長壁開采三順槽老頂破斷結(jié)構(gòu)特征理論分析

朱艷軍

（潞安集團 李村煤礦，山西 長治 046000）

長壁開采三順槽老頂破斷結(jié)構(gòu)特征理論分析

朱艷軍

（潞安集團 李村煤礦，山西 長治 046000）

采用理論分析方法，研究長壁開采條件下三順槽老頂在工作面不同回采階段的結(jié)構(gòu)破斷特征。研究表明：三順槽掘成后，老頂未發(fā)生破斷，這個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。上區(qū)段工作面回采后，老頂在上區(qū)段工作面上方和其保護煤柱內(nèi)斷裂、旋轉(zhuǎn)，形成塊體平衡結(jié)構(gòu)。下區(qū)段工作面回采后，老頂進一步斷裂、旋轉(zhuǎn)，形成新的塊體平衡結(jié)構(gòu)。

長壁開采；三順槽；力學(xué)模型；支承壓力

從巷道的用途和服務(wù)期間的應(yīng)力場特征分析，三順槽是種特殊回采巷道。由于上區(qū)段工作面的回采，采空區(qū)上覆巖層破斷跨落，基本頂巖層形成“O-X”破斷結(jié)構(gòu)；基本頂巖層隨著工作面的回采，沿工作面采動方向形成了砌體結(jié)構(gòu)；靠近煤壁附近，基本頂巖層破斷形成了弧形三角塊結(jié)構(gòu)。弧形三角塊的一個三角邊面和煤壁平行，且破斷面處在工作面煤壁內(nèi)部，它的運動趨勢和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度給它下方煤體的受力和變形造成嚴重影響。受到下區(qū)段工作面回采的影響，順槽附近上方基本頂巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，基本頂塊體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及運動狀態(tài)必將發(fā)生較大改變，并通過直接頂作用于保護煤柱和順槽，基本頂塊體結(jié)構(gòu)的形式和穩(wěn)定性對工作面順槽結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著很重要的影響[1-6]大量的現(xiàn)場觀測表明：順槽掘完后基本處于穩(wěn)定階段，其變形也較小。當上區(qū)段工作面回采后，順槽周圍二次應(yīng)力場疊加，圍巖裂化變得破碎，順槽圍巖變形劇烈。當下區(qū)段工作面開采后，順槽圍巖破碎程度更加劇烈，順槽斷面收縮量和支護結(jié)構(gòu)所受的載荷急劇增大。基本頂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和運動狀態(tài)對順槽的穩(wěn)定性造成直接影響。。

通過建立順槽在三個階段時基本頂塊體結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)力學(xué)模型，并對順槽基本頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行理論分析，揭示三順槽的穩(wěn)定性。

1 三順槽上覆巖層塊體力學(xué)模型

圖1為三順槽與工作面布置圖，服務(wù)期間要經(jīng)歷巷道掘進、上區(qū)段工作面回采、下區(qū)段工作面回采三個階段，各階段順槽上覆巖體的結(jié)構(gòu)形式不同。上覆巖體的垮落特征、垮落后的賦存狀態(tài)（在一定程度上）取決于老頂巖層的斷裂特征及其垮落后的賦存狀態(tài)。因此，整個服務(wù)期間順槽上覆巖體的斷裂經(jīng)歷了三個典型結(jié)構(gòu)特征過程。

圖1 三順槽與工作面布置圖

1.1 巷道掘進后的覆巖結(jié)構(gòu)

巷道掘進后的覆巖結(jié)構(gòu)示意圖，見圖2。巷道掘進后，直接頂和老頂圍巖能維持穩(wěn)定，不會發(fā)生斷裂，順槽老頂可能發(fā)生破斷的判斷可用下式判斷：

式中：RT、RS為抗拉、抗剪強度極限；h為老頂?shù)暮穸龋籐lT、Lls為正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別達到強度極限時的巷道跨度。

圖2 巷道掘成后的結(jié)構(gòu)特征

此時順槽穩(wěn)定性控制，主要是控制直接頂和老頂?shù)碾x層，直接頂和老頂不形成離層可用下式判斷：

式中：Σh為直接頂厚度；h1老頂厚度；E1、E2為老頂、直接頂?shù)膹椥阅Ａ浚籥為老頂?shù)缴弦魂P(guān)鍵層的高度與老頂厚度的比值。

此種情況下巷道圍巖控制，主要是控制巷道表面圍巖（尤其是直接頂）的完整性、防止直接頂和老頂之間出現(xiàn)離層。

1.2 上區(qū)段回采完成后的覆巖結(jié)構(gòu)

