缓斜煤层群采动影响下底板软岩巷道围岩稳定性控制

摘要

我国不少矿区都存在底板软岩巷道受近距离煤层群采动影响的问题，特别是受跨采影响的高应力软岩巷道围岩变形破坏机理复杂，支护问题日益突出，围岩稳定性控制十分困难。近距离煤层群采动影响下底板软岩巷道围岩稳定性控制实质上是高应力重复作用下的软岩巷道支护问题，这也一直是困扰我国煤矿生产和建设的难题之一。因此，对底板软岩巷道的变形破坏特征及其受重复采动影响的围岩稳定性控制机理进行研究，不仅具有重要的理论意义，而且具有重要的工程应用价值。
　　 本文以川南煤业鲁班山北矿为工程背景，综合应用室内试验、现场监测、理论分析和数值模拟手段，测定了试验矿井原岩应力、煤系地层煤(岩)物理力学参数、煤层底板软岩的蠕变特性及本构关系、受不同采动影响下底板上山松动圈的厚度。数值分析了缓斜近距离煤层群开采条件下支承压力分布规律以及在底板岩层中的传播规律；分析了在煤层群跨采影响下现有底板上山的布置及支护存在的问题。理论研究了在高应力软岩巷道超大松动圈条件下，采用锚网索联合支护可能形成锚杆与围岩的组合拱以及锚索与围岩的加固拱，即“双拱”，分析了“双拱”的作用机理，提出根据松动圈厚度设计锚网索的支护参数，现场测试了一采区回风上山按“双拱”设计加固后，在重复采动影响下的矿压显现。论文主要成果如下：
　　 (1)根据松动圈围岩稳定性分类方法对矿井底板巷道围岩进行了分类，得出试验矿井一采区回风上山在不受采动影响时主要为Ⅱ～Ⅲ类围岩，即较稳定和一般稳定围岩；受煤层群跨采影响后主要为Ⅳ～Ⅴ类围岩，即一般不稳定围岩(软岩)和不稳定围岩(较软围岩)。根据上山围岩的矿物成分、所受应力状态、岩石强度等，将其划分为准高应力软岩。
　　 (2)结合一采区回风上山巷道变形的过程特征，论文对试验矿井底板软岩(砂质泥岩)进行了蠕变特性试验及蠕变力学模型研究：通过单轴实验得到岩石的全应力-应变曲线，在应力-应变的各个阶段上分别选取不同的应力水平进行蠕变实验；根据加载应力水平产生的蠕变差异，建立了砂质泥岩的经验本构方程和蠕变力学模型。其研究成果可应用到鲁班山北矿软岩巷道支护优化设计中，为软岩巷道支护设计作补充和完善。
　　 (3)利用声发射Kaiser效应测试岩体地应力的原理、方法及弹性力学理论，得出了试验矿井285运输联络巷、三采区+450m装车石门处的原岩应力值，研究表明，矿区地应力场主要以构造应力场型为主，自重应力场型为辅；最小主应力值接近上覆岩层所形成的自重应力且各主应力值均为压应力。为建立数值模型提供了应力边界条件。
　　 (4)应用数值模拟方法对煤层群支承压力分布规律的研究，得出了如下规律：
　　 沿走向首采煤层工作面前方支承压力随工作面的推进而以相同的应力波形不断向前传播，工作面前方应力峰值随着工作面的推进而逐渐增大。重复一次及重复二次开采过程中，工作面前方均形成了应力“双峰”曲线，其中工作面前方第一应力增高区应力小而集中，影响范围较小，第二个应力增高区宽而平缓，应力影响范围较大；沿倾斜方向在工作面采空区两侧形成了应力单峰曲线，其中采空区下侧煤体的应力集中系数小于工作面上侧煤体应力集中系数，但其应力集中程度略高，影响范围也略大。
　　 (5)应用数值模拟方法对煤层群底板应力分布规律进行了研究，得出了如下规律：回采工作面煤体下的σy等应力线呈泡形并斜向于工作面前方，采空区下方岩层的σy等应力线呈椭圆状，随着工作面的推进，位于煤层底板的原岩应力区、应力增高区、应力降低区这3个区将不断向前移动，对下部煤层开采及巷道维护有直接影响。沿走向8＃煤层回采工作面前后支承压力在底板岩层中传播的动压影响范围为35m；沿倾斜方向8＃煤层回采工作面采空区两侧支承压力在底板岩层中传播的静压影响范围为45m。
　　 (6)应用数值模拟方法对跨上山回采的合理停采煤柱位置及尺寸进行了研究，研究表明，采用2＃、3＃、8＃煤层停采煤柱分别为10m、20m、20m的内错式布置方案比较合理，在8＃煤层煤柱下方底板岩层影响范围为35m，据此来设计底板巷道布置位置，可以避免或减轻煤柱支承压力对巷道围岩的破坏。
　　 (7)分析了煤层群采动影响下软岩巷道围岩变形破坏特征与软岩巷道稳定性控制机理。2＃、3＃煤层由于距离底板上山较远，其跨采对上山围岩稳定性影响小；底板上山围岩稳定性在与8＃煤层工作面水平距离-40m　　 (8)围绕软岩巷道围岩松动圈厚度与锚杆组合拱、锚索加固拱厚度之间的关系，建立了跨采动压软岩巷道预应力锚杆锚索双拱支护体系。通过把锚索加固拱内缘与锚杆组合拱外缘相连，而加固拱外缘位于未受破坏的稳定岩体中，并将松动圈的边界置于加固拱的中部，以此来改变内部岩体的应力状态，阻止松动圈边界岩体进一步向深部变形破坏，使松动圈厚度稳定下来，从而使巷道的变形量稳定下来。根据软岩巷道围岩松动圈厚度来确定锚杆组合拱厚度、锚索加固拱厚度及支护相关参数，以此来控制采动对软岩巷道围岩稳定的影响。并把该支护体系应用于矿井巷道支护工程实践，锚网索喷联合支护效果较好，该方法可有效控制软岩巷道围岩变形。