下保护层开采对上覆煤巷的动态影响及控制研究

1、󰀁第25卷第4期下保护层开采对上覆煤巷的动态影响及控制研究涂󰀁敏1,张向阳1,张华磊2(1.安徽理工大学能源与安全学院,煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,安徽淮南󰀁232001;2.中国矿业大学理学院,江苏徐州󰀁221116)摘要:为了解决下保护层开采对上覆煤层巷道围岩变形的影响,采用注浆加固巷道围岩是一种可行的方法.在力学分析的基础上,得出了基本顶的挠曲量与巷道围岩支护阻力之间的关系,支护阻力减小时,基本顶弯曲下沉挠度增加;当围岩比较破碎时,注浆加固巷道围岩是防治其变形的有效措施,并在现场进行了破碎煤体注浆加固试验.研究

2、结果表明,通过对受采动影响煤体的注浆加固有效地控制了上覆煤层巷道围岩的变形.关键词:保护层开采;上覆煤巷;力学分析;围岩控制中图分类号:TD350󰀁󰀁文献标识码: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󰀁󰀁保护层开采是防止煤和瓦斯突出最有效、最经济的措施,但由于下保护层的开采必定引起上覆岩层的下沉移动变形,在上覆煤层中

6、沿走向及倾向卸压区域边缘形成一定的应力升高区,该区域内煤层中采动裂隙发育1󰀁5.对于布置在其中的巷道来说,必定导致其围岩应力分布产生变化,巷道围岩破碎,呈现󰀂松软散 的特性,在工作面回采过程中,巷收稿日期:2008󰀁06󰀁15基金项目:安徽省自然科学基金项目(070414170);煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金项目(07KF06)󰀁第4期涂󰀁敏等:下保护层开采对上覆煤巷的动态影响及控制研究4271󰀁上覆巷道围岩变形的力学分析1.1󰀁力学模型的建立依据淮南矿区

7、某矿地质条件为背景,由采场上覆岩层移动规律可知:上覆煤层移动盆地的中部为均匀下沉,而移动盆地的边缘部分的煤层内应力应变最大,11󰀁2煤层的开采造成被卸压煤层13󰀁1煤层的移动变形,如图1所示.󰀁󰀁求解该微分方程,并应用边界条件x=0处:y=y0;M0=EIy0;Q0=EIy0+Ny#0.x%处:y0.󰀁󰀁确定积分常数后得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)!图1󰀁采动影响范围示意图Fig.1󰀁SchematicdiagramofinfluencescopeofminingareaM=EIy=e- xM0cos!x+00sin!x(r-s)!xQ=EIy󰀂=e-1)采11󰀁2煤时,13󰀁1煤顶板下沉分析基本顶简化为悬臂梁600cos!x-r-s,(9)00sin!x2(r-s)!式中: =-241/2;!=+241/2;为悬臂梁横截面的

9、转角;Q为悬臂梁横截面的剪力;Q0为悬,如图2.臂梁端部横截面上的弯矩;M为悬臂梁横截面上的弯矩;M0为悬臂梁端部横截面上的弯矩.则悬臂梁相对于x=0端的下沉量为y相对+󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁=0L+3EI-L-02Lq(x)xdx-q(x)xdx-00-2EI3图2󰀁力学模型一Fig.2󰀁Thefirstmechanicalmodel󰀁󰀁

10、悬臂梁受到横向分布载荷q(x)及轴向力N作用.由Winkler弹性地基假设有q(x)=-ky,式中󰀁k为系数.将其视为半无限长梁,则参照Timoshenko的解,梁的弯曲变形微分方程为EIy+Ny=q(x),式中󰀁EI为抗弯刚度.令s=N/EI,r2=k/EI.󰀁󰀁则式(2)变为20)(3)(2)(1)00.EIr(r-s)(10)󰀁󰀁在平面应变条件下,基本顶的弹性模量E取E/(1-#),#为泊松比.2)13󰀁1煤开采时其顶板下沉分析此时,悬臂梁受到集度为q支的支护力,受力分析如图3

