顶板瓦斯高抽巷采动变形机理及优化布置研究

11、绪论2、顶板瓦斯高抽巷的采动变形特征3、顶板瓦斯高抽巷底鼓的力学机理分析4、顶板瓦斯高抽巷优化布置研究

5、顶板瓦斯高抽巷抽采性能优化研究6、主要结论汇报提纲2

在高瓦斯矿区的煤层群条件下，综放工作面的瓦斯涌出主要由本煤层和邻近层瓦斯涌出构成。以阳泉矿区为例，该矿区采用综放开采的工作面均布置在最下方的15号煤层中，在综放面瓦斯涌出方面，本煤层瓦斯约占10%，邻近层瓦斯占90%。

因此，影响工作面瓦斯涌出量的主要因素是邻近层瓦斯。要有效降低工作面的瓦斯涌出量和瓦斯浓度，必须有效抽采上邻近层的卸压瓦斯。一、绪论

１、问题的提出3一、绪论

（a）平面布置图

（b）剖面示意图

顶板瓦斯高抽巷布置图

顶板瓦斯高抽巷是阳泉矿区常用的邻近层卸压瓦斯抽采方式。其走向与工作面的推进方向基本平行，与煤层顶板的垂距为50~60m。

4

应用情况：阳泉矿区

研究现状：

1)顶板巷道：针对上覆煤层开采对下部巷道围岩控制所做的研究较多，而关于下部煤层开采对上部巷道的围岩稳定性控制所做的研究工作较少（彭苏萍、李学华等）

2)高抽巷：由于高抽巷本身的密闭性，正常情况下工作人员便无法进入，因此对高抽巷的采动变形规律缺乏系统研究，更无法掌握高抽巷布设的最佳空间位置，其设计和支护主要依靠现场经验，这些都制约了高抽巷的使用效果。一、绪论

２、国内外研究现状5

采用数值模拟，明确以走向高抽巷为代表的顶板巷道的采动变形破坏特征；（怎样破坏？）通过力学建模分析，从理论角度解释顶板巷道的破坏机理，明确采动过程中高抽巷的破坏规律；（为什么？）基于采动裂隙分布的O形圈理论，以K8206工作面为试验点，在采动裂隙带内优化各层位，提出高抽巷在各个层位的优化方案。（怎么办？）一、绪论

３、研究内容与方法6１、试验工作面的生产地质条件

二、顶板瓦斯高抽巷的采动变形特征图2-1阳泉三矿K8206综放面布置图

60m7二、顶板瓦斯高抽巷的采动变形特征图2-2K8206综放面后高抽巷的布置方式

8２、建立数值模型

二、顶板瓦斯高抽巷的采动变形特征高抽巷破坏过程的简化原理

虚拟(a)平面图(b)剖面图9二、顶板瓦斯高抽巷的采动变形特征图2-5数值模拟模型

建立数值模型

70m10二、顶板瓦斯高抽巷的采动变形特征图2-6高抽巷围岩划分细砂岩粗砂岩石灰岩11二、顶板瓦斯高抽巷的采动变形特征图2-7高抽巷现有支护方案高抽巷的支护与开挖

12测点与测线布置

二、顶板瓦斯高抽巷的采动变形特征图2-8测线与测点布置

13

3、高抽巷变形破坏分析

二、顶板瓦斯高抽巷的采动变形特征顶底板相对移近量两帮相对移近量宏观破坏情况围岩水平应力

评价指标:

通过对上述指标的综合分析，总结高抽巷采动变形规律，明确高抽巷变形破坏的主要影响因素。14

顶底板相对移近量二、顶板瓦斯高抽巷的采动变形特征（a）工作面距高抽巷分别为70、40、0m15二、顶板瓦斯高抽巷的采动变形特征（b）高抽巷位于采空区后方20、40m16二、顶板瓦斯高抽巷的采动变形特征（c）高抽巷位于采空区后方60、80m表2-3顶底板相对移近量一览表

