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杜兒坪礦沿空掘巷上覆巖層大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

王海平1,2

(1.太原理工大學(xué)，山西太原030024; 2.西山煤電集團(tuán)公司，山西太原030053)

摘要以杜兒坪礦72908工作面沿空掘巷上覆巖層為研究對(duì)象，在受上區(qū)段工作面回采影響的基礎(chǔ)上，采用理論分析方法，建立大結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，對(duì)沿空掘巷上覆巖層大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，得出在72908工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)及掘后穩(wěn)定階段，上覆巖層大結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定；在回采過(guò)程中，上覆巖層活動(dòng)劇烈，但上覆巖層大結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)垮落，需加強(qiáng)巷道支護(hù)以確保巷道的穩(wěn)定性，保證沿空掘巷在生產(chǎn)期間的正常使用。

關(guān)鍵詞沿空掘巷；大結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性；理論分析

收稿日期：2014-11-29

基金項(xiàng)目：山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014011035-2)

作者簡(jiǎn)介：王海平(1979—)，男，山西平遙人，2013級(jí)太原理工大學(xué)在讀工程碩士，政工師，主要從事煤礦安全管理工作

中圖分類(lèi)號(hào)：TD32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)01-0008-02

AbstractGob-Side entry driving overlying strata of 72908 working face in Du'erping coal mine is as the research object, on the basis of the influence of working face upper section mining, adopts the method of theoretical analysis, sets up the structural mechanics model, analyzes and researches on the large-scale structure stability of gob-side entry driving overlying strata, obtains that the overlying strata large-scale structure is relatively stable at the stabilization stage of 72908 working face that return airway tunnelling and completed tunnelling. In the process of mining, overlying strata moves sharply, but the large-scale structure can not unstably collapse, so it is necessary to strengthen the roadway support, to ensure the stability of roadway and the normal use of gob-side entry driving during the period of production.

1工程概況

西山煤電集團(tuán)公司杜兒坪煤礦72908工作面開(kāi)采2#煤層，其煤層為陸相湖泊型沉積，屬二疊系山西組地層中部。煤層厚度穩(wěn)定, 平均煤厚3.20 m，煤層平均傾角5°.2#煤層直接頂以砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度2.10 m，直接頂上部為0.55 m厚的煤層。老頂巖性為粉砂巖，平均厚度7.62 m.直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度0.45 m.老底為粗砂巖，平均厚度1.10 m.

72908工作面位于南九盤(pán)區(qū)，為72907工作面的接替工作面，平均埋深607 m.72908工作面北鄰南九2#煤回風(fēng)巷，東鄰72907工作面，其相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)圖1.

圖1　72908工作面相對(duì)位置關(guān)系圖

2大結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的建立

由于72907工作面回采，基本頂初次來(lái)壓形成“O-X”型覆巖空間結(jié)構(gòu)[1]。上覆巖層周期性垮落，基本頂沿工作面回采方向形成砌體梁結(jié)構(gòu)，而在72907工作面上方破斷成弧形三角塊，下方為沿空掘巷?；⌒稳菈K形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后，開(kāi)掘72908工作面回風(fēng)巷?；卷?shù)姆€(wěn)定性及位置會(huì)直接影響沿空掘巷圍巖的穩(wěn)定性，基本頂斷裂后產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)形成沿空掘巷的上部邊界。

72908工作面回風(fēng)巷上覆巖層通過(guò)直接頂與巷道發(fā)生作用。72907工作面回采后基本頂巖層的斷裂特征決定了其上覆巖層垮落后的賦存狀態(tài)。據(jù)此，構(gòu)建72908工作面沿空掘巷上覆巖層大結(jié)構(gòu)模型。大結(jié)構(gòu)是指巷道較大范圍的圍巖結(jié)構(gòu)，包括直接頂、基本頂和作用在基本頂上的載荷巖層[2]。72908工作面沿空掘巷上覆巖層大結(jié)構(gòu)模型圖見(jiàn)圖2.

由圖2可知，巖體A為72908工作面的基本頂，塊體B是72907工作面采空側(cè)弧形三角塊體[3]，沿空巷道位于塊體B的下方，塊體C則是72907工作面采空區(qū)上方的斷裂塊。72908工作面沿空掘巷上覆巖層大結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3.由此可見(jiàn)，塊體B對(duì)于沿空掘巷上覆巖層大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵性作用。

圖2　沿空掘巷上覆巖層大結(jié)構(gòu)模型圖

圖3　沿空掘巷上覆巖層結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)基本頂?shù)臄嗔?、運(yùn)動(dòng)特征，弧形三角巖塊B可以做如下簡(jiǎn)化：1) 在煤體一側(cè)的斷裂線處基本頂深入煤層中，斷裂形成弧形三角塊后，以斷裂線為軸，巖塊B向下旋轉(zhuǎn)。2) 72908工作面的周期來(lái)壓步距假設(shè)大體相等，則基本頂?shù)钠茢嗵卣鞔篌w相同，將弧形巖塊B簡(jiǎn)化為等腰三角形巖。3) 弧形三角巖塊B與實(shí)體煤側(cè)的巖塊A、采空區(qū)一側(cè)的巖塊C形成鉸接結(jié)構(gòu)，并且上部的軟弱巖層與硬巖層離層失去力的傳遞作用。4) 巖塊B以固定作用方式作用于下方的直接頂和煤層。5) 二次采動(dòng)期間，在側(cè)向支承壓力和超前支承壓力作用下，巖塊A下方的直接頂和煤層壓縮下沉以及巖塊C下方的矸石壓縮下沉，巖塊B產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)下沉作用，其穩(wěn)定性及位置發(fā)生改變。

