千米深井切顶成巷卸压效应及采场应力分布特征研究_张磊.pdf

：收稿日期：基金项目：华能集团总部科技项目（）作者简介：张磊（），男，山东济宁人，博士，工程师，现主要从事巷道围岩控制相关研究工作，：。引用格式：张 磊，李伟东，汪义龙，等 千米深井切顶成巷卸压效应及采场应力分布特征研究 煤炭工程，（）：千米深井切顶成巷卸压效应及采场应力分布特征研究张 磊，李伟东，汪义龙，李永元，杨 阳（华能煤炭技术研究有限公司，北京）摘 要：以千米深井安居煤矿 工作面为工程背景，通过数值模拟和现场实测研究了超千米埋深切顶成巷无煤柱开采卸压效应及采场应力分布特征，并对工作面压力分布进行了分区。数值模拟结果表明，相对于留煤柱开采，切顶成巷无煤柱开采超前支承压力峰值和应力增高系数均有降低，且越近留巷侧卸压效应越明显，切顶成巷实体煤帮应力峰值较留煤柱开采降低 ；现场实测结果表明，切顶成巷无煤柱开采工作面倾向压力分布具有非对称性特征，近切缝侧一定范围内出现明显的卸压区，卸压影响范围，切缝影响区内的支架平均工作阻力较工作面中部降低，较未切缝的运输巷侧降低。关键词：千米深井；采场应力；沿空留巷；矿山压力；切顶卸压 中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；煤炭是我国经济社会发展的保障性一次能源，年我国原煤产量达到 亿，为了满足国民经济的发展需求，煤炭资源开采深度逐年增大，深部开采面临高地应力、高渗透压、高地温以及强烈的采掘扰动等复杂工程地质环境。传统的留煤柱开采方式回采一个工作面需要掘进两条巷道，相邻工作面间留设大小不一的煤柱以实现井下煤炭资源的安全开采，但留设煤柱易造成应力集中，对工作面安全回采产生一定影响，。十余年来，切顶成巷无煤柱开采技术取得了大范围的推广应用，不留设煤柱或充填体，切断留巷巷道和采空区顶板之间的力学联系，使采场应力环境得到改善。诸多学者针对切顶关键参数、围岩控制技术等开展了大量的研究工作。关于切顶成巷采场第卷第期 煤 炭 工 程 ，应力分布特征的研究相对较少，其中，何满潮以柠条塔煤矿 工作面（埋深 ）为工程背景，通过模拟对比研究分析了浅埋深切顶成巷和留煤柱开采的采场应力分布特征；高玉兵以山峁煤矿 工作面（埋深 ）为工程背景，研究了断层构造对切顶成巷矿压规律的影响。本研究基于安居煤矿 工作面，开展首个超千米埋深切顶成巷切顶卸压效应及采场应力分布特征研究。工程概况济宁矿业集团安居煤矿 工作面走向推采长度 ，宽 ，面积 ，煤层厚度 ，平均煤厚 。煤层结构简单，煤层倾角平均。巷道揭露煤层顶板标高 ，局部含有厚约 的夹矸。煤层直接顶主要为泥质砂岩，局部含粉砂岩，较破碎，底板为深灰色泥岩及砂质泥岩，工作面综合柱状如图 所示。结合安居煤矿 工作面生产实际，切顶卸压沿空留巷长度 ，切顶成巷位置如图 所示。图 工作面综合柱状图 切顶成巷位置 切顶成巷技术原理切顶成巷无煤柱开采模型如图 所示，工作面回采前先对留巷巷道顶板进行主动补强支护，随后通过定向预裂技术切断巷道顶板和工作面上覆岩层之间的应力传递路径。工作面回采后，采空区顶板在矿山压力作用下沿预裂面垮落，通过挡矸支护措施将垮落矸石隔离为巷道一帮，同时对留巷顶板采取临时控顶措施。采空区顶板垮落后，矸石碎胀充填采空区，随着工作面的向前推进，采空区矸石在覆岩压力作用下逐渐压实，压实后的矸石承载能力增加，对巷道上方短臂梁和高位基本顶起到一定的支撑作用，留巷巷道围岩逐渐稳定，最终将巷道保留并服务于下一工作面。