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李雅庄煤矿高应力碎胀围岩煤层巷道支护方案设计
李雅庄煤矿高应力碎胀围岩煤层巷道
支 护 方 案 设 计
霍州煤电集团公司
中国矿业大学
二○○六年七月
一、巷道布置与工程地质概况
李雅庄煤矿2-2203掘进工作面位于二采区下部,采区三条下山的左翼, 位于二、四配风巷及正在回采的2-407工作面的下部,2-2203巷全长1516米,用于2-220回采工作面的回风与排放瓦斯,该掘进工作面地面大部分为黄土覆盖,低山区为丘陵地带。所处位置地表标高为820-917m,2#煤层底板标高为210-285m,埋藏深度612-650m。2-2203掘进工作面位置如图1所示。
图1 2-2203掘进工作面布置平面图
2-2203掘进工作面位于1#煤层与2#煤层的合并区,厚度在2.84-3.6m,平均厚度3.10m,含二至三层夹矸,属复杂结构煤层;倾角为5o至12o,平均倾角为8o。老顶为K8砂岩,灰白色中砂岩以石英长石为主,钙质胶结,分选差,坚硬,直接顶为砂质泥岩,以灰色-深灰色砂质泥岩为主,层理发育夹杂细煤纹颗粒,平均厚度2.8m;伪顶为泥岩,灰黑色泥岩,含大量植物叶片化石平均厚度0.2m。直接底为粉砂岩,深灰色,水平层理,团块状含炭质,平均厚度2.6m;老底为泥质砂岩、砂岩互层,灰色,层理发育,平均厚度3.0m。2-2203掘进工作面煤岩层柱状图如图2所示。
该工作面水文地质条件较为简单,2#煤层直接充水含水层为2#煤层老顶为K8砂岩,灰和灰白色;以石英长石为主,分选性差,钙质胶结,硬度大,抗压力强,厚4-6米,平均厚度4.6m,属弱含水层,最大涌水量达3m3/h,正常涌水量0.5m3/H,对掘进期间巷道施工不会产生影响。
图2 2-2203掘进工作面煤岩综合柱状图
二、巷道破坏机理分析
只有正确地分析巷道破坏的机理,才能给出合理的支护对策与支护参数,以最小的投入,有效地控制和维护巷道,取得最佳的技术经济效益。下面从煤巷两帮煤体及顶板的变形破坏机理着手,得出了李雅庄煤矿高应力碎胀围岩煤巷的变形破坏机理。
1、两帮煤体变形破坏机理分析
由于垂直应力集中而在两帮煤体产生的破裂面主要是两种类型的剪切滑移面。 其形成与发展是导致煤帮变形破坏的主要因素之一。
第一种剪切滑移面是在煤体内出现的两组共轭剪切滑移面,其分布形态见图3中所示。假设从煤体中取一单元,分析其受力不难看出,这种剪切滑移面的成因是来自顶底板的垂直载荷对煤体的压剪破坏。其滑移条件符合摩尔——库仑准则:
( ( C0+(ntg (
式中:(——滑移面上的剪应力;
C0——煤体的沾结力;
(——煤体的内摩擦角;
(n——滑移面上。
这种滑移面形成之后,随着沿滑移面剪切错动量的增大,煤体对顶板的支撑作用会逐渐降低,同时,由于剪切扩容效应,煤体会发生侧向膨胀而出现松动,当松动发展到一定程度时,由滑移面与巷道煤壁自由面所分割的煤体便会发生塌落,形成片帮。
图3 两帮煤体中两种类型的剪切滑移面
这种滑移面的形成及其影响有以下特点:
(1)当煤体十分松软时,(意味着煤体的介质属性本身就不具备弹塑性特征),也可能不出现可见的剪切面,而只是持续性地鼓出。
(2)当煤体中的劈理比较发育时,因为劈理面上的C、(值显著低于煤本身,因此,滑移面将追踪天然劈理的产状形成与发展的趋势。劈理是影响煤帮稳定性的另一个主要因素;
(3)第一类滑移面形成以后,两帮煤体中会形成塑性区。塑性区煤体处于极限平衡状态,即处于随时产生滑移的临界状态;
(4)采动影响阶段,由于垂直方向应力增大,沿剪切滑移面的剪切错动值会显著增大,表现为煤体的松动程度将明显加剧;
(5)松动会造成巷道顶板的实际跨度增大,给顶板支护带来负面影响。
第二种剪切滑移面出现在煤层与顶底板岩层的交界面上,如图3所示。其滑移条件同样符合摩尔-库仑准则。这类滑移面的成因是:由于煤体的泊松比大于顶底板岩石,因而具有从顶底板之间向巷道中挤出的趋势,这种趋势使得煤体内以及煤体与顶底板之间的层面处产生剪应力,但由于层面上的的C0、(0值显著低于煤本身的C、(值,因此,煤层与顶底板的层面处总是先于煤体本身达到临界滑移状态,这是第二类滑移面形成的内因;当靠近巷道的表层煤体因第一种滑移面的形成而发生松动后,它对顶板的支撑作用会显著下降,这意味着层面上的正应力减小。与此同时,随着原来由表层煤体承受的垂直载荷向深部转移,深部煤体的侧向变形会相应增大,这又会进一步加剧表层煤体向巷道内挤出的趋势,并会最终满足滑移条件,这是第二类剪切滑移面形成的外因,实际上这是第一类剪切滑移面对第二类剪切滑移面的诱发作用。第二类剪切滑移面形成与发展的结果是造成煤体向巷道内挤出。这种滑移面的形成及其影响有以下特点:
(1)容易发生松动的煤层也就容
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