3掘巷期間大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析

根據(jù)圖2和圖3中沿空巷道與上覆巖層大結(jié)構(gòu)的剖面關(guān)系和平面關(guān)系可見(jiàn)，72908工作面回風(fēng)巷處在大結(jié)構(gòu)下方的煤層中，巷道上方直接頂厚度較厚并且巷道遠(yuǎn)離大結(jié)構(gòu)；沿空巷道的位置處于支承壓力較小的低應(yīng)力區(qū)。

因此可知：1) 72908工作面回風(fēng)巷掘巷期間,大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定不會(huì)被上覆巖層的擾動(dòng)所影響。2) 由于關(guān)鍵巖塊B的變形及受力特點(diǎn)變化不大，所以大結(jié)構(gòu)仍將保持其原有的穩(wěn)定狀態(tài)。3) 巷道外部整體的力學(xué)環(huán)境變化不大。

4回采期間大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析

由圖3可知，窄煤柱沿空巷道在72908工作面回采時(shí)，上覆巖層塊體A的平衡狀態(tài)被打破，采空區(qū)老頂巖層產(chǎn)生新的斷裂。巖層塊體A產(chǎn)生新的互相鉸接塊體A1、A2、A3，見(jiàn)圖4.在上覆巖層的重力及回轉(zhuǎn)力矩作用下，巖塊A1彎曲下沉，巖塊A2和巖塊A3回轉(zhuǎn)下沉，巖塊A2和巖塊A3處于運(yùn)動(dòng)和不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4　回采期間巖塊A結(jié)構(gòu)關(guān)系圖(Ⅰ-Ⅰ剖面圖)

由于塊體A1、A2、A3的變形、彎曲下沉和運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致塊體B處于不穩(wěn)定狀態(tài)。塊體B的斷裂情況與塊體A類(lèi)似，見(jiàn)圖5.塊體B1、B2、B3除受上覆巖層壓力和自身重量的影響外，還受塊體A1、A2、A3下沉旋轉(zhuǎn)力矩的影響。隨著巖塊B2、B3持續(xù)下沉，巖塊B1的支承壓力迅速上升。在巖塊A1、B2的共同作用下，巖塊B1開(kāi)始緩慢下沉。煤體在超前支承壓力的作用下，其力學(xué)強(qiáng)度降低，承載能力逐漸減弱，同時(shí)由于巖塊A1、A2、A3的影響，巖塊B1、B2、B3由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致巷道周?chē)鷰r石變形量加大，并且變形量隨與工作面距離的減小而逐漸呈增大的趨勢(shì)。

圖5　回采期間巖塊B的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖(Ⅱ-Ⅱ剖面圖)

受72908工作面回采的影響，沿空巷道邊緣上覆巖層大結(jié)構(gòu)的載荷不斷增強(qiáng)，但各巖塊間的相互支承條件并未發(fā)生根本性變化，因此仍可以保持隨機(jī)平衡的狀態(tài)。所以，在工作面推過(guò)之前，上覆巖層大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不會(huì)發(fā)生根本性改變。在保證錨桿支護(hù)與巷道圍巖形成的小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不受影響前提下，其沿空巷道不會(huì)產(chǎn)生破壞。

5結(jié)論

在72908工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)及掘后穩(wěn)定階段，上覆巖層大結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，且巷道變形量較小。在回采過(guò)程中，沿空掘巷上覆巖層活動(dòng)劇烈，下沉變形量較大，但上覆巖層大結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)垮落，此階段需要加強(qiáng)巷道支護(hù)以適應(yīng)沿空掘巷圍巖下沉變形所釋放的圍巖變形能，確保沿空巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而保證72908工作面沿空掘巷在生產(chǎn)期間的正常使用。

參考文獻(xiàn)

[1]竇林名，賀虎.煤礦覆巖空間結(jié)構(gòu)OX-F-T演化規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012(3):453-460.

[2]侯朝炯，李學(xué)華.綜放沿空掘巷圍巖大、小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性原理[J].煤炭學(xué)報(bào),2001(1):1-7.

[3]謝廣祥.采高對(duì)工作面及圍巖應(yīng)力殼的力學(xué)特征影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2006(1):6-10.

Stability Analysis on Large-scale Structure of Gob-side Entry

Driving Overlying Strata in Du'erping Coal Mine

Wang Haipng

Key wordsGob-side entry driving; Large-scale structure; Stability; Theoretical analysis

·專(zhuān)題綜述·

·試驗(yàn)研究·