增大,在两侧较高的支承压力作用下,掘巷稳定阶段的平衡状态被打破。回采期间孤岛工作面回采巷道围岩的破坏范围随与工作面距离的减小逐渐扩大至工作面煤壁侧,且巷道两侧破坏范围较掘巷稳定阶段均有较大增加,巷道底板的剪切滑移面积大,巷道底鼓严重,如图1 (b)所示。

3 孤岛工作面回采巷道底板破坏分析

为进一步分析孤岛工作面回采巷道的底板破坏原因,以曙光矿的实际地质背景及矿井生产条件建立FLAC3D模型,模型长300 m,宽390 m,高 78 m,其X轴方向为沿煤层走向,Y轴方向为煤层倾向,Z轴为重力方向,设其水平主应力分别为σx、σy,垂直应力为σz。模型前、后、左、右面均只施加位移边界条件,底面固定,顶面无约束。为了消除边界影响,模型边界各留设50 m的保护煤柱。根据巷道位置及模型高度,在模型顶面施加上覆岩层载荷约10 MPa,在煤层直接底板中添加接触面以模拟底板的层状特性。计算采用的岩石物理力学参数见表1。考虑到不同阶段巷道围岩环境的差异性,确定模型开挖顺序依次为1206工作面、1208工作面轨道平巷、1208工作面,分析1208工作面轨道平巷在掘巷稳定阶段、采动影响阶段的底板破坏情况及其演化规律。

表1 各岩层物理力学参数

3.1 采动过程底板垂直应力分布规律

在进行数值模拟时,选取一个固定面为依据,来模拟距工作面不同距离时应力的变化情况。比较了孤岛工作面和普通工作面的应力分布,孤岛工作面由于受到相邻工作面回采的影响,回采巷道周围垂直应力是普通工作面周围垂直应力的数倍,应力集中系数较大,具体差异见表2。

表2 随工作面推进回采巷道围岩支承压力集中系数对比

3.2 采动过程中底板水平应力及塑性状态分布规律

煤层开挖后,应力平衡状态遭到破坏,回采巷道底板在水平应力作用下,向巷道空间转移,形成底鼓。巷道围岩塑性区分布见图2,由图2可知,回采巷道底板以剪切破坏为主,1208轨道平巷在距工作面30 m时,巷道右下角出现较大区域的剪切破坏,但巷道底板的破坏深度并未增加,仅在层状底板范围内出现宏观破坏。1208轨道平巷距工作面10 m时,底板剪切破坏范围进一步增加,底板岩层破坏程度加剧。随距1208工作面越来越近, 1208轨道平巷底板受采动影响逐渐加剧,巷道底板破坏深度达4.5 m,普通工作面巷道底板破坏深度约3.5 m,底板破坏深度与巷道围岩支承压力集中系数呈正相关。

图2 巷道围岩塑性区分布

总体来看,底板拉伸破坏区在回采过程中未出现明显增加,说明底板在剪切破坏后发生底鼓,而层状岩层继续向巷道中心发生剪切滑移,阻止了巷道破坏向深部发展,但巷道底鼓量在回采过程中剧增,这是层状底板岩层不同于其他条件时底鼓的一个主要现象。因此,可以得出,该巷道底鼓的类型是以剪切错动型底鼓为主。

由于1208轨道平巷底板的层状特性,加之孤岛工作面支承压力转化为水平应力的比重较大,平巷底板破坏主要集中在层状岩层范围内,向两侧发展,主要诱发底板岩层的水平滑移。1208孤岛工作面回采时轨道平巷围岩水平应力分布如图3所示,可以看出,层状底板内出现了应力集中区, 1208轨道平巷在超前工作面20 m处,平巷正下方接触面边界水平应力最大,为16.9 MPa,这是因为垂直应力作用于平巷两帮,两帮传递给底板岩层,转化为作用于平巷底板的水平应力,使平巷底板中部鼓起,形成底鼓。1208轨道平巷距工作面0 m处,平巷正下方接触面边界的应力达18 MPa,但轨道平巷底板破坏未向深部继续发展。

图3 1208轨道平巷距1208工作面不同距离时的水平应力分布

4 结论

(1)曙光矿1208孤岛工作面回采巷道底板层理发育,掘巷阶段底板破坏集中在靠近煤柱侧;回采阶段底板破坏集中在靠近工作面煤壁侧。巷道底板破坏受水平应力影响较大,破坏类型以剪切错动型底鼓为主,巷道底板破坏深度一般为4.75 m。

(2)层状底板条件下,孤岛工作面支承压力传递至煤层底板,转化为水平应力比重大,底板破坏与距工作面距离关系更密切,底板破坏深度与巷道围岩支承压力集中系数呈正相关。

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(责任编辑 张毅玲)

中国平煤神马集团成立新能源汽车综合服务公司

近日,中国平煤煤神马集团以下属机械装备板块为平台,引入北京一家企业共同成立混合所有制企业,专业从事新能源电动汽车租赁及配套服务业务,拟发展成为以平顶山为中心、覆盖整个河南省的电动汽车租赁和充电业务运营服务商,同时通过成熟的管理模式和运营平台,着力打造“互联网＋”示范应用项目、智慧城市“桩联网＋车联网”平台及平顶山全新的互联网服务产业。

目前,该公司购置的近百辆新能源纯电动汽车全部办理了使用手续,维保中心场地已准备就绪,人员培训也已到位。租赁车型主要有纯电动大巴车、纯电动轿车等。

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今后,集团原则上不再购置燃油车,要全力推广新能源汽车。

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Characteristics analysis of mining roadway floor breaks in layered floor of isolated working face

Yang Jinfeng
(Shenhua Baotou Energy Co．,Ltd．,Baotou,Inner Mongolia 014000,China)

The mining roadway floor of 1208 isolated working face was affected seriously by bearing pressure in Shuguang Coal Mine＇s seam floor with bedding development,causing the floor shear sliding．Based on the theory of rock mechanics,the broken floor depth of mining roadway was calculated and the floor breaks zone in the isolated face at different stages were analyzed．The bearing pressure concentration factors of roadway surrounding rock at different mining stages were analyzed by FLAC3D software,according to the distribution characteristics of plastic zone, the failure type of roadway and the failure type and broken depth of roadway floor during isolated face extraction were obtained．

isolated working face,mining roadway,layered stratum,floor heave,broken depth

TD353

A

杨锦峰(1963-),男,内蒙古巴盟人,高级工程师,现任神华集团包头能源有限责任公司董事长。