覆岩运动规律研究及其在巷道支护设计中的应用

覆岩运动规律研究及在巷道支护设计中的应用 宋振骐 中国科学院院士 卢国志 代 山东科技大学 1 覆岩运动规律研究2 主采工作面回采巷道支护设计3 煤矿安全高效开采决策支持系统的简介 提纲 1 覆岩运动规律研究 所谓覆岩运动规律是指在工作面推进过程中 由于煤体被采出 煤体上覆岩层由于重力的作用会产生挠曲 裂断 导致岩层应力的转移 我们把由采动所引起的煤层上覆岩层一系列变动规律 简称为 覆岩运动规律 1 1覆岩运动规律的含义 1 2覆岩运动规律研究的研究内容 冒落带的高度裂隙带的高度直接顶的发展变化规律老顶各岩梁的发展变化规律支承压力发生 发展变化规律内外应力场的形成条件及其发展变化规律 覆岩运动规律基本结构图 1 3覆岩运动规律对几类事故的影响 1 3 1对瓦斯事故的影响 采动应力场应力分布规律的影响 回采工作面推进瓦斯涌出量将伴随内应力场的形成和发展逐渐增加 在高应力区掘进接续巷道 将遭遇高的瓦斯量涌出 如果与原始构造瓦斯富含部位或构造压缩应力部位相沟通 则可能出现瓦斯突出等重大事故 在稳定的内应力场推进接续巷道可能避免发生瓦斯事故 关系准则 事故原因 工作面推进断裂破坏的岩层波及到含水岩层 特别是原有构造破坏的富水区域 1 3 2与顶板透水事故的关系 顶板透水事故预测控制的信息 包括水源信息 构造运动破坏情况 采动顶板运动破坏信息及采动支承压力分布信息四个方面 1 水源信息 2 构造破坏情况正是构造破坏沟通了各含水层及补给水源的联系 形成富水区域 3 采动顶板运动破坏信息 包括在不同工作面长度条件下 上覆岩层运动破坏情况及随采场推进的发展变化规律等 4 采动支承压力分布信息的重点是采场四周煤壁进入破坏的 内应力场 宽度 关系准则 冲击地压发生的原因及实现的条件 原因 采动诱发弹性能的释放 实现条件 煤 岩 有冲击性破坏的特征 围岩中储存有足以冲击的弹性能 采动 采 掘工作面推进 破坏了原始平衡条件和提供能量释放的空间 其中 1 3 3与冲击地压事故的关系 控制冲击地压实现的应力条件是控制冲击地压发生的关键 遵循下列 防冲 时空原则进行开采方案设计 a 严格杜绝在原始应力场的构造压缩应力带和采动应力场支承压力的高峰部位布置采煤巷道 b 最大限度的争取实现在已经历采动释放应力后稳定的 内应力场 由已破坏的岩层覆盖的重力场 中掘进和维护巷道 在有可能发生冲击地压的工作面 采用 井下岩层动态观测研究方法 实现 冲击地压可能的时间 地点和强度的预测和预报 采用正确的支护方法维护采动空间的安全 巷道中采用锚网支护 工作面采用液压支护或液压支架 关系准则 1 3 4与工作面顶板事故的关系 事故原因及实现条件 事故原因 采动诱发顶板运动和破坏 事故实现条件 支护不及时 支护决策失误 a 支护方式不合理 没有针对顶板运动破坏特点 顶板控制设计结构力学模型 相关信息基础 覆岩运动规律研究 直接顶初次跨落步距 老顶下位岩梁初次裂断步距 老顶下位岩梁周期裂断步距 老顶上位岩梁初次裂断步距 老顶上位岩梁周期裂断步距 支承压力大小及其分布范围 内外应力场的大小及其状态 2 主采工作面回采巷道支护设计 2 1回采巷道矿山压力设计的内容 正确选择巷道开掘的位置和开采维护的时间 