倾斜地层上覆采空对下伏巷道变形特征的影响

倾斜地层上覆采空对下伏巷道变形特征的影响摘要：上覆煤层开采影响下伏巷道的稳定性，进而影响下层煤开采#本文以孙疃煤矿8241工作面机巷为研究对象，针对工作面上覆7₂41工作面采空区且距离较近的工况，开展理论分析及数值模拟研究，分析巷道围岩受力特征及变形特征#近距离煤层群在我国分布广泛1为了提高能源利用率一般采用逐层开采曲受开采技术限制近距离煤层一般采用从上向下逐层开采的下行式开采方式逐层开采不可避免产生上覆煤层开采对下部巷道稳定性影响易诱发下伏巷道围岩变形失稳采场大规模冒顶、片帮2随着开采深度加大下伏巷道围岩变形失稳更加严重影响下伏煤层开采针对上覆煤层开采对下伏巷道围岩变形的影响开国内外学者展开研究用使用FLAC3D商和福3等研究了上下煤层工作面回采后不规则煤柱对巷道垂直应力的影响表明近距离上下煤层工作面回采后在采空区之间形成的三角形边角岩层区域出现垂直应力集中现象贾海宾4等根据近距离煤层的开采条件开采用理论分析和数值模拟方法探究上层遗留煤柱对下伏煤层工作面采场应力的影响表明上层遗留煤柱对回采工作面的巷道围岩应力分布有较大影响刘霞5¹等通过现场调研、理论分析、工业性试验和矿压观测田对回风平巷沿空掘巷期间受上煤层遗留煤柱影响现象进行研究提出以高强预应力锚杆和单体锚索为基础开辅以钢筋梯子梁、钢筋网和架棚支护的强护顶护帮围岩强化控制技术赵宏志6等开展了近距离煤层群上煤层开采及本煤层相邻工作面采动应力分布特征分析开并提出近距离煤层沿空掘巷采动损伤岩体锚注一体化长锚强化支护思想通过上述分析看出国内外学者针对上覆煤层开采对下伏巷道变形及支护方案设计进行了全面研究开但针对倾斜地层上覆采空对巷道变形特征影响的研究较少用本文以孙疃煤矿8₂41工作面为研究对象开开展理论分析及数值模拟研究开分析上覆煤层开采对巷道变形特征的影响1巷道地质概况层第一个综采工作面工作面上覆为7241工作面采空区与上覆7241工作面为平面内错关系机巷和收作线内错10m(平距)用与72煤最小间距18.2m(2018-9孔)开平均间距22m下伏为1045(2018年1月8日收作)、1047(2020年3月5日收作)和1049采空区(2021年8月31日收作)开平均间距69.7m机巷设计标高-303.5～-312.9m4切眼设计标高-228.1～-310.2m用82煤煤种为1/3JM开灰分22.88%～27.08%煤厚1.44～2.68m平均1.89m属简单结构煤层煤层倾角14～26°平均17°用直接顶为粉砂岩层厚2.28～3.61m平均2.94m用老顶为泥岩开层厚1.7～3.95m平均2.83m#直接底为泥岩层厚2.28～6.8m平均4.79m用老底为粉砂岩层厚4.12~2工作面开采底板岩层应力分布煤层开采过程破坏了原岩应力场的平衡状态开引起应力重新分布煤层开采以后采空区上部岩层重量将向采空区周围新的支撑点转移开在采空区四周形成支承压力带开如图1所示用工作面前方形成超前支承压力随着工作面推进向前移动称为移动支承压力或临时支承压力曲工作面倾斜和仰斜方向及开切眼一侧煤体上形成的支承压力在工作面采过一段时间后不再发生明显变化称为固定支承压力或残余支承压力用根据工作面侧向支承压力分布规律可知作用于煤体的支承压力近似三角形分布开按照三角形载荷作用可计算底板岩层的应力分布规律用残余支承压力；4工作面后方采空区支承压力由推导公式可计算出在一侧采空区开作用于煤体的支承压力近似三角形分布用应力增高系数为3的条件下底板岩层的垂直应力分布如图2所示底板岩层到煤柱中心距离一般等于工作面支承压力影响范围底板岩层至上部煤层的垂距/B底板岩层至上部煤