距高抽巷/m-400406080100120140最大值/m0.0200.0500.321.342.142.262.312.43最大变形/%0.73%1.98%12.84%53.40%85.26%90.56%92.17%95.56%17二、顶板瓦斯高抽巷的采动变形特征图2-11顶底板最大相对移近量曲线高抽巷位于采空区后方80m高抽巷位于采空区后方40m18二、顶板高抽巷的采动变形特征表2-4两帮相对移近量一览表距高抽巷/m-70-400406080100最小值/m0.0010.0010.0000.0010.0030.0000.002最大值/m0.0060.0140.0420.0440.0460.0880.086平均值/m0.0020.0070.0190.0270.0130.0210.028最大变形/%0.30%0.68%2.11%2.19%2.29%4.40%4.32%

两帮相对移近量表2-14两帮相对移近量曲线

19

高抽巷的宏观破坏情况二、顶板瓦斯高抽巷的采动变形特征（c）位于高抽巷正下方（d）位于采空区后方20m

（a）工作面距高抽巷70m（b）工作面距高抽巷40m20二、顶板瓦斯高抽巷的采动变形特征

（e）位于采空区后方40m（f）位于采空区后方60m（g）位于采空区后方80m（h）位于采空区后方100m21二、顶板高抽巷的采动变形特征表2-5高抽巷有效面积一览表距高抽巷/m-70-400406080100120140顶底板变形/%0.37%0.73%1.98%12.84%53.40%85.36%90.56%92.17%97.24%两帮变形/%0.30%0.68%2.11%2.19%2.29%4.40%4.32%4.54%5.26%断面闭合率/%0.67%1.41%4.04%14.75%54.5%86.07%90.97%92.55%97.39%有效面积/%99.33%98.59%95.96%85.25%45.5%13.93%9.03%7.45%2.61%图2-16高抽巷变形破坏过程22

两帮的水平应力分析

二、顶板瓦斯高抽巷的采动变形特征1）左帮测线的水平应力分布图2-17左帮水平测线的采动水平应力变化水平应力4.02Mpa9.37Mpa23二、顶板高抽巷的采动变形特征图2-18右帮水平测线的采动水平应力变化

2）右帮测线的水平应力分布

3.97Mpa8.39Mpa水平应力24

顶底板测线的水平应力分布

二、顶板高抽巷的采动变形特征1）顶板测线的水平应力分布

由图可知，顶板上方7m范围内为应力降低区，该范围内顶板的水平应力分布趋势基本相同。各测点的原始水平应力平均12.43Mpa，当高抽巷位于采空区后方80m、120m时，水平应力锐减至1.08Mpa，处于充分卸载状态。顶板方向水平应力原始应力采动应力25二、顶板高抽巷的采动变形特征2）底板测线的水平应力分布

沿着高度方向，底板的水平应力分布曲线如图所示。由图可知，底板下方1~4m范围内为采动水平应力降低区，结合高抽巷的变形破坏特征可知，该范围内底板发生底鼓卸压，水平应力降低；下方4~8m范围内为采动水平应力升高区。26二、顶板高抽巷的采动变形特征本章小结：

1）底鼓是顶板瓦斯高抽巷典型的破坏特征。受其影响，随着工作面的推进，高抽巷位于采空区后方的断面面积不断缩小。高抽巷位于采空区后方80m时，断面严重收缩，高抽巷位于采空区后方140m时，断面基本闭合。

2）高抽巷底鼓过程分三个阶段：(a)缓慢底鼓阶段。高抽巷位于采空区40m之前，底鼓量较小；(b)剧烈底鼓阶段。高抽巷位于采空区40~80m后，高抽巷底鼓量显著增加；(c)底鼓闭合阶段。高抽巷位于采空区80m后，底鼓缓慢增加直至巷道基本闭合。

3）采动过程中，高抽巷两帮和底板水平应力显著增加，而顶板水平应力明显降低。27三、高抽巷底鼓的力学机理分析

巷道底鼓的类型与机理分类:挤压流动性底鼓、挠曲褶皱性底鼓、剪切错动性底鼓。图3-1挤压流动性底鼓28三、高抽巷底鼓的力学机理分析

图3-2挠曲褶皱性底鼓

图3-3剪切错动性底鼓29三、高抽巷底鼓的力学机理分析

高抽巷底鼓的机理

高抽巷的顶板和两帮支护良好，底板的强度相对较弱，受下部15#煤层采动影响，两帮和底板一定深度内的水平应力显著增加。根据前人研究成果，这种因采动而产生的应力变化，称之为“二次水平应力”。二次水平应力对拉应变区已离层的底板岩层的作用过程相当于位移加载过程，不但使破碎底板岩石产生较大的结构效应，而且使相对完整的底板岩层产生离层屈曲而导致底鼓。根据数值模拟所得高抽巷的底鼓特征，参照各类底鼓的机理，高抽巷的底鼓应属于挠曲褶皱性底鼓，如图3-4。30三、高抽巷底鼓的力学机理分析