11、所示.图3󰀁力学模型二Fig.3󰀁Thesecondmechanicalmodel)428采矿与安全工程学报第25卷󰀁M0=&L支q(x)xdx+QL+N-,(11)022Q0=&q(x)dx+Q-qL(2!8!,煤层厚度为1.54.2m,平均3.6m.11󰀁2煤层中1211(1)工作面分别沿着倾向开采,对被卸压煤层13󰀁1煤层中的1214(3)工作面进行卸压.1214(3)工作面自2006年6月20日开始至2007年2月28日,工作面共推进400m,其中自2006年9月至2007年2月,工作面通过

12、1211(1)工作面采动影响范围段,安全生产条件十分恶劣,出现过顶板出水、压架、漏顶等现象,巷道挑顶高度达到6m左右,严重影响了整个矿井的安全生产.1214(3)和1211(1)工作面位置关系如图4所示.支L.(12)则悬伸端相对于x=0端的下沉量为支4y相对=0L+-+󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁3EI8EI-L-02Lq(x)xdx-q(x)xdx-00-2EI00.EIr(r-s)(13)󰀁󰀁可见,基本顶的挠曲量与巷道围岩的

13、支护阻力之间的关系为支护阻力减小时,基本顶弯曲下沉挠度增加.2󰀁巷道围岩加固技术分析由力学分析可知,巷道围岩基本顶弯曲下沉挠度随支护阻力的增大而减小,对于巷道支护而言,在增大围岩支护阻力的同时,还要改善围岩的力学特征.而锚杆支护利用其本身的主动支护原理,能够起到改善围岩力学特征的目的,但对于下保护层开采上覆煤层巷道来说,巷道处于下保护层卸压带范围之内,围岩力学参数已发生部分改变,呈现显著的󰀂松软散 特性,巷道变形表现为明显的流变性.由工程应用实践证明和注浆加固巷道围岩的机理7󰀁10可知,注浆是加固和改善󰀂松软散 巷道围岩一种有效的

14、方法之一,它是一种以劈裂为主,兼具充填和挤密等多种复合运动形式,因浆液的水化反应,离子交换,化学胶结作用,形成结石体,提高土体的物理力学性能,是一种复杂的化学变化与物理变化的综合反应过程.当围岩比较破碎时,钻孔注浆加固是防治其片冒的有效措施,为了加强下保护层开采卸压范围内上覆围岩自身的强度,因此,提出在原来锚杆主动支护的基础上,采用注浆方法,对围岩进行二次加固,并进行了工程实践.图4󰀁1214(3)和1211(1)工作面位置关系图Fig.4󰀁Ubietychartofminingface1214(3)and1211(1)3.2󰀁注浆加固方案),+

15、和,孔深3.0m,布孔间距3.0m;孔)和,仰角37!,孔距离巷道顶板1.2m,孔)距离号孔1.2m.使用7655型风锤造孔、封孔器封孔,利用专用注浆泵注入马丽散达到堵漏、加固的目的,设计压力为58MPa.钻孔布置如图5所示.3󰀁工程应用3.1󰀁工程技术条件1214(3)工作面位于张集矿西一(13󰀁1)上采区以北.东、西分别至五勘探线、五六勘探线;南、北分别至60m,40m防水煤柱线以内.工作面走向长200m,倾斜长816m,面积为163200m.地面标高为+25.3+27.4m,工作面标高为-413.12󰀁第4期涂𘀀

16、1;敏等:下保护层开采对上覆煤巷的动态影响及控制研究429产.而巷道注浆后,顶底板闭合量虽然随着时间的增长在变大,断面收缩率曲线斜率减小,巷道断面收缩率控制在20%左右,说明马丽散注浆材料能有效地控制巷道破碎顶板,改变围岩松散结构,提高煤岩体的整体强度,使破碎顶板重新固结生成顶板,减小巷道变形,从而保证了工作面的推进速度,满足工作面安全高效生产的要求.4󰀁结󰀁论1)下保护层开采对上覆煤层巷道产生动态影响,巷道处于下保护层卸压范围内,围岩力学参数图5󰀁注浆孔分布图Fig.5󰀁Layoutofgroutinghole发生改变,呈现显著