层的垂距/B底板岩层至上部煤层的垂距/B底板岩层至上部煤层的垂距/B底板岩层至煤柱中心距离B底板岩层至煤柱中心距离B(a)底板岩层至上部煤层的垂距/B底板岩层至上部煤层的垂距/B底板岩层至煤柱中心距离B图2一侧采空区煤体底板岩层的应力分布综合分析如图3所示煤层开采不仅引起顶板岩层移动和破坏开也将导致底板岩层一定范围的移动和破坏在煤体与采空区交界地区采动引起的底板岩层应力分为以下区域：原岩应力、应力集中区、剪切滑移力分布呈扩展状态应力传播角一般为30~40且底板岩层同一水平面上水平应力与垂直应力成“反比关系”(垂直应力最大值处水平应力最小)ⅢⅢ根据上述理论分析看出底板岩层内应力分布呈扩展状态应力传播角一般为30~40·用而为7₂41工作面采空区与上覆7241工作面为平面内错关系机巷和收作线内错10m(平距)同时巷道与7₂煤最小间距18.2m2018-9孔)开平均间距22m#综合计算巷道开挖范围属于应力集中区域开上层采空区对巷道的应力分布影响较大用但理论分析过程中未考虑岩层倾角及不同岩层力学参数对其应力分布的影响开需要开展数值模拟开对倾斜地层上覆采空对巷道变形特征的影响细致研究用目前采矿和岩土工程中所用的数值分析方法主要有有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法与有限元方法相比离散元方法不仅可以表示深部巷道围岩的破坏状态和强烈的非线性力学现象而且可以通过模拟裂缝揭示巷道的破坏过程包括岩层运动和巷道大变形用为了深入揭示巷道围岩破裂力学机建立模型开如图4所示根据地层信息建立多组倾斜节理完成地层模型建立用块体数据(Block与四面体法和自定义开发的FISH函数生成可以将建立的块体分割成几个可变形的四面体数据块石灰岩石灰岩石灰岩粉砂岩泥岩粉砂岩模型巷道的几何参数及围岩力学参数根据实际情况选取数值模型的尺寸为60m(宽)×80m(高)×4.8m(厚)#将垂直应力施加到上边界以模拟上覆应力水平位移沿模型的横向边界被约束开垂直和水平位移被固定在底部边界用为了尽可能真实反映岩层对巷道围岩变形的影响82煤层上部分别设置了泥岩和粉砂岩地层开下部分别设置泥岩和粉砂岩岩层倾角设置为17°用为了简化数值模型开对72煤层上下地层进行简化只设置石灰岩确定各岩层的细观参数如表1所示在开挖巷道前使模型运行至平衡状态以生成原岩应力然后通过删除72煤层模拟采煤过程用由于机巷与收作线内错10m#7₂煤层开挖范围确定为距离巷道边界外10m范围内的中心区域用其后进行应力平衡开模拟顶板垮落及稳定过程用待72煤层顶板稳定后通过删除巷道处块体模拟巷道开挖过程#为了模拟上覆72煤层开采对巷道的影响开设置两种工况开展数值模拟用首先模拟上覆煤层不开挖的情况下巷道的变形特征开然后开展上覆煤层开采平衡后巷道变形特征模拟开通过对比两种工况下巷道围岩的变形特征探究上覆煤层开采对巷道的影响用2图5给出了不同工况下开挖后巷道围岩变形特的变形特征可以看出巷道围岩的变形特征受岩层倾角影响较小开最大位移主要集中在巷道顶部及底部中现明显的损伤区#图5(b)给出了上覆煤层开挖后巷道围岩变形特征开从图中看出煤层开采后对整体变形特征影响较大用为了使变形破坏范围显示更形象将最大变形显示设置为50mm但巷道掉块位移明显大于50mm#上覆煤层开采开首先顶板会产生垮落且垮落范围受岩层倾角影响较大总体呈梯形破坏用煤层开采后顶板垮落对巷道的变形影响非常明显开从图中看出巷道围岩发生明显变形剥落、底鼓及缩颈现象非常明显巷道开挖后表现为明显的失稳特征破坏区域同样受到岩层倾角影响用同时破坏区域主要集中在顶板及底板支护设计时要留意顶板及底板稳定性用图5