韦家沟煤矿深部煤层跨采对下伏大巷变形破坏的影响与控制

摘要

随着煤矿开采深度的增加，巷道的支护越来越困难。运输大巷作为服务于整个生产水平的主要巷道，其稳定性对矿井的正常生产至关重要。受深部煤层跨采采动影响，煤层跨采下伏大巷的变形及其围岩控制更加复杂。针对深部煤层跨采采动对下伏大巷变形破坏问题，以韦家沟煤矿37111工作面煤层跨采底板下伏-320m运输大巷为工程背景，采用现场监测、数值计算模拟和理论研究相结合的方法，研究了煤层跨采底板下伏大巷的松动圈范围及巷道变形位移规律；利用地质雷达测定巷道松动圈和三维激光扫描仪监测巷道变形；通过理论分析计算大巷松动圈，并利用数值模拟方法对底板大巷在跨采条件下的围岩应力分布、位移变化特征及巷道稳定性进行分析，为巷道稳定性控制提供理论基础。本文的主要研究成果和结论有：　　①通过对煤层跨采下伏大巷现场查勘分析，大巷受上覆工作面跨采影响出现顶板垮落、底鼓、巷道淋水等现象；采用地质雷达现场探测方法和分析，得到大巷围岩松动圈厚度在3.0m-6.0m之间，范围较大且分布不规则，两帮肩角处发现明显的裂隙破碎带；结合煤层跨采下伏行人石门的变形破坏情况可知，-320m运输大巷初次锚喷支护难以维护大巷在跨采期间的稳定性，需对运输大巷跨采段进行二次加强支护。　　②采用数值模拟计算分析，确定了煤层跨采下伏运输大巷在跨采影响下围岩应力分布、位移变化特征及巷道稳定性特征；数值计算结果表明：受上部煤层跨采采动影响，工作面底板岩层产生超前支撑压力并逐渐向深部转移，同时煤层开采过后采空区产生卸压，导致巷道垂直方向上的应力获得释放，使大巷整体向上抬升发生错动位移变形，巷道顶板与底板受工作面开采影响最为严重。　　③通过现场实测与数值模拟计算结果对比分析，确定了跨采条件下运输大巷破坏的原因；分析表明：底板大巷在上工作面跨采影响下沿煤层层面法向的应力获得释放，导致底板大巷随煤层底板岩层向采空区方向移动，使得大巷右帮位移大于左帮，同时底板向上抬升，巷道发生严重底鼓；同时采空区积水沿岩层裂隙流入大巷周围，围岩遇水膨胀加剧了巷道的变形与破坏，最终导致巷道原有的支护体系遭到破坏，巷道围岩发生失稳破坏。　　④通过深部跨采巷道受力变形机理分析，结合煤层跨采下伏运输大巷的工程地质条件，提出了采用“U”型钢可伸缩支架对煤层跨采下伏运输大巷二次加强支护技术方案，并对“U”型钢可伸缩支架进行了选型，确定了支架规格及架间距等支护参数。　　⑤通过采用三维激光扫描技术对大巷在跨采条件下巷道变形位移进行了监测，并通过安装压力盒记录跨采过程中巷道支护压力的变化；监测结果分析表明：大巷在二次加强支护条件下保持了良好的稳定性，验证了U型钢可伸缩支架支护方案可以有效控制跨采条件下巷道围岩变形，对类似条件下的巷道支护具有一定参考意义。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 深部巷道跨采国内外研究现状

1.2.1 跨采影响下巷道变形破坏机理研究现状

1.2.2 深部煤层跨采巷道变形及稳定性研究现状

1.2.3 深部煤层跨采巷道围岩控制理论与技术研究现状

1.3 研究内容与技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

2 工程概况

2.1 矿井煤层开采工作面布置

2.1.1 矿井概况

2.1.2 工作面及巷道布置情况

2.2 煤层跨采下伏运输大巷布置与支护

2.2.1 运输大巷断面及初始支护方式

2.2.2 煤层跨采下伏巷道破坏情况

2.3 围岩物理力学性质测定

2.3.1 现场取芯

2.3.2 试件单轴抗压试验

2.3.3 试件的巴西劈裂试验

2.3.4 试件的压剪试验

2.4 巷道围岩工程分类

2.4.1 巷道围岩的分类方法

2.4.2 运输大巷围岩工程分级

2.5 本章小结

3 煤层跨采下伏运输大巷数值模拟研究

3.1 煤层跨采下伏底板运输大巷数值模拟研究

3.1.1 数值模拟软件的选取

3.1.2 计算模型建立

3.1.3 数值计算流程

3.2 数值模拟计算结果分析

3.2.1 工作面及下伏大巷围岩的应力分布特征

3.2.2 巷道围岩变形位移特征

3.2.3 数值模拟结果分析

3.3 本章小结

4 煤层跨采下伏运输大巷松动圈现场测试

4.1 松动圈的定义与理论计算

4.2 地质雷达探测原理

4.3 煤层跨采下伏大巷围岩松动圈现场测试

4.3.1 地质雷达现场测试步骤

4.3.2 地质雷达测试结果

4.4 本章小结

5 煤层跨采下伏运输大巷围岩控制研究

5.1 跨采巷道围岩控制原则

5.1.1 巷道围岩控制原则

5.1.2 深部巷道跨采变形特征

5.1.3 跨采巷道稳定性分析

5.2 跨采巷道围岩控制方法与技术途径

5.2.1 跨采巷道围岩控制方法

5.2.2 跨采巷道围岩控制技术途径

5.3 煤层跨采下伏运输大巷二次支护方案

5.3.1 “U”型钢可伸缩支架支护技术

5.3.2 支架选型

5.4 本章小结

6 煤层跨采下伏运输大巷现场监测

6.1 三维扫描仪监测巷道变形

6.1.1 三维激光扫描仪测试原理

6.1.2 三维激光扫描仪测试步骤

6.1.3 点云数据处理

6.1.4 巷道变形监测结果

6.2 跨采过程中下伏大巷支护压力变化监测

6.2.1 支护压力监测设备

6.2.2 支护压力监测步骤

6.2.3 巷道支护压力监测结果

6.3 煤层跨采下伏大巷现场监测结果分析

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