2018浅谈煤矿开采沿空留巷围岩控制理论的应用

8087409

　　摘 要：通过阐述沿空留巷顶板岩层活动的分期性、沿空留巷的大、小结构模型，建立了沿空留巷大结构稳定性分析模型，小结构的力学模型，得出煤矿开采沿空留巷围岩控制理论稳定性的关键技术，为正确选择合适的支护方式，保证所留巷道在留巷后的巷道稳定提供了理论保障。
http://
　　关键词：煤矿开采 沿空留巷 围岩控制
　　
　　一、沿空留巷的结构模型
　　以往研究表明：工作面回采过程中，采空区顶板岩层活动的主要形式为自上而下的分层垮落，表现为顶板岩层的旋转下沉和平移下沉。
　　长壁工作面自开切眼向前推进一段距离时，首先在悬露老顶的中央及两个长边形成平行的断裂线，再在短边形成断裂线，并与断裂线I1、I2贯通，最后老顶岩层沿断裂线I和II回转且形成分块断裂线III，而形成结构块1、2。老顶在采空区中部接触研石后，运动较平缓。老顶初次破断后的平面图形近似呈椭圆状，见图1。
　　随着工作面的继续推进，顶板出现周期性垮落，依次出现断裂线乃，并绕周边断裂线n回转形成周期性顶板垮落。
　　沿空留巷的直接顶板除采空区自然冒落外，必然由于结构块即2、3结构块的运动而被迫下沉。因此，结构块2、3的稳定状况直接影响沿空留巷的稳定状况。一般来说，巷旁支护体很难阻止结构块3的旋转下沉。可见，当老顶破断下沉时，要求巷旁支护体具有一定的可缩量，使其适应结构块3的旋转下沉，以减小对巷旁支护体的压力。为了保持巷道顶板的完整，以及减少顶板下沉量，要求巷旁支护体具有一定的支护阻力，将结构块3在采空区侧沿巷旁支护体边缘切断，即切顶。
　　根据图1所示的沿空留巷老顶断裂结构，结构块2和3在其中部悬顶距达到最大，此时巷旁支护体既要适应结构块的运动，又要控制顶板旋转下沉量，所承担的载荷达到最大。此时，巷旁支护体外侧顶板最可能发生切顶断裂，因而巷旁支护体的支护阻力必须满足这种切顶要求。
　　二、沿空留巷稳定性分析模型
　　沿空留巷大结构是在第一次本区段工作面推进过程中形成的。根据老顶破断形态，建立沿空留巷上覆岩体大结构的稳定性分析模型。
　　由于沿空留巷巷旁支护体是在本区段工作面推进过程中，顶板活动最为剧烈之时形成的，将经历本区段工作面第一次采动和下区段工作面第二次采动超前支承压力的影响。沿空留巷成功的前提和关键，是受工作面第一次采动剧烈影响时，其上覆岩层大结构能保持稳定。而由以上大结构关键块2稳定性分析中可知，在给定下沉量的条件下，块2下部的研石和巷旁支护体将对其形成强大的支撑作用，同时，该块还将受到1、3两块的夹持。可见，沿空留巷上覆岩体大结构在受第一次采动影响后是能保持稳定的。
　　沿空留巷在上覆大结构的保护下，始终处于本区段采空区边缘支承压力相对较小的低应力区中。又加之，其上方赋存的直接顶厚度较大，一般都远离大结构，但煤帮都较破碎。故其在受到第二次采动影响之前，巷道围岩的变形主要由软弱破碎围岩的蠕变而引起，并不影响到其上覆大结构的稳定。沿空留巷在下区段工作面超前支承压力的影响下，岩块1和岩块2将有一定的回转下沉，进而改变了工作面前方沿空留巷大结构原有的平衡状态。大结构的这种运动和不稳定状态，将导致沿空留巷围岩应力的重新分布和集中，使得巷道顶板、实体煤帮、底板和巷旁支护体在变形方式和变形量上出现不统一和非均匀性。，如果巷道围岩得不到有效加固，则沿空留巷围岩将产生较大变形。沿空留巷上覆岩体大结构受下区段工作面二次采动影响时，虽然其上的载荷在不断增加。
　　因此，在下区段工作面推过之前，大结构的稳定性不会受到根本的改变，只有在工作面推过后，大结构的稳定平衡状态才被打破，进而发生失稳，造成沿空留巷的彻底破坏。
　　沿空留巷受第一次采动影响时，受到的动压最为剧烈，尤其是对巷旁支护体的性能要求很高。当受第二次采动影响时，巷旁支护体己处于低应力区，主要变形发生在煤帮和顶板。总之，只要顶板、煤帮加固和巷旁支护体性能参数设计合理，使沿空留巷围岩形成的小结构保持稳定，沿空留巷就能成功，但大结构对小结构的下沉变形是不可抗拒的，小结构既要有一定的支护阻力又要有一定的可缩量，才能保证沿空留巷在生产期间的正常使用。
　　三、小结构力学模型和稳定性关键技术
　　在具体的煤层开采条件下，小结构的稳定性是决定沿空留巷稳定的主要因素，巷旁支护体与顶板、实体煤帮及底板加固区是一个有机整体，其变形和破坏是各组成部分相互作用、相互影响的综合结果，任何一组成部分的变形失稳都将导致整个小结构的变形破坏。根据沿空留巷的特点及小结构变形破坏机理，则保持围岩小结构稳定的关键技术为：
　　（一）巷旁支护体的合理设计
　　对于大断面沿空留巷，为有助于大结构尽快稳定，并能适应大结构的回转下沉，巷旁支护体必须具有支护强度大和可缩的特性。较高的支护阻力和一定可缩量的保证，可使其与巷道的实体煤帮共同承载，确保小结构稳定。对于小断面留巷，由于小结构处于受压区内，关键是处理好支与护的关系，保持支护体的稳定性。
　　（二）顶板的合理支护
　　沿空留巷顶煤一般都比较破碎，其稳定性较差，故应通过合理的锚杆或者锚索支护方式，对其进行预加固。保持顶板的稳定性是小结构稳定的又一关键。
　　（三）实体煤帮的合理支护
　　实体煤帮是沿空留巷围岩的主要承载体，是大结构回转下沉的支点，其下沉与变形必将导致大、小结构的失稳。实体煤帮的有效支护将对小结构的稳定起到很大作用。
　　（四）巷道帮角的合理加固
　　一般而言，巷道帮角的应力集中程度较高，易导致底瞰和顶煤冒落。通过合理的锚杆布置加固巷道帮角，既可强化帮角的围岩强度，又可使帮角的应力集中向围岩深部转移，从而达到提高小结构稳定的目的。
　　四、结语
　　由于沿空巷道要经历两次强烈的采动影响，大量理论研究和生产实践表明，如何提高巷道围岩强度，并正确选择合适的支护方式，是保证所留巷道在留巷后巷道稳定的关键。