上區(qū)段回采完成后的覆巖結(jié)構(gòu)示意圖，見圖3。上區(qū)段工作面開采完成后，順槽Ⅲ跟隨工作面開采消失進入采空區(qū)，采空區(qū)上覆巖層跨落形成砌體梁結(jié)構(gòu)，老頂在煤柱Ⅱ內(nèi)發(fā)生破斷，形成塊體A和塊體B，塊體B為弧形三角塊，但作為平面問題來處理，可把弧形塊折算成矩形塊的長度進行分析。此時順槽Ⅰ相對穩(wěn)定，維持順槽Ⅱ的穩(wěn)定性條件是煤柱Ⅱ能夠支撐支持直接頂?shù)闹亓俊⒆柚箟K體B左端回轉(zhuǎn)和塊體A右端向下回轉(zhuǎn)。此時圍巖控制的重點是:提高煤柱Ⅱ的支撐能力，維持砌體結(jié)構(gòu)的平衡。

1.3 下區(qū)段回采完成后的覆巖結(jié)構(gòu)

圖3 上區(qū)段開采后的結(jié)構(gòu)特征

圖4 下區(qū)段開采后的結(jié)構(gòu)特征

下區(qū)段回采完成后的覆巖結(jié)構(gòu)示意圖，見圖4。下區(qū)段工作面回采完成后，順槽Ⅰ跟隨工作面回采消失進入采空區(qū)，采空區(qū)上覆巖層跨落形成和右邊相同的砌體結(jié)構(gòu)，老頂在煤柱Ⅱ內(nèi)同樣發(fā)生破斷，形成了塊體D（和塊體B一樣是弧形三角塊體）。此時順槽受上下區(qū)段開采，巷道穩(wěn)定性受到強烈影響。此時維持巷道Ⅱ的穩(wěn)定性條件是煤柱Ⅰ和煤柱Ⅱ能夠支撐支持直接頂?shù)闹亓亢屠享攭K體A的重量，且煤柱Ⅰ能阻止塊體D右端回轉(zhuǎn)，煤柱Ⅱ能阻止塊體B右端向下回轉(zhuǎn)。此時圍巖控制的重點是：提高煤柱Ⅰ和煤柱Ⅱ的支撐能力，提高順槽中對頂板的支護力，以維持結(jié)構(gòu)的平衡。

3 結(jié)束語

通過分析順槽開挖和工作面回采中三順槽的結(jié)構(gòu)和覆巖運動規(guī)律，得出結(jié)論：（1）工作面回采過程中，老頂巖層對上覆軟弱巖層的運動起到了控制作用，上覆軟巖的運動跟老頂一致。（2）下區(qū)段工作面回采后，中間順槽圍巖破壞區(qū)域加大；老頂在仍在煤柱上方破斷形成塊體結(jié)構(gòu)；兩煤柱靠近采空區(qū)域都有大范圍的破壞區(qū)。

[1]牛少卿，楊雙鎖，王志剛，寇永嘉.非均勻水平應(yīng)力場中井壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，26(3):60-63.

[2]Shaoqing NIU，Shuangsuo YANG，Lei CUI. Research on the Characteristics of Strain-softening Model after Peak Based on Morh-Cloumb Theory Criterion[J]. Advanced Materials Research，Vols. 261-263 (2011) : 1439-1443.

[3]王思紅，牛少卿，寇永嘉.松軟破碎硐室群圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].山西煤炭，2010，30(7):40-42.

[4]毛華晉，牛少卿，顏文艷.長壁開采條件下巷道三岔口穩(wěn)定性研究[J].山西煤炭，2010，30(12):39-41.

[5]楊雙鎖.煤礦回采巷道圍巖控制理論探討[J].煤炭學(xué)報，2010，35(11):1842-1853.

[6]楊雙鎖，曹建平.錨桿受力演變機理及其與合理錨固長度的相關(guān)性[J].采礦與安全工程學(xué)報，2010，27(1):1-7.

Theoretical Analysis on Structure Failure Characteristics oFThree Crossheading Main RooFwith Long-wall Mining

ZHU Yan-jun

(L i c u nM i n e,L u'a nG r o u p,C h a n g z h i S h a n x i 046000)

By theoretical analysis, structure failure characteristics of three crossheading main roof were studied under the condition of long-wall mining in differenTmining phases. The results have shown that,after the three crossheading was done, the main roof didn'Tbreak and the structure was stable. After the caving of upper working panel finished, the main roof and its protective pillars experienced fracture,rotation, and formation of a balanced block structure. After the lower caving finished, the main roof broke and rotated further and formed a new balanced block structure.

Key words:long-wall mining; three crossheading; mechanical model; abutmenTpressure

TD 322

A

1672-5050（2011）10-0034-03

2011-06-22

朱艷軍（1985—），男，山西長治人，大學(xué)本科，從事煤礦開采的研究工作。

劉新光