17、的󰀂松软散 特性,巷道变形表现为明显的流变性.2)采用锚杆支护系统对围岩加固;当围岩比较破碎时,为了加强围岩自身的强度,实施马丽散注浆加固巷道围岩,有效地控制松散围岩巷道的变形,使破碎顶板重新固结整体强度较高的顶板,保证了工作面的正常回采.参考文献:1󰀁钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制M.徐州:中国矿业大学出版社,2003.2󰀁汤建泉,何满潮,马庆云,等.开采覆岩运动和破坏规律的实验研究J.中国煤炭,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,缪协兴,黄乃彬.远程下保护层开采被保护煤层变形规律研究J.采矿与安全工程

20、学报,2006,23(3):253󰀁257.TUMin,MIAOXie󰀁xing;HUANGNai󰀁bin.De󰀁依照图5所示布孔及封孔,要求钻孔直径42mm;开始注浆,把两根吸料管分别插入马丽散树脂和催化剂桶中,活塞在气马达的作用下运动,由1214(3)工作面走向布置,距切眼400m前方范围内巷道受到下方1211(1)工作面采动的影响,变形较严重,因此,在变形严重段每隔8m布置一个表面变形测点,剩余巷道每隔16m布置一个测点.共布置80对观测断面,连续观测了60d.采用十字布点法观测.3.5󰀁观测结果分析通过对注

21、浆前后巷道表面变形观测数据的分析,巷道断面收缩率如图6.图6󰀁未注浆加固和注浆加固后巷道测点变化图Fig.6󰀁Changechartofmeasuringpointaftergroutingandnogroutingformationruleofprotectedcoalseamexploitedbyu󰀁singthelong󰀁distance󰀁lowerprotectiveseammethodJ.JournalofMining&SafetyEngineering,2006,23(3):253𘀀

22、1;257.6󰀁钱鸣高,缪协兴.采场上覆岩层结构的形态与受力分析J.岩石力学与工程学报,󰀁󰀁注浆前随着时间的持续,巷道断面收缩率逐渐增大,一个月内巷道断面收缩率达到45%,巷道变(下转第434页)434采矿与安全工程学报第25卷󰀁参考文献:1󰀁伍永平.大倾角煤层开采󰀂R󰀁S󰀁F 系统动力学控制基础研究D.西安:西安科技大学能源学院,2003.2󰀁伍永平,员东风,张淼丰.大倾角煤层综采基本问题研究J.煤炭学报,2000,25(5):445󰀁

23、;448.WUYong󰀁ping,YUANDong󰀁feng,ZHANGMiao󰀁feng.Studyontheelementaryproblemsoffull󰀁mech󰀁anizedcoalminingingreaterpitchingseamJ.Jour󰀁nalofChinaCoalSociety,2000,25(5):445󰀁448.3󰀁师贺庆.倾斜厚煤层综放开采技术探讨J.矿山压力与顶板管理,2001,18(1):44󰀁46.SHIHeb

24、3041;qing.Studyonfullymechanizedsublevelca󰀁vinginsteepextra󰀁thickcoalseamJ.GroundPres󰀁sureandStrataControl,2001,18(1):44󰀁46.4󰀁伍永平,员东风.大倾角综采支架稳定性控制J.矿山压力与顶板管理,1999,16(3/4):82󰀁85.WUYong󰀁ping,YUANDong󰀁feng.Thestabilitycontrolofsupportattop

25、cavingfacewithsteepseamJ.GroundPressureandStrataControl,1999,16(3/4):82󰀁85.5󰀁张󰀁勇,刘󰀁涛,师贺庆.大倾角综放工作面支架失稳机理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,陈忠辉,谢俊文,等.大倾角综放开采液压支架稳定性分析与控制措施J.煤炭学报,2004,29(3):264󰀁268.LINZhong󰀁ming,CHENZhong󰀁hui,XIEJun󰀁wen,etal.Stabilityanalysisandcontrolmeasuresofpow󰀁eredsupportsingreaterinclinedfull&#

27、983041;mechanizedcoalseamJ.JournalofChinaCoalSociety,2004,29(3):264󰀁268.7󰀁钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制M.徐州:中国矿业大学出版社,2003.8󰀁弓培林.大采高采场围岩控制理论及应用研究M.北京:煤炭工业出版社,2006.9󰀁赵洪亮,袁󰀁永,张󰀁琳.大倾角松软煤层综放面矿压规律及控制J.采矿与安全工程学报,2007,24(3):345󰀁348.ZHAOHong󰀁liang,YUANYong

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