高抽巷底鼓示意图图3-4高抽巷底鼓示意图

31三、高抽巷底鼓的力学机理分析

高抽巷底鼓的力学分析

图3-5层状岩体受纵向应力作用示意图

32三、高抽巷底鼓的力学机理分析

底板整体抗弯刚度计算式为:

式中，t为岩层厚度

底板离层后，各岩层不再是一个整体，则单个分层的抗弯刚度为：

显然，单个分层的抗弯刚度远远小于整个底板岩层的抗弯刚度，岩层的抗弯刚度与其厚度呈三次方的关系。因此，底板各分层在水平应力的作用下，更容易被压曲和破坏。33三、高抽巷底鼓的力学机理分析

临界载荷的计算

临界应力状态下，t1岩层的内力为：

底板岩层的压曲临界载荷取决于底板分层厚度t、弹模E、长宽比λ。底板分层厚度

t、弹模E越大，临界载荷就越大。

当二次水平应力满足上式时，底板就产生屈曲；如二次水平应力进一步增大，达到底板岩层的屈服极限时，底板将被折断。34三、高抽巷底鼓的力学机理分析

高抽巷的支护原理

底角锚索加固底板锚注加固选择合适的层位

底板分层厚度与底板岩层稳定性之间呈三次方关系，分层厚度越小，即抵抗弯曲变形的能力越弱，越容易发生屈曲破坏。如果将底板中多层不稳定岩层用锚杆缝合起来，使各层之间紧密叠合，组成一整体梁，就可以明显提高其抗弯曲变形能力。控制底鼓的技术

35三、高抽巷底鼓的力学机理分析

底角锚索加固（a）加固之前（b）加固之后36三、高抽巷底鼓的力学机理分析

（a）加固之前（b）加固之后37三、高抽巷底鼓的力学机理分析

（a）底板是细砂岩（b）底板是泥岩

选择合适的层位38三、高抽巷底鼓的力学机理分析

本章小结1）在明确高抽巷底鼓破坏特征的基础上，建立了高抽巷采动破坏的力学模型。分析表明，采动过程中高抽巷两帮和底板的水平应力持续增加，导致高抽巷底板离层，强度降低，发生底鼓破坏。

2）从高抽巷的破坏机理入手，有针对性地提出了合理控制高抽巷变形的工程措施，并通过数值模拟手段进行验证。39四、顶板瓦斯高抽巷优化布置1、采动覆岩移动理论基础

（1）采场顶板覆岩移动规律图4-1上覆岩层移动破坏的“横三区”与“竖三带”40四、顶板瓦斯高抽巷优化布置（2）采动裂隙分布的O形圈理论

图4-2采动裂隙分布的“O”形圈(图中数字为离层率)41四、顶板瓦斯高抽巷优化布置2、高抽巷布设方案

图4-6覆岩采动裂隙分布图采动裂隙分布情况100.767.542四、顶板瓦斯高抽巷优化布置高抽巷布设依据

高度方向：应布置在33m~100.7m的采动裂隙带内。结合K8206综合柱状图，按照10~15m为一个层位，采用以下3组层位，距15煤层顶板分别为60m、70m、85m。

水平方向：对于每个层位，以顶板裂隙卸压角为外边界，采动裂隙的O形圈为内边界，在水平方向上又可划分详细方案。

围岩岩性规定：为了消除围岩岩性对高抽巷采动变形的影响，围岩岩性作如下规定：顶板为3m石灰岩，底板为3m细砂岩，高抽巷布置在厚度为3m的粗砂岩中。这样，高抽巷的变形影响因素已经简化为：垂直层位、水平位置。