针对巷道开掘维护的位置和时间要求合理的确定采区巷道布置和工作面接替次序 选择正确的锚网支护参数 根据工作需要选择巷道断面形状和尺寸 针对巷道开掘维护的位置和时间确定 巷道压力的来源 推断 计算 支承压力大小和分布程度 分布范围 塑性区和弹性区宽度等 推断顶煤破坏的范围 破坏拱顶 和内应力场宽度 确定锚网支护方式 包括确定顶 邦 底锚杆布置和护网结构 计算确定锚杆长度和密度 绘制锚网巷道支护设计图纸和支护构件用量表 2 2回采巷道开掘与维护的位置煤矿巷道开掘和维护过程中 促使围岩运动破坏的矿山压力的来源及其相对推进的位置和时间分为以下四种类型 如下图所示 2 2 1 原始应力场中开掘和维护的巷道其压力 应力 的来源视原始应力场特征可能有两种情况 单一重力作用的原始应力场 来源于上覆岩层的重力 存在残余构造应力的原始应力场 来源于重力和残余构造应力的综合作用 2 2 2 在采动支承压力分布范围的 内应力场 中开掘和维护巷道 如图位置2所示 在采动形成的 内应力场 范围内 煤层已遭到不同程度的破坏 原支承压力的高峰区域已向煤层纵深转移 存在的原始构造应力也已在煤层的采动和覆岩运动破坏过程中释放 因此 在该范围内开掘和维护巷道围岩应力大小由采动波及的破坏岩层范围内运动着的岩层重力决定 如果采动波及的破坏覆层范围的岩层运动完全停止 则在该 应力场 范围内开掘和维护的巷道围岩中的应力将非常小 2 2 3 在采动支承压力分布范围中高应力区 外应力场 中开掘和维护的巷道在采动形成的支承压力高峰区内开掘和维护的巷道 围岩应力来源于采动影响范围岩层整体的重力 实践证明 在采动应力高峰区开掘和维护的巷道围岩应力可以比在原始应力场中开掘维护的巷道高出1 5 2 5倍 与此同时 由于采动应力高峰区的重力应力的增值 原始应力场存在的构造应力仍将保持着 因此 在有残余构造应力的区域的采动支承压力高峰部位开掘和维护巷道 将同时受到成倍增长的原始重力和构造应力的双重作用 2 2 4 沿空留巷 如图4所示随着工作面推进留设供下工作面用的回采巷道 围岩承受的压力及其破坏发展过程 包括以下两个阶段 在采动支承压力作用下破坏发展阶段 该阶段巷道围岩 煤壁 承受的压力将是上覆岩层自重及采场推进悬露的上覆岩层重力的总和 巷道围岩 煤壁 的变形破坏将经历支承压力高峰向煤层深部转移的全过程 在内应力场上覆岩层运动压力作用下破坏的发展阶段 该阶段巷道围岩压力来源于采场运动的上覆岩层重力 即破坏拱内岩层的重力 围岩 煤壁 的压缩破坏过程将从拱内下位岩层沉降开始 直到拱内所有岩层沉降能矸为止 显然 沿空留巷围岩承受的压力环境 无论是压力大小或是承压的时间和过程 都是最恶劣的 只有在采深小 不出现 内应力场 的煤层条件下才能成功 2 3 1 内应力场 力源的计算在内应力场中开掘和维护的巷道围岩应力来源于受采场采动影响明显运动的上覆岩层运动的作用力 随采场推进进入明显运动的岩层 包括垮落的直接顶 MZ 和运动中保持传递力联系的老顶 ME1 ME2 MEN 该范围内岩层运动作用于内应力场煤层上的压力 可以根据老顶下位岩梁 板 运动实现可能出现的以下两种情况 第一种情况 岩梁端部剪切失稳 即图咬合点o失去挤压绞接能力 第二种情况 破坏拱内上覆岩层运动的全过程中 