多次采动影响下大巷群围岩变形机理及全断面协同控制技术研究
作者单位：太原理工大学
学位级别：硕士
导师姓名：段东;梁春豪
授予年度：2023年
学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学]
摘 要：近年来,我国原煤占一次能源生产总量的比重整体呈降低趋势,但直到2021年,我国原煤占一次能源生产总量的比重依然高达67%,而且由于一次能源生产总量持续增长,虽然原煤所占比重下降,其产量却在持续增加。由于矿类资源的有限性,现已开采区域内的浅部煤炭总量逐渐降低,煤炭开采深度由浅部向中深部递进。在此情景下,由于岩体应力水平普遍增加,应力构成复杂,巷道与工作面的掘采活动产生的采动应力会使得围岩的稳定性控制更加困难。对于服务周期长、生产任务重的采区大巷而言,合理、高效的围岩控制方式才能保证井下的安全生产。本文以某矿31采区大巷群工程地质条件为背景,对受多次采动影响下的大巷群围岩变形破坏机理与稳定性控制进行研究。31采区大巷群属于开拓巷道,在采区工作面回采布置前,大巷群已完成支护加固措施,支护效果较好,围岩保持稳定。而当采区大巷群两侧工作面顺序回采时,工作面的采动应力随着推进距离的增加逐渐影响大巷群的围岩稳定性。同时,大巷群两翼四个工作面的依次回采,导致采场应力相互叠加,应力传递复杂,对三条大巷围岩造成了不同程度及不同形式的破坏。现场观测发现,31采区大巷群巷道围岩在两翼回采期间松动圈较大,属于工程软岩范畴,且大巷群受原始地应力分布影响,导致两侧工作面顺序采动期间,巷道围岩变形愈加难以控制。本文主要研究结论如下:(1)在3116工作面回采完成后,通过钻孔窥视观测大巷群顶板围岩节理、层理,以及围岩内部裂隙发育情况,观测发现大巷群顶板3m范围内围岩破碎,顶板3～8m范围内裂隙发育,围岩整体较差,8m以上范围围岩稳定性较好。对大巷群范围内进行地应力测试发现,31采区大巷群顶板最大水平主应力在17.93-19.06MPa之间,垂直应力在14.67-15.89MPa之间,最小水平主应力在8.34-8.67MPa之间,最大水平主应力的方向范围为N44°E～N53°E。31采区大巷群所处地应力水平已经接近高应力区。(2)对大巷群在工作面回采期间的围岩变形量进行监测,31采区大巷群原始矿压监测数据显示,大巷群具有在工作面回采期间围岩变形量大、变形速度快,胶带、回风大巷围岩两帮不对称变形严重;大巷围岩应力增大、支护构件大量失效;围岩变形破坏形式多样化的变形特点。(3)对3113工作面的超前支承压力及胶带大巷围岩应力进行分析,理论分析计算得出,胶带大巷不受回采扰动的最小范围为58.04m,此范围已超出护巷煤柱宽度。对工作面采空区上覆岩层变形破断特征、采动应力对大巷群的影响机理进行研究,得出大巷群围岩变形破坏的主要原因是工作面的开采引起采空区上覆岩层发生垮落破断,采空区周围岩层应力重新分布,该应力向工作面前部传递时形成超前支承应力场,工作面推进到一定距离时,引起大巷群围岩的应力分布变化,工作面前方应力及大巷群围岩应力场不断演化,应力水平逐渐升高。整理分析得出大巷群范围的地应力条件,原支护方式不合理、强度低,大巷围岩力学性质差等其他条件是导致大巷群围岩变形破坏的综合性因素。(4)利用数值模拟软件建立了31采区大巷群及其围岩的采掘模型,模拟研究了其两侧工作面依次回采期间大巷围岩应力场、工作面超前支承应力场、围岩应力水平、位移量、塑性区和破坏形式的变化。研究发现,在两侧工作面回采期间,大巷群围岩顶板应力所受采动影响最大,胶带、回风大巷两帮应力变化具有不对称性,靠近工作面帮侧应力高于另一侧,大巷群围岩普遍出现底板塑性区增大,破坏深度增加的现象。(5)受多次采动影响的巷道群变形具有以下特征:在两侧工作面回采期间,距离单侧工作面最近的巷道所受采动影响最大,主要表现为围岩两侧应力分布不平衡,工作面侧肩拱部及另一侧巷帮底角范围受剪切力作用变形破坏范围较大,中部巷道所受影响较小,但其围岩应力水平也逐渐升高,应力分布较为对称,巷道与工作面、巷道与巷道之间的底板围岩塑性区范围增大,底臌问题突出。(6)通过分析多次采动影响下巷道围岩破坏特征以及围岩塑性区扩展原理,并基于全断面协同控制技术,提出了锚杆索喷+帮锚索+底板卸压联合支护方案(方案一)及注浆锚杆索喷+底板卸压加固联合支护(方案二)两种方案。通过轨道大巷某修复段工业实验效果评价发现,采用优化方案二的巷道修复段围岩变形在控制在17.3mm以下,在优化方案二支护下的围岩变形量为未修复段的8%左右,是采用优化方案一修复段的19.5%,在方案二全断面注浆加固的条件下,围岩变形得到有效控制。
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