杜儿坪矿沿空掘巷上覆岩层大结构稳定性分析

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杜儿坪矿沿空掘巷上覆岩层大结构稳定性分析

王海平1,2

(1.太原理工大学，山西太原030024; 2.西山煤电集团公司，山西太原030053)

摘要以杜儿坪矿72908工作面沿空掘巷上覆岩层为研究对象，在受上区段工作面回采影响的基础上，采用理论分析方法，建立大结构力学模型，对沿空掘巷上覆岩层大结构稳定性进行分析研究，得出在72908工作面回风巷掘进及掘后稳定阶段，上覆岩层大结构相对稳定；在回采过程中，上覆岩层活动剧烈，但上覆岩层大结构不会发生失稳垮落，需加强巷道支护以确保巷道的稳定性，保证沿空掘巷在生产期间的正常使用。

关键词沿空掘巷；大结构；稳定性；理论分析

收稿日期：2014-11-29

基金项目：山西省自然科学基金项目(2014011035-2)

作者简介：王海平(1979—)，男，山西平遥人，2013级太原理工大学在读工程硕士，政工师，主要从事煤矿安全管理工作

中图分类号：TD32

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2015)01-0008-02

AbstractGob-Side entry driving overlying strata of 72908 working face in Du'erping coal mine is as the research object, on the basis of the influence of working face upper section mining, adopts the method of theoretical analysis, sets up the structural mechanics model, analyzes and researches on the large-scale structure stability of gob-side entry driving overlying strata, obtains that the overlying strata large-scale structure is relatively stable at the stabilization stage of 72908 working face that return airway tunnelling and completed tunnelling. In the process of mining, overlying strata moves sharply, but the large-scale structure can not unstably collapse, so it is necessary to strengthen the roadway support, to ensure the stability of roadway and the normal use of gob-side entry driving during the period of production.

1工程概况

西山煤电集团公司杜儿坪煤矿72908工作面开采2#煤层，其煤层为陆相湖泊型沉积，属二叠系山西组地层中部。煤层厚度稳定, 平均煤厚3.20 m，煤层平均倾角5°.2#煤层直接顶以砂质泥岩为主，平均厚度2.10 m，直接顶上部为0.55 m厚的煤层。老顶岩性为粉砂岩，平均厚度7.62 m.直接底为砂质泥岩，平均厚度0.45 m.老底为粗砂岩，平均厚度1.10 m.

72908工作面位于南九盘区，为72907工作面的接替工作面，平均埋深607 m.72908工作面北邻南九2#煤回风巷，东邻72907工作面，其相对位置关系见图1.

图1　72908工作面相对位置关系图

2大结构力学模型的建立

由于72907工作面回采，基本顶初次来压形成“O-X”型覆岩空间结构[1]。上覆岩层周期性垮落，基本顶沿工作面回采方向形成砌体梁结构，而在72907工作面上方破断成弧形三角块，下方为沿空掘巷。弧形三角块形成稳定结构后，开掘72908工作面回风巷。基本顶的稳定性及位置会直接影响沿空掘巷围岩的稳定性，基本顶断裂后产生的结构形成沿空掘巷的上部边界。

72908工作面回风巷上覆岩层通过直接顶与巷道发生作用。72907工作面回采后基本顶岩层的断裂特征决定了其上覆岩层垮落后的赋存状态。据此，构建72908工作面沿空掘巷上覆岩层大结构模型。大结构是指巷道较大范围的围岩结构，包括直接顶、基本顶和作用在基本顶上的载荷岩层[2]。72908工作面沿空掘巷上覆岩层大结构模型图见图2.

由图2可知，岩体A为72908工作面的基本顶，块体B是72907工作面采空侧弧形三角块体[3]，沿空巷道位于块体B的下方，块体C则是72907工作面采空区上方的断裂块。72908工作面沿空掘巷上覆岩层大结构示意图见图3.由此可见，块体B对于沿空掘巷上覆岩层大结构的稳定性起着关键性作用。