图 切顶成巷无煤柱开采 数值模拟研究 对比模拟方案为分析切顶成巷无煤柱开采卸压效应及采场应力分布特征，模拟切顶成巷无煤柱开采和留煤柱开采，对比分析两种开采方式下的采动应力分布特征，包括工作面走向采动应力分布、工作面前方倾向采动应力分布以及工作面后方倾向应力分布特征。基于安居煤矿五采区生产地质条件和工作面布置，在数值模拟软件中建立三维模型，切顶成巷无煤柱开采布置 条巷道，其中 工作面轨道巷为保留巷道，服务于 工作面，工作面倾向长度，切顶高度 ；留煤柱开采布置 条巷道，增加布置 工作面运输巷，工作面倾向长 ，留设 宽煤柱，两种开采方式的数值模型如图 所示，两个模型均模拟推采 ，采空区模型使用双屈服模型。“切顶”模拟过程的实现：切顶成巷数值模拟的前提是假定切顶高度范围内的顶板能够沿预裂面完全垮落，因此，在完成煤层开挖后，通过开挖切缝高度范围内的顶板并及时使用双屈服模型填充开挖的煤层和顶板，实现工作面推采过后其上方顶板沿预裂面冒落的模拟。年第 期 煤 炭 工 程 研究探讨 图 两种开采方式模型切顶成巷无煤柱开采数值模拟计算过程：建立计算模型初始平衡开挖 运输巷和轨道巷二次平衡 工作面回采双屈服模型填充计算结果输出。留煤柱开采数值模拟计算过程：建立计算模型初始平衡开挖 运输巷和轨道巷、运输巷二次平衡 工作面回采双屈服模型填充计算结果输出。工作面走向采动应力分布及演化规律为对比分析沿工作面走向切顶成巷无煤柱开采和留煤柱开采的采动支承压力分布特征，在距 轨道巷（工作面中部），处沿工作面走向布置 条垂直应力监测线，监测位置为煤层底板。数值模拟得到的两种开采方式下沿工作面走向垂直应力分布如图 所示，由图 可知：）在工作面中部，切顶成巷无煤柱开采和留煤柱开采超前支承压力峰值大小近似相等，达到 ，应力增高系数为 ；距 轨道巷 处，切顶成巷无煤柱开采超前支承压力峰值为 ，应力增高系数为 ，留煤柱开采超前支承压力峰值为 ，应力增高系数为 ；距 轨道巷 处，切顶成巷无煤柱开采超前支承压力峰值为 ，应力增高系数为 ，留煤柱开采超前支承压力峰值为 ，应力增高系数为；距 轨道巷 处，切顶成巷无煤柱开采超前支承压力峰值为 ，应力增高系数为 ，留煤柱开采超前支承压力峰值为 ，应力增高系数为 。）由工作面中部至距 轨道巷 处，切顶成巷无煤柱开采支承压力先减小后增大，应力增高系数由工作面中部的 降至距轨道巷 处的 后，在距轨道巷 处再次增大至 ；留煤柱图 工作面走向采动支承压力分布开采超前支承压力不断增大，应力增高系数由工作面中部的 增大至 ，表明 工作面与 工作面之间留设的煤柱对超前支承压力产生影响，煤柱应力集中导致工作面超前支承压力增大。）由工作面中部至距 轨道巷 处，切顶成巷无煤柱开采与留煤柱开采超前支承压力差值由 增大至 ，越靠近巷道侧无煤柱开采超前支承压力应力降低越明显。综上所述，沿工作面走向，切顶成巷无煤柱开采相对留煤柱开采超前支承压力峰值和应力增高系数有所降低，且越近留巷侧卸压效应越明显。分析原因，一是切顶成巷无煤柱开采通过切顶将巷道上方的长悬臂梁转变为短臂梁，实现了巷道围岩应力环境的优化；二是煤柱应力集中与支承压力叠加作研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期用增大了留煤柱开采超前支承压力，两种开采方式在围岩应力重新分布中的“一减一增”形成了切顶成巷无煤柱开采的卸压效应。