下位岩梁在端部 即图中o点 始终保持传递力的联系 2 3在 内应力场 中开掘与维护巷道的计算模型 第一种 岩梁端部剪切失稳 即图中咬合点0失去挤压绞接能力 此情况下内应力场受压煤层 SO 上的压力PS及煤层中的垂直应力 S可以根据老顶岩梁的重力平衡方程求得 研究表明 在该种条件下 作用在内应力场煤层上的支承压力是上覆岩层沉降量 Smax 的函数 因此在确定内应力场范围 So 的同时 搞清上覆岩层运动发展的规律 以此为基础正确选择巷道开掘的位置和时间 尽可能的实现在稳定的内应力场中开掘和维护巷道 是控制内应力场巷道矿压显现的关键 第二种情况 破坏拱内上覆岩层运动的全过程中 下位岩梁在端部 即图中0点 始终保持传递力的联系 根据此情况下老顶下位岩梁运动过程中的力学结构 内应力场煤层上承受的压力应按岩梁运动 对咬含点0的力矩平衡方程导出 A 直接顶运动给煤层的压力 B 老顶下位岩梁运动给煤层的压力 2 3 2可能的方案 2 3超前回采工作面推进开掘和维护的回采巷道在超前回采工作面推进开掘和维护的回采巷道 将经历回采工作面推进内应力场形成和发展的全过程 该条件下巷道侧帮煤柱上承受的垂直压力为 巷道变形对照图 2 3 1框架支护超前回采工作面推进预先开掘维护的回采巷道 在采用矩型断面框架支护条件下 按 限定变形 工作方案设计 框架立柱必须的纵向和侧向阻抗力分别为 其中 n 框架支护密度 即每米巷道支护的框架数 为保证立柱不会被 压死 破坏 立柱的最小缩量 2 3 2锚网支护超前掘进维护的巷道采用锚网支护时 不可能采用 限定变形 控制设计方案 这是因为对于巷道两帮煤柱来说 无论采用何种锚杆固结强化 其垂直方向支撑能力仍然是决定于煤体自身的强度 无法抗拒内应力场大范围运动岩层压力 其大幅度的压缩变形将不可能避免 1 锚网巷道的开掘高度与宽度超前掘进和维护的巷道 采用锚网支护时 巷道煤柱的最大纵向变形量横向变形量分别为 为保证该巷道回撤前必需的最小工作断面 以矩形断面巷道为例 相应的初始掘进断面尺寸分别为 式中 hT及h分别为巷道掘进高度和最小允许工作高度 BT及B分别为巷道掘宽度和最小允许工作宽度 2 帮锚锚固的宽度巷道锚固支护的宽度及其支撑能力必须保证在整个巷道变形过程中不出现因片帮面造成的顶煤 顶板 垮塌事故 实现上述要求的充分条件是由锚杆长度 LT 及密度 n 所决定的锚固体支撑能力 RT 必需还以对抗承压煤柱的侧压力 PST 必须明确指出 按上述计算实现巷道压缩变形量的控制 是从假设锚杆与所锚固的岩体周边不发生剪切破坏 以及锚杆固结范围 F 岩体本身在采场支承压力和老顶运动作用下 不发生破坏为前题 超前工作面推进掘进和维护的锚固巷道煤柱 不可能在回采工作面推进过程中保持完整 因此 限定变形 的目标实际上是实现不了的 也就是说为了不出现偏帮冒顶事故 两帮锚固的宽度 锚杆长度 仍然必须适应内应力场进入稳定前的全部变形要求 2 巷道顶板锚固 内应力场 范围超前掘进和维护的回采巷道 采用锚固支护时 顶板锚固的厚度 锚杆长度 锚杆密度及锚固方式必须保证经锚固的顶板不致在自重 和上覆已移动岩层重力作用下失稳塌垮 锚固的要求分类 锚固顶板两端剪应力不超限 即防止顶板两端剪切塌垮 锚固顶板沉降的挠度不超限 