缓倾斜煤层再生顶板条件下巷道围岩破坏及控制研究

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极近距离煤层多存在于井工矿开采过程中,当极近距离煤层群下部煤层开采时,上部采空区顶板垮落压实形成再生顶板,其结构具有碎裂特征,受采动应力影响极易发生失稳冒落。本文针对缓倾斜煤层再生顶板形成后,下部回采巷道应力环境及围岩塑性区发生改变,导致围岩变形严重及支护困难的工程问题。运用基于双屈服模型的数值模拟方法模拟了极近距离缓倾斜煤层再生顶板的压实过程及其应力分布特征,分析了回采巷道从原生顶板阶段过渡至再生顶板阶段时应力的分布特征及对巷道围岩破坏的影响关系,并比较了回采巷道处在原生顶板阶段时与再生顶板阶段时巷道围岩的破坏形态及叠加采动应力影响下巷道围岩塑性区的扩展特征,最终提出巷道围岩稳定性控制方案。主要取得如下结论:(1)根据数值模型计算,上部缓倾斜再生顶板压实后,缓倾斜再生顶板垂直应力整体呈现为偏离采空区中心点的“O型圈”分布特征,压实区中心点沿倾斜方向向下偏移,距采空区两边煤柱的距离不相等;应力的动态变化在再生顶板内部及边缘岩体形成应力集中区、应力降低区及应力恢复区;应力向下传递,将显著影响下部工作面及巷道的应力分布,导致回采巷道出现应力增高与降低现象。(2)根据回采巷道应力变化分析得出,应力起伏变化较大的区域集中在从原生顶板至再生顶板的过渡区域内;此区域内原生顶板侧,主要受上部采空区边缘支承压力的影响出现局部应力增高;过渡区域再生顶板侧,主要受上部再生顶板应力降低的影响,导致下部回采巷道顶板出现应力降低区,巷道围岩的主应力减小。(3)根据回采巷道围岩塑性区分布特征得出,原生顶板阶段内,受上部采空区边缘支承压力向下传递的影响,巷道围岩塑性区有一定程度的扩展;再生顶板阶段内,由于再生顶板本身具有的碎裂结构特征,回采巷道围岩的破坏主要集中在巷道顶板;而在再生顶板阶段应力降低区的作用下,巷道两帮及底板的塑性区面积相比原生顶板阶段岩石塑性区面积略有减小。(4)叠加采动应力影响下,由于再生顶板岩石松散碎裂,岩块之间的应力传导作用差,再生顶板阶段的超前支承压力曲线比原生顶板阶段变化幅度要小;通过观察采动工作面前方20m内围岩塑性区扩展情况,得出再生顶板阶段受动压影响围岩塑性区扩展程度比原生顶板阶段要小。(5)针对再生顶板阶段回采巷道围岩破坏主要集中在巷道顶板,综合考虑提出了顶板全锚索支护方案,给出了相应的支护参数;通过对支护后的巷道进行数值模拟分析,得出了支护体产生的应力场影响范围、支护体的受力、支护体锚固段的位置及支护后的位移量;经后期观测围岩移近量,证明支护效果良好;根据本文研究体系规划,建立再生顶板条件下回采巷道围岩控制原则,对此类巷道的围岩控制具有一定的指导意义。
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