工作面倾向采动应力分布及演化规律 工作面前方倾向采动支承压力分布为对比研究切顶成巷无煤柱开采和留煤柱开采沿工作面前方倾向采动支承压力分布特征，在工作面前方 ，处的煤层底板沿工作面倾向布置 条应力监测线，监测煤层底板垂直应力。数值模拟两种开采方式，得到的沿工作面前方倾向采动支承压力分布如图 所示，由图 可知：图 超前工作面倾向采动应力分布）沿工作面倾向，切顶成巷无煤柱开采和留煤柱开采在回采巷道附近出现应力集中，采动影响下支承压力明显增大。两种开采方式下回采帮受采动超前支承压力明显，对于切顶成巷无煤柱开采，回采帮应力大于非回采帮；对于留煤柱开采，工作面应力大于 工作面，由于两侧工作面承担了大部分荷载，煤柱虽出现应力集中但垂直应力相对较小。）对于回采帮侧（工作面），留煤柱开采在超前 ，和 的应力峰值分别为 ，和 ，切顶成巷无煤柱开采对应的应力峰值为 ，以及 ，分别降低了、和。）结合图、图，超前支承压力峰值在工作面前方 附近，在超前工作面 范围外，支承压力随着距工作面距离的增加而减小。工作面后方倾向采动支承压力分布为对比研究切顶成巷无煤柱开采和留煤柱开采沿工作面倾向滞后采动支承压力分布特征，在滞后工作面 ，处布置 条垂直应力监测线，监测煤层底板垂直应力。模拟两种开采方式，得到的沿工作面倾向滞后采动支承压力分布如图 所示，由图 可知：）沿工作面倾向，两种开采方式均是采空区中部顶板首先垮落并压实，采空区中部应力首先恢复。滞后工作面 处，采空区中部垂直应力为 ，滞后工作面 处的采空区中部垂直应力恢复至 。在采空区压实过程中，留巷巷道围岩应力逐渐增大直至稳定。）切顶成巷无煤柱开采采空区边缘应力峰值小于留煤柱开采。对于切顶成巷无煤柱开采，采空区边缘应力峰值由滞后 处的 恢复至滞后 处的 ；而对于留煤柱开采，采空区边缘应力峰值由滞后 处的 恢复至滞后 处的 。）切顶成巷实体煤帮侧应力峰值小于留煤柱开采实体煤帮。滞后工作面 处，切顶成巷实体煤帮应力峰值为 ，留煤柱开采 运输巷实体煤帮应力峰值为 ，切顶成巷实体煤帮相对留煤柱开采降低 ；滞后工作面 处，切顶成巷实体煤帮应力峰值为 ，留煤柱开采 运输巷实体煤帮应力峰值为 ，切顶成巷实体煤帮相对留煤柱开采降低 。综上所述，沿工作面倾向，回采巷道围岩出现应力集中，实体煤侧应力增大较为明显，切顶成巷围岩应力相对留煤柱开采表现出良好的卸压效果。切落的碎胀矸石在压实承载过程中逐渐发挥对上覆岩层的 年第 期 煤 炭 工 程 研究探讨 图 滞后工作面倾向采动应力分布支撑作用，此外，低位顶板由长臂梁转变为短臂梁，切顶成巷围岩应力降低，应力环境得到优化。现场矿压实测 工作面倾向长度 ，布置 组支架，从 运输巷开始，架范围内，每间隔 架布置一组测站，分别安装在第，支架上；架范围内（近切缝侧），每间隔 架布置一组测站，分别安装在第，支架上，工作面共布置 个测站进行矿压实时动态监测。工作面支架测站布置方案如图 所示，工作面推采 时支架工作阻力如图 所示。矿压监测结果显示，距切缝线不同位置矿压大图 工作面测站布置图 工作面支架工作阻力小不同，工作面矿压分布分为 个区域：切缝影响区、工作面中部和远离切缝侧（运输巷侧）。通过分析工作面矿压监测数据可知：）切顶成巷过程中，切缝影响区一定范围出现明显的卸压区，卸压范围在近轨道巷。切顶作用下，采空区顶板由原来的固支梁变为简支梁，顶板岩体按设定的切缝高度垮落，顶板岩层垮落碎胀充填采空区，为弯曲下沉的上位岩层提供支撑力，覆岩作用于支架的压力降低。）切顶成巷无煤柱开采工作面来压表现出明显的非对称性，来压强度总体上工作面中部远离切缝侧切缝影响区。