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神东矿区重复采动巷道塑性区演化规律及稳定控制

吴祥业  
【摘要】:神东矿区具有开采强度大的特点,为了缓解采掘接续紧张,回采巷道掘进方式多为两条甚至三条巷道同时掘出,导致部分需要保留的回采巷道受到重复采动影响,矿压显现剧烈,维修费时费力,这种双巷甚至三巷的布置方式,在我国宁夏、陕西、山西、内蒙等地区广泛存在。因此,厘清受重复采动影响巷道的破坏机理及稳定机制,切实保障重复采动影响巷道围岩稳定,具有一定的理论意义和实用价值。本文以神东矿区重复采动巷道为工程背景,采用理论分析、现场观测、数值模拟和现场工程试验等研究方法,以巷道围岩塑性区形成和演化规律为主线,获取了重复采动条件下巷道围岩主应力分布规律,获得了重复采动巷道围岩塑性区演化规律,揭示了重复采动条件下巷道围岩塑性区恶性扩展机理,得出了重复采动条件下巷道围岩塑性破坏深度的定量预判,通过优化回采技术参数调控巷道围岩塑性破坏深度,形成了塑性区围岩先控再让后支的巷道围岩稳定控制体系,保证矿井安全高效生产,取得了如下主要结论和创新成果:(1)获得了神东矿区重复采动条件下巷道应力分布规律及塑性区非对称演化特征,建立了塑性区形态参数判别标准,揭示了重复采动条件下巷道围岩塑性区恶性扩展机理,明确了重复采动条件下塑性区恶性扩展的发生区域。(1)获取了留巷受一次采动期间轴向主应力动态分布规律:非充分采动下应力曲线呈单峰值分布,峰值位置在采空区中部。充分采动条件下应力特征曲线呈π形分布,左右大致对称,中部高且平缓、左右两侧较低但变化幅度大,将其划分为7个阶段;最大主应力与竖直方向夹角分布曲线,呈倒π形分布特征,先近似水平向竖直方向偏转、稳定、再偏转回近水平方向的变化过程;主应力大小和角度急剧变化位于滞后剧烈影响阶段,在工作面后方200m范围内。(2)获取了留巷受二次采动期间主应力分布规律:主应力变化曲线呈两侧下降,中间稳定的大致轴对称分布,将其划分为3个阶段;最大主应力与竖直方向夹角曲线与主应力曲线分布特征刚好相反,呈现出先近竖直向水平方向偏转、稳定、再偏转至近水平反方向;主应力大小和角度急剧变化位于超前影响阶段,在工作面前方10m范围内。(3)获得了重复采动巷道围岩塑性区演化规律,塑性区演化全过程呈现出明显的阶段性:受一次采动期间,围岩塑性区演化呈现五个阶段特征,塑性区急剧扩展过程位于滞后剧烈影响阶段,在工作面后方200m范围内;受二次采动期间,围岩塑性区演化呈现两个阶段特征,塑性区急剧扩展过程位于超前剧烈影响阶段,在工作面前方10m范围内。(4)发现了重复采动条件下巷道围岩塑性区呈非均匀扩展特征:在滞后剧烈影响阶段和超前剧烈影响阶段,由塑性区扩展深度和形态可以发现,顶板靠煤壁侧扩展大于靠煤柱侧,底板扩展侧重方向正好与顶板相反,煤柱帮呈现明显的向顶板侧扩展,煤壁帮中部深度最大呈现对称扩展特征,煤柱帮扩展深度明显大于煤壁帮。(5)揭示了重复采动条件下巷道围岩塑性区恶性扩展机理:通过分析巷道围岩塑性区形态特征,得出主应力差值及比值越大,巷道围岩塑性区的形态越不均匀、塑性区破坏深度越大;围岩主应力方向发生偏转时,巷道围岩塑性区分布形态会随之发生偏转,塑性区蝶叶位置具有方向性;主应力大小及角度共同作用下,塑性区产生非均匀扩展;当主应力差值及比值一定的情况下,最小主应力越大,塑性区范围越大;当最小主应力均大时,随着主应力差值及比值的增大,塑性区会产生恶性扩展。(6)煤柱宽度的改变,会带来巷道位置的改变,使得围岩主应力的大小及方向均发生改变,在采空区侧方采动影响范围内,巷道位置距采空区越远,围岩主应力越小,最大主应力方向逐渐由竖直向水平方向偏转,围岩塑性破坏范围及深度越小,塑性区形态越均匀。(2)确定了神东矿区重复采动巷道塑性破坏深度的9个主控因素,得出了围岩塑性破坏深度主控因素影响显著程度,建立了塑性扩展深度预测模型,开发了重复采动巷道围岩塑性区扩展深度预测系统,实现了神东矿区重复采动条件下巷道塑性破坏深度的定量预判。(1)针对神东矿区开采条件及围岩条件,结合非等压应力场中圆形巷道围岩塑性区边界的隐性方程,优选出开采深度、开采高度、煤柱宽度、工作面长度、巷道高度等5个两帮塑性破坏深度主控因素;以及黏聚力、内摩擦角、抗拉强度和弹性模量等9个顶底塑性破坏深度主控因素。留巷两帮塑性破坏深度显著程度由大到小为:开采深度、工作面长度、煤柱宽度、开采高度及巷道高度;顶板为:开采深度、工作面长度、黏聚力、内摩擦角、弹性模量、煤柱宽度、开采高度、巷道高度、抗拉强度;底板与顶板基本相同,只是煤柱宽度低于开采高度。(2)基于采动巷道围岩塑性破坏深度主控因素显著影响程度分析,通过两帮及顶底板塑性破坏深度与各影响因素关系的多元非线性回归分析,建立了留巷塑性破坏深度预测模型,开发出重复采动巷道围岩塑性区破坏深度预测系统,实现了神东矿区重复采动条件下巷道塑性破坏深度的定量预判。(3)基于重复采动巷道塑性破坏深度预测系统,通过优化回采技术参数调控巷道围岩塑性破坏深度,形成了塑性区围岩先控再让后支的巷道围岩稳定控制体系,为神东矿区重复采动巷道支护参数定量设计提供依据。研究发现现有支护技术所能提供的支护阻力对围岩塑性区的影响作用甚微,基于重复采动巷道塑性破坏深度预测系统,提出优化回采技术参数,从根本上改变留巷围岩应力大小及角度,从而达到控制围岩塑性区形态参数目的;当无法调整开采条件时,形成了先控再让后支的支护理念,应用补强支护技术,防止冒顶、片帮等安全事故的发生,得到留巷补强支护合理位置及支护时间,保证安全生产。布尔台矿22205回风巷道应用顶板补强支护技术后,能够有效控制已破碎围岩垮落及冒顶事故发生,保证了围岩稳定性。


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