采矿论文-沿空巷道围岩变形破坏机理及稳定性分析

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1、第二章沿空巷道围岩变形破坏机理及稳定性分析巷道围岩变形破坏是巷道失稳的外在表现，研究沿空巷道变形破坏机理是研究巷道失稳的前提与基础。因此，本章通过通过理论分析、数值模拟结合现场观测研究沿空巷道围岩变形破坏特征，归纳出其影响因素，为研究沿空巷道失稳机理及巷道控制技术打下基础。2.1沿空巷道围岩应力分布规律巷道表面位移、破坏表现为巷道顶底板及两帮的变形破坏，在沿空掘巷围岩结构中小煤柱的变形失稳是整个巷道变形失稳的重点，围岩结构的应力变化引起巷道的变形，因此有必要对沿空掘巷的围岩结构的应力变化进行深入分析。有研究表明，沿空掘巷在掘进及回采期间巷道围岩应力表现出一定

2、的规律性[24-27]。（1）顶板①垂直应力在巷道的掘进期间，由于破坏了巷道原来的应力平衡状态，引起应力重新分布。垂直应力沿着顶板层面呈现非均匀状态，巷道中部的垂直应力明显较低，而在煤帮附近应力较高，这是因为由于巷道开挖形成了类似于压力拱的结构存在。在巷道从掘进到稳定期间，垂直应力在整个层面上都有不同程度的降低，这就造成了顶板的变形主要发生在中浅部围岩，且优以顶板的中部破坏严重。②水平应力在受到本工作面采动影响时，水平应力有明显的上升。顶板中应力的明显上升，由于压曲作用的存在，致使巷道中垂直应力增大，顶板将在大范围内下沉和变形。（1）小煤柱帮掘巷前靠近上工作

3、面采空区部分为破碎区，靠近巷道部分为原来承受高压的弹性区与塑性区，掘巷后煤体应力急剧降低，发生破坏而卸载，产生向巷道方向的位移。①垂直应力在小煤柱与巷道顶板的交界处，垂直应力呈现基本一致性，靠近采空区一侧的煤体因破坏而卸载，应力水平较低。靠近巷道一侧煤体应力相对较高，垂直应力明显集中，受回采时影响达到最大值。②水平应力沿小煤柱宽度方向，应力分布呈现明显的区域性，从靠近采空区侧依次分为破裂区、塑性区和弹性区。具体见图2-1，在煤柱两侧存在破裂区，应力承载能力小。在巷道掘进及稳定期间，水平应力沿煤柱高度方向上的分布呈现一致性，应力集中程度较低，在受本工作面采动影

4、响时，在煤柱高度范围内水平应力均有不同程度增加的趋势。（2）实体煤帮的应力分布掘巷前，巷道另一侧的实体煤帮为承受高压的弹性区；掘巷后，衍变为破裂区、塑性区；随着支承压力向煤体深部转移，煤体也向巷道方向显著位移，该帮的应力分布及演化规律：①垂直应力在一定高度上，垂直应力的分布随深入煤体内部的深度增加而呈增大的趋势；掘进及回采影响期间，在一定距离范围内均存在一个明显的垂直应力降低区；工作面回采时，在距实体煤帮一定距离范围内，随着深入煤体内部的深度增加，垂直应力是不断增大的。图2-1小煤柱护巷引起的煤帮应力重新分布1-掘巷前的应力分布；2-掘巷后的应力分布Ⅰ―破裂

5、区；Ⅱ―塑性区；Ⅲ―弹性区应力升高部分；Ⅳ―原岩应力区如图2-1所示，掘巷前实体煤帮的应力分布如图2-1中曲线1所示，小煤柱掘进位置一般刚好处于残余支承压力峰值下。巷道掘进后小煤柱遭到破坏而卸载，引起煤柱向巷道内的强烈移动。巷道另一侧的煤体，掘巷后应力重新分布，靠近巷道的煤体因卸压衍变为破碎区与塑性区，煤体向巷道方向位移显著，在实体煤帮内部为承受高压的弹性区应力升高部分，应力集中系数为K.煤帮深处又恢复到原岩应力区,最终应力分布如图2-1中曲线2所示。①水平应力在掘巷稳定期间，围岩破坏是引起煤帮变形的主要的因素，地水平应力及垂直应力都有不同程度的降低;在受到

6、本工作面采动影响时，煤帮较深处的水平应力有很明显的增加，此时，实体煤帮的破坏随着垂直应力的增加而向较深部煤体中扩展。2.2沿空巷道侧向顶板结构特征分析煤层开采以后，采场上覆岩层的运动情况、特别是侧向顶板岩层的破断是引发回采巷道及护巷煤柱剧烈变形的主要原因，研究回采巷道煤柱宽度留设,首先应该对侧向顶板结构运动与破断规律有所认识。由关键层理论得知，煤层顶板岩层中，由于成岩矿物成分及成岩环境等因素的不同，岩层厚度和力学性质存在较大的差别。其中一些较坚硬并具有一定厚度的岩层起着主要控制作用，它们破段后形成的结构直接影响着采场周围及巷硐的矿压显现和岩层活动，这些对岩体

7、活动全部或者局部起控制作用的岩层称为关键层。当关键层破断时，上覆全部或者局部岩层的下沉变形是协调一致的。因此对于煤层顶板中存在一层或者数层较坚硬的岩层时，在研究回采工作面侧向顶板结构稳定性时，应用关键层理论的基本原理和方法是适宜的，对侧向顶板稳定性影响的是此层较坚硬的岩层，即所谓的关键层。因此，我们仅研究此关键层断裂、运动、稳定对回采巷道煤柱稳定性的影响。当长壁工作面推过后，工作面上方基本顶在两侧形成了悬臂梁式的结构，其力学计算模型简化为图2-6所示。图2-6悬臂梁结构力学模型Fig.2-6Cantileverbeammechanicalmodelofstr

8、ucture对于沿空掘巷，由于是窄煤柱护巷，围岩整体