工作面留巷侧切缝影响区、工作面中部和远离切缝侧的支架平均工作阻力分别为 ，。与工作面中部区域相比，切缝影响区内的支架工作阻力降低了；与远离切缝侧区域相比，降低。结 论）数值模拟对比分析两种开采方式下采动支承压力分布特征，结果表明：工作面前方，切顶成巷无煤柱开采超前支承压力峰值小于留煤柱开采，且越近切顶成巷侧卸压效果越明显。工作面后方，切研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期顶成巷实体煤帮侧应力峰值小于留煤柱开采回采帮，滞后工作面 处，切顶成巷实体煤帮应力峰值较留煤柱 开 采 降 低 ，滞 后 工 作 面 处，降低 。）工作面实测矿压数据表明，沿工作面倾向，切顶成巷无煤柱开采工作面压力分布具有非对称性特征，切缝影响区出现明显的卸压效应，卸压影响范围。）实测矿压数据显示工作面压力分布总体上工作面中部远离切缝侧切缝影响区，切缝影响区内的支架平均工作阻力较工作面中部降低，较远离切缝侧降低。切缝影响区内支架的平均工作阻力最低，表明通过切顶增加采空区垮落高度，能够利用切落矸石的碎胀承载特性有效降低来压强度。参考文献：康红普，王国法，姜鹏飞，等 煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想 煤炭学报，（）：谢和平 深部岩体力学与开采理论研究进展 煤炭学报，（）：谢和平，高峰，鞠杨 深部岩体力学研究与探索 岩石力学与工程学报，（）：蓝 航，陈东科，毛德兵 我国煤矿深部开采现状及灾害防治分析田 煤炭科学技术，（）：林晓波，郭立全 煤矿深部开采巷道掘进过断层安全风险综合分析与评价 煤矿安全，（）：齐庆新，李一哲，赵善坤，等 我国煤矿冲击地压发展 年：理论与技术体系的建立与思考 煤炭科学技术，（）：李春元，左建平，张 勇 深部开采底板破坏与基本顶岩梁初次垮断的联动效应 岩土力学，（）：齐庆新，潘一山，李海涛，等 煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术 煤炭学报，（）：孙 胜，赵春景，贺健宇，等 范各庄矿近距离煤层开采工作面巷道布置研究 煤炭工程，（）：朱翔斌，杨张杰，程雁斌，等 基于煤柱应力实测的沿空掘巷煤柱宽度留设与围岩控制技术 煤炭工程，（）：杨晓杰，毛文彬，张星宇，等 红庆河煤矿厚煤层巷道切顶卸压关键参数研究 中国煤炭，（）：，周均民，申世豹，刘进晓，等 厚表土厚坚硬顶板无煤柱切顶留巷关键技术研究 煤炭工程，（）：何满潮，马资敏，郭志飚，等 深部中厚煤层切顶留巷关键技术参数研究 中国矿业大学学报，（）：王 炯，李永俊，王钊铉，等 中厚煤层切顶卸压小煤柱沿空掘巷关键参数研究 煤炭技术，（）：王亚军，杨 军，高玉兵，等 切顶卸压沿空留巷动压承载临时支护技术研究 煤炭工程，（）：朱 珍，张科学，袁红平 切顶卸压沿空留巷碎石巷帮控制技术及应用 煤炭科学技术，（）：马新根，李伟东，汪义龙，等 缓倾斜厚煤层回风巷切顶成巷技术应用研究 煤炭工程，（）：何春光，徐晓鼎，杨建辉，等 厚硬顶板切顶卸压围岩变形控制技术研究 煤炭工程，（）：何满潮，王亚军，杨 军，等 切顶卸压无煤柱自成巷开采与常规开采应力场分布特征对比分析 煤炭学报，（）：高玉兵，王 炯，等 断层构造影响下切顶卸压自动成巷矿压规律及围岩控制 岩石力学与工程学报，（）：（责任编辑 苏 越）年第 期 煤 炭 工 程 研究探讨