43四、顶板瓦斯高抽巷优化布置判断指标顶底板相对移近量两帮相对移近量巷道宏观变形情况

通过各指标的综合对比分析，确定该层位的最优方案；再将各层位的最优方案加以对比，最终确定高抽巷的最佳布设位置。44四、顶板瓦斯高抽巷优化布置（1）60m层位距回风巷分别为40、60、80、90和110m图4-760m层位布设方案45四、顶板瓦斯高抽巷优化布置（2）70m层位距回风巷水平距离分别为40、60、70、90、110、130m。图4-870m层位布设方案46四、顶板瓦斯高抽巷优化布置（3）85m层位距回风巷分别为60、80、90、110m，共4个方案。图4-985m层位布设方案47四、顶板瓦斯高抽巷优化布置

（a）高抽巷距回风巷40m（b）高抽巷距回风巷60m

（C）高抽巷距回风巷80m（d）高抽巷距回风巷110m60m层位48四、顶板瓦斯高抽巷优化布置

距回风巷/m40608090110顶底板最大变形/%47.31%60.30%67.89%46.37%53.37%两帮最大变形/%4.13%3.48%4.66%11.52%10.32%断面闭合率/%49.486%61.682%69.386%52.548%58.182%有效面积/%50.514%38.318%30.614%47.452%41.818%表4-3高抽巷有效面积一览表在60m层位上，高抽巷最佳布设位置是距回风巷40~60m。49四、顶板瓦斯高抽巷优化布置

（a）高抽巷距回风巷40m（b）高抽巷距回风巷70m

（c）高抽巷距回风巷90m（d）高抽巷距回风巷110m70m层位50四、顶板瓦斯高抽巷优化布置

表4-3高抽巷有效面积一览表距回风巷/m40607090110130顶底板最大变形/%23.63%53.15%57.34%72.16%72.28%79.10%两帮最大变形/%2.03%3.75%3.89%6.39%4.35%7.51%断面闭合率/%25.180%54.907%58.999%73.939%73.486%80.670%有效面积/%74.820%45.093%41.001%26.061%26.514%19.330%

在70m层位高抽巷的最佳布置位置是距回风巷40~70m之内，一旦大于该值，巷道将发生严重底鼓。

51四、顶板瓦斯高抽巷优化布置

（a）高抽巷距回风巷60m （b）高抽巷距回风巷80m

（c）高抽巷距回风巷90m （d）高抽巷距回风巷110m85m层位

52四、顶板瓦斯高抽巷优化布置

表4-10高抽巷有效面积一览表

通过上述顶底板、两帮变形分析可知，在该层位高抽巷的最佳布置位置是距回风巷60~90m之内。距回风巷/m608090110顶底板最大变形/%12.67%9.33%42%56.4%两帮最大变形/%9.45%12.51%36.97%27.63%断面闭合率/%20.92%20.68%63.45%68.45%有效面积/%79.08%79.32%36.55%31.55%53四、顶板瓦斯高抽巷优化布置本章小结

基于采动裂隙分布的O形圈理论，以K8206工作面为试验点，在采动裂隙带内优化高抽巷的布设层位。结论如下：（1）在60m层位，各方案中顶底板相对移近量最大值为1.419~2.037m，高抽巷的断面闭合率为49.486~69.386%。高抽巷最佳布设位置是距回风巷40~60m。（2）在70m层位，各方案中高抽巷的断面闭合率为25.18~80.67%。在该层位高抽巷的最佳布置位置是距回风巷40~70m之内，一旦大于该值，巷道将发生严重底鼓。（3）在85m层位，高抽巷底鼓较小，但两帮变形量较大。高抽巷的最佳布置位置是距回风巷60~90m之内。54五、瓦斯高抽巷抽采性能优化研究试验工作面概况

图5-1K8108工作面布置图55五、瓦斯高抽巷抽采性能优化研究瓦斯涌出特征与治理分析

图5-2K8108综放面瓦斯涌出量趋势图

ⅠⅡ56五、瓦斯高抽巷抽采性能优化研究高抽巷抽采性能分析

图5-3抽采负压与抽采混合量和抽采浓度之间的关系图