急倾斜煤层巷道围岩变形破坏机理及支护研究-wjc详解.doc

急倾斜煤层巷道围岩变形破坏机理及支护研究 摘 要：急倾斜煤层巷道支护大多采用单一的支护体系，巷道变形破坏严重.为了找出适合急倾斜煤层巷道的支护体系，对急倾斜巷道围岩变形破坏特征进行了深入的分析。以赵家坝煤矿3964运输平巷作为研究对象，借助岩石点荷载试验、围岩松动圈测试和数值模拟软件，对该巷道围岩力学性质、围岩松动范围、应力分布、变形情况分别进行研究，得出急倾斜煤层巷道围岩变形破坏机理，并通过工程实践也取得了非常好的效果，为控制急倾斜煤层巷道稳定性提供了科学依据。 关键词：急倾斜煤层；点荷载试验；松动圈测试；数值模拟；围岩变形破坏机理 我国急倾斜煤层占15%～20% 的储量，其年产量占全国煤炭总产量的10%左右。近年来，随着国家经济发展对煤炭资源需求的快速增长，急倾斜煤层在我国煤矿开采中所占的比重将逐年增加。大量研究与实践表明[1-5]，急倾斜煤层开采所造成的围岩变形破坏较一般条件下煤层不同，其围岩结构也具有特殊特征，由于缺乏对其围岩变形破坏机理等基本科学问题的系统研究，造成了开采方法选择失误工作面灾害事故频发。因此，研究急倾斜煤层开采的基本科学问题，可以为该类煤层开采关键技术的解决奠定理论基础，减少安全生产事故，大幅度地提高能源的利用效率。 1 围岩力学性质测试 试验段巷道围岩强度较低，且节理发育，极易破碎，难以采集到较为完整的岩样，在西安科技大学岩样加工试验室按照岩石力学测定规范利用点荷载仪进行了不规则岩样的载荷强度测定。 1.1试验仪器 本次进行现场点荷载测试的仪器为美国GCTS公司点荷载测试仪，其最大施加载荷为100kN，可自动记录试件破坏峰值，可测试试件最大尺寸高125mm，宽100mm，行程达54mm。 现场调查表明，巷道围岩节理发育，煤层松散破碎，有两层夹矸，特别是巷道顶板岩层层理特征明显。其中伪顶为炭质泥岩，直接顶为灰色薄层状泥质粉砂岩，老顶为中厚层状细砂岩，局部夹有粉砂岩，底板为薄层状泥质粉砂岩。 1.2 测试结果 通过对所收集岩样进行点荷载测试，取部分岩样及其破坏特征见图1-图3，测试结果见表1。 图1 直接顶岩样以及点荷载破坏特征图 Fig.1 Direct roof rock and failure characteristics of point load 图2 底板岩样以及点荷载破坏特征图 Fig.2 floor rock and failure characteristics of point load 图3 煤样以及点荷载破坏特征 Fig.3 coal and failure characteristics of point load 根据现场实测，巷道围岩层理发育，且层理间的粘结强度较低，其中老顶层理厚度在15～25cm左右，直接顶在15～30cm左右，煤层在30～50cm左右，底板在25～40cm左右；同时，围岩的节理也较发育，其中煤层节理发育程度最大，直接顶次之，老顶最少。 表1 围岩力学特征点荷载测试结果 Tap.1 Mechanical characteristics of surrounding rock point load test results 类 别 编 号 压力/ (kN) 破坏 直径/ (mm) 试样 厚度/ (mm) 强度 指标/ (MPa) 抗压 强度/ (MPa) 老 顶 1 0.86 26.22 25.71 1.28 20.02 2 1.3 53.14 25.43 0.96 24.15 3 2.51 29.31 27.24 3.14 52.72 直 接 顶 1 2.94 55.00 27.96 1.91 49.24 2 3.4 80.6 21.83 1.93 67.06 3 2.09 99.86 28.82 0.73 30.09 底 板 1 5.39 75.2 28.4 2.52 82.82 2 4.13 83.27 40.34 1.23 43.82 3 1.24 99.78 34.75 0.36 14.81 煤 层 1 1.64 58.33 33.24 0.85 22.77 2 1.24 139.43 42.24 0.21 11.64 3 1.37 53.34 30.27 0.85 21.36 根据点荷载测试数据，由平均点荷载强度指标和 平均抗压强度公式： 得出老顶岩样抗压强度为49.24MPa；直接顶岩样抗压强度为52.66MPa；煤样抗压强度为15.00MPa，底板岩样的抗压强度为42.18MPa。 2 围岩松动圈测试 巷道开挖前，地下岩体处于三向受压平衡状态。开挖后，该平衡系统遭到破坏，一方面围岩应力将进行重新分布与调整，另一方面巷道表面