图2　沿空掘巷上覆岩层大结构模型图

图3　沿空掘巷上覆岩层结构示意图

根据基本顶的断裂、运动特征，弧形三角岩块B可以做如下简化：1) 在煤体一侧的断裂线处基本顶深入煤层中，断裂形成弧形三角块后，以断裂线为轴，岩块B向下旋转。2) 72908工作面的周期来压步距假设大体相等，则基本顶的破断特征大体相同，将弧形岩块B简化为等腰三角形岩。3) 弧形三角岩块B与实体煤侧的岩块A、采空区一侧的岩块C形成铰接结构，并且上部的软弱岩层与硬岩层离层失去力的传递作用。4) 岩块B以固定作用方式作用于下方的直接顶和煤层。5) 二次采动期间，在侧向支承压力和超前支承压力作用下，岩块A下方的直接顶和煤层压缩下沉以及岩块C下方的矸石压缩下沉，岩块B产生旋转下沉作用，其稳定性及位置发生改变。

3掘巷期间大结构的稳定性分析

根据图2和图3中沿空巷道与上覆岩层大结构的剖面关系和平面关系可见，72908工作面回风巷处在大结构下方的煤层中，巷道上方直接顶厚度较厚并且巷道远离大结构；沿空巷道的位置处于支承压力较小的低应力区。

因此可知：1) 72908工作面回风巷掘巷期间,大结构的稳定不会被上覆岩层的扰动所影响。2) 由于关键岩块B的变形及受力特点变化不大，所以大结构仍将保持其原有的稳定状态。3) 巷道外部整体的力学环境变化不大。

4回采期间大结构的稳定性分析

由图3可知，窄煤柱沿空巷道在72908工作面回采时，上覆岩层块体A的平衡状态被打破，采空区老顶岩层产生新的断裂。岩层块体A产生新的互相铰接块体A1、A2、A3，见图4.在上覆岩层的重力及回转力矩作用下，岩块A1弯曲下沉，岩块A2和岩块A3回转下沉，岩块A2和岩块A3处于运动和不稳定状态。

图4　回采期间岩块A结构关系图(Ⅰ-Ⅰ剖面图)

由于块体A1、A2、A3的变形、弯曲下沉和运动，导致块体B处于不稳定状态。块体B的断裂情况与块体A类似，见图5.块体B1、B2、B3除受上覆岩层压力和自身重量的影响外，还受块体A1、A2、A3下沉旋转力矩的影响。随着岩块B2、B3持续下沉，岩块B1的支承压力迅速上升。在岩块A1、B2的共同作用下，岩块B1开始缓慢下沉。煤体在超前支承压力的作用下，其力学强度降低，承载能力逐渐减弱，同时由于岩块A1、A2、A3的影响，岩块B1、B2、B3由静止状态变为运动状态，导致巷道周围岩石变形量加大，并且变形量随与工作面距离的减小而逐渐呈增大的趋势。

图5　回采期间岩块B的结构关系图(Ⅱ-Ⅱ剖面图)

受72908工作面回采的影响，沿空巷道边缘上覆岩层大结构的载荷不断增强，但各岩块间的相互支承条件并未发生根本性变化，因此仍可以保持随机平衡的状态。所以，在工作面推过之前，上覆岩层大结构的稳定性不会发生根本性改变。在保证锚杆支护与巷道围岩形成的小结构稳定性不受影响前提下，其沿空巷道不会产生破坏。

5结论

在72908工作面回风巷掘进及掘后稳定阶段，上覆岩层大结构相对稳定，且巷道变形量较小。在回采过程中，沿空掘巷上覆岩层活动剧烈，下沉变形量较大，但上覆岩层大结构不会发生失稳垮落，此阶段需要加强巷道支护以适应沿空掘巷围岩下沉变形所释放的围岩变形能，确保沿空巷道围岩锚固结构的稳定性，进而保证72908工作面沿空掘巷在生产期间的正常使用。

参考文献

[1]窦林名，贺虎.煤矿覆岩空间结构OX-F-T演化规律研究[J].岩石力学与工程学报,2012(3):453-460.

[2]侯朝炯，李学华.综放沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理[J].煤炭学报,2001(1):1-7.

[3]谢广祥.采高对工作面及围岩应力壳的力学特征影响[J].煤炭学报,2006(1):6-10.

Stability Analysis on Large-scale Structure of Gob-side Entry

Driving Overlying Strata in Du'erping Coal Mine

Wang Haipng

Key wordsGob-side entry driving; Large-scale structure; Stability; Theoretical analysis

·专题综述·

·试验研究·