黑龙江龙煤矿业集团股份有限公司鹤岗分公司新陆煤矿 黑龙江鹤岗 154103
摘要：介绍了沿空留巷围岩应力分布及顶板运动特性,提出了沿空留巷的设计机理与方法。在城山矿现场观测的基础上,详细分析了造成沿空留巷石墙侧及实体煤顶板变形总量及速度不同步,峰值差异大的原因,并指出了沿空留巷围岩变形控制关键技术是控制石墙支护与实体煤支护的强度与刚度的匹配,并与顶板、实体煤形成共同承载体系,以充分发挥围岩自承能力。
关键词：沿空留巷 围岩控制 覆岩运动 矿压显现 支护刚度
1概述
沿空留巷是一种无煤柱护巷方式,通过沿着上一工作面采空区内保留下来的运输巷道,作为下一工作面回风巷道,处于采空区和煤层交界区域。该巷道要经过两次回采作业的影响,围岩内部应力应变关系及围岩与支架相互作用关系十分复杂〔1〕。沿空留巷技术,对于提高煤炭回收率、降低巷道开掘率及防控由煤柱引起的顶板事故、冲击地压问题等有显著的效果。沿空留巷井下实施过程中存在着巷旁充填问题和安全等问题,特别是顶板、通风、瓦斯、火灾、围岩变形等,大大影响和限制了沿空留巷技术。沿空留巷技术的关键性问题就是沿空留巷围岩变形规律及围岩与支架共同作用机理〔2〕。
2 沿空留巷围岩应力分布特性
研究证明,上区段采场老顶触矸稳定后,沿空巷道未开挖前的围岩应力分布如图1所示〔1〕。
在煤体上方应力分布与底板应力分布组成了“应力双峰”,即存在两个应力高峰,一个为kγh区,位于采场老顶在煤体内断裂的部位,另一个为k1γh区,位于采场老顶在采场采空区触矸的部位。煤体上方应力分布按应力值相对大小可以分为3个区即应力集中区、应力低值区和应力正常区。随着工-作面推进留设供下工作面用的回采巷道,围岩承受的压力及其破坏发展过程,包括两个阶段〔3〕:
(1)在采动支承压力作用下破坏发展阶段。该阶段巷道围岩(煤壁)承受的压力将是上覆岩层自重及采场推进悬露的上覆岩层重力的总和。巷道围岩(煤壁)的变形破坏将经历支承压力高峰向煤层深部转移的全过程。
(2)在内应力场上覆岩层运动压力作用下破坏的发展阶段。该阶段巷道围岩压力来源于采场运动的上覆岩层重力,即图1中破坏拱内岩层的重力。围岩(煤壁)的压缩破坏过程将从拱内下位岩层沉降开始,直到拱内所有岩层沉降能触矸为止。
煤体上方应力分布以上区段老顶断裂线为界分为内、外应力场两个部分。内应力场的出现以煤体出现塑性区为前提。即内应力场中的媒体处于塑性破坏状态,煤体丧失了部分自承能力,而外应力场中的煤体处于弹性状态,仍保持着自身的承载能力。
3 沿空留巷顶板运动特性
随着回采工作面的推进,顶板岩层垮落由初次垮落到周期跨落,同时由于顶板各岩层分层垮落的步距和时间不同,在各垮落循环中顶板岩层形成冒落拱,并形成冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。当下一工作面回采过程中,由于煤体、巷道充填围岩的强度、抗变形特性不同,工作面顶板在采空区边界处的断裂位置不一样。根据顶板岩层、煤体及充填围岩强度及结构特性,采空区边界附近的顶板岩层可分为垮落区、错动离层区、二次破断区、微破裂区等4个区域,见图2。
当煤体强度较低时,顶板断裂位置处于煤体内部上方,相应巷道位于错动离层区的下方;当煤体强度较高时,顶板断裂则处于煤壁外侧,相应巷道位于二次破断区的下方。井下观测表明，工作面前方采动影响范围为0～30 m，顶板剧烈活动区在工作面前方0～10 m，此处巷道煤壁片帮较严重。在回采工作面后沿空留巷的顶板受采动裂隙的破坏极大，靠近软帮侧的顶板岩层与硬帮侧的顶板岩层失去了力学联系。软帮侧顶板的破坏，降低了岩层强度，使载荷大小向硬帮侧转移，使硬帮侧顶板岩层形成块状，软帮侧顶底板移近量明显加剧。顶底板移近量主要发生在工作面后方0～40 m之间，在工作面后方10～25 m最剧烈，在40 m后侧逐步稳定，100 m后巷道处于稳定状态。
4结语
(1)回采巷道围岩压力及其破坏发展过程,包括以下两个阶段:在采动支承压力作用下破坏发展阶段和在内应力场上覆岩层运动压力作用下破坏的发展阶段。
(2)沿空留巷顶板运动特性与煤体、巷道充填围岩的强度、刚度有关,采空区边界顶板岩层可分为垮落区、错动离层区、二次破断区、微破裂区等四个区域。
(3)沿空留巷围岩变形控制关键技术是控制石墙支护与实体煤支护的强度与刚度的匹配;沿空留巷中石墙支护与实体煤支护强度不匹配是导致两侧顶板断裂不同步,运动不协调的根本原因;石墙支护与实体煤支护的刚度不同,是两侧顶板下沉速度的峰值不同步的根本原因。
(4)沿空留巷取得好的围岩控制效果,应该充分提高巷旁支护强度和刚度,并与顶板、实体煤形成共同承载体系,以保证围岩支承系统完整,以充分发挥围岩自承能力。
作者简介：
林秋平（1986.10.11） 男，2006年毕业于黑龙江科技大学安全工程专业，助理工程师。现任黑龙江龙煤矿业集团股份有限公司鹤岗分公司新陆煤矿开拓区技术员。
论文作者:林秋平
论文发表刊物:《防护工程》2019年第2期
论文发表时间:2019/7/2
标签：围岩论文; 顶板论文; 岩层论文; 巷道论文; 应力论文; 工作面论文; 采空区论文; 《防护工程》2019年第2期论文;