即防止顶板中部沉降失稳冒落 锚固的形态分类锚梁锚拱 2 4在稳定的内应力场开掘和维护巷道巷道围岩应力和变形特征为 围岩承受的压力很小 只有老塘冒落的直接顶 包括已冒落的煤层和岩层 的重力 原悬露岩层 无论是处于运动状态或处于相对静止状态 的压力已完全实现了向老塘 矸石 和外应力场的转移 围岩 特别是煤层 的破坏 包括压碎的程度和裂隙程度 已发展到最大限度且已进入稳定的状态 针对上述特征的支护设计 无论采用框架支护或是锚网支护都无需考虑适应围岩变形的要求 以及二次支护的必要性 在稳定的内应力场开掘维护巷道 当煤层再生裂隙十分发育 破碎块度很小的情况下 无论是采用框架支护或锚网支护 都应当采用注浆固结煤体提高围岩自身承载能力 保证支护构件能从充分发挥作用的措施 防止出现片帮塌顶事故 在原始的应力场中开掘和维护巷道 围岩应力可能来源于单一的重力 也可能有构造残余应力的参数 对于单一的重力应力场 巷道顶板控制设计的关键内容 首先是正确的确定两帮破坏的深度及相应的顶板岩层破坏范围 从而奠定支护设计的基础 2 4巷道矿山压力控制和支护设计原则在内应力场开掘和维护巷道控制矿山压力显现 包括围岩变形量的控制 支护阻抗力 变形量的控制 的关键包括以下三个方面 1 合理选择巷道开掘的位置 在已确定出内应力场范围也就是已进入破坏的煤带宽度 So 的基础上 尽可能的把巷道开掘直接的内应力场深部边界 也就是内外应力场分界线处 也就是说 如果不考虑回收率 在内应力场开掘巷道 还是留煤柱宽度大一些好 以便把护巷煤柱上承受的压力及相应的变形量减少到最低限度 当然 如果在内应力场完全进入完全稳定后开掘巷道 只要在内应力场中 所留巷道煤柱的宽度只要保证不出现老塘漏风等情况 小一点也不是问题 2 正确确定巷道开掘的时间保证在回采工作面推进到一定距离和时间后再开始内应力场中掘巷 并始终把滞后的距离和时间保持在能实现在稳定的内应力场开掘和维护巷道的目标 是控制巷道变形破坏的关键 是重中之重 3 根据选定的巷道开掘维护时间及可能经历的 内应力场 受力变形发展过程正确的 针对性的 进行支护设计 3 煤矿安全高效开采决策支持系统的研制 为了把覆岩运动规律能够更好的与现场的工程实践有效的结合 特研制煤矿安全系统 该系统主要分为四个功能模块 分别是 采前地理地质可视化子系统采动信息可视化子系统矿压实测数据分析子系统开采决策支持子系统 3 1采前信息可视化3 1 1所需数据 煤层地板等高线图 钻孔柱状图 3 1 2三维模拟显示 3 2采动信息可视化 所谓采动信息可视化是指以可视的方式动态显示由于工作面推进 所引起煤层上覆岩层的规律性变化以及工作面周围应力场的变化的发展变化趋势 3 2 1所需数据 1 工作面基本信息 2 钻孔内岩层基本参数 3 2 2提供主要模拟结果 基本采动参数 直接顶初次跨落步距 老顶下位岩梁初次裂断步距 老顶下位岩梁周期裂断步距 老顶上位岩梁初次裂断步距 老顶上位岩梁周期裂断步距 支承压力大小及其分布范围 内外应力场的大小及其位置状态 模拟动画显示 覆岩运动规律 支承压力分布范围 实测与实践 是煤矿安全高效开采的关键环节 3 3 矿压实测数据分析子系统 国家 十一五 科技支撑计划专题项目编号2006BAK0307 系统的主要工作