浅埋中厚煤层沿空留巷底板变形力学分析及底鼓控制技术

沿空留巷技术对提高煤炭采出率、改善巷道应力环境及保障矿井安全、高效有重要意义。为了解决浅埋煤层沿空留巷底鼓变形的问题,以乌兰木伦煤矿12407和12408综采工作面为工程背景,基于顶板载荷条带分割法引入等效载荷概念,建立沿空留巷底板等效载荷分布模型,进行沿空留巷底板力学分析并计算出巷道底板的最大底鼓量,采用FLAC~(3D)数值计算方法分析沿空留巷底鼓变形主控因素,数值模拟结果显示:巷旁充填体与隔离煤柱的强度差异性导致巷道底板非对称变形,同时在超前高应力和高强度支护的复合作用下,底板成为围岩承载系统中的薄弱环节最终发生破坏,基于上述理论分析、数值模拟及现场工程实践提出浅埋煤层沿空留巷底鼓控制技术。结果表明:沿空留巷严重底鼓主要是由于工作面推进后超前段煤帮塑性区煤体和巷旁支护体处于高应力作用下,致使底板岩层发生高应力剪切破坏和拉伸破坏;通过优化支护方案,防止工作面推进后顶板无法及时垮落造成悬顶,可有效减小留巷底鼓变形,并提出了巷旁充填体迎山角浇筑设计,优化巷旁充填体参数与底板岩层强度匹配等沿空留巷底鼓防治措施,从减小高应力区应力集中、缓解巷道底板卸压变形和提高底板岩层强度3方面控制沿空留巷底鼓量。现场工程实践表明,上述方法对沿空留巷底鼓作用有良好改善,保障了沿空留巷安全,实现矿山无煤柱的安全经济开采。

沿空留巷底板变形力学分析及底臌防控

上覆岩层垮落产生的动载荷通过巷帮煤体、巷内支护体以及巷旁支护体传递给底板,造成工作面后方一段距离的沿空留巷底臌变形加剧。为了控制上覆岩层垮落引起的底臌变形,在分析沿空留巷力学环境的基础上,建立底板力学模型,计算出沿空留巷煤帮弹性压缩区、塑性区、破裂区的宽度,以及煤帮对底板的作用力。应用关键层理论,确定顶板硬岩层位置及其破断顺序,以及垮断极限层的层位;采用顶板载荷条带分割法,计算出巷旁支护体对底板的作用力,并引入等效载荷的概念,构建底板等效载荷分布力学模型,将沿空留巷底臌与上覆岩层垮落紧密联系起来,分析上覆岩层垮落对底板的受力及变形影响,推导出底臌变形计算式。研究结果表明:上覆岩层垮落引起的底臌主要是由于塑性区煤体和巷旁支护体下方底板岩层高应力压剪破坏,以及巷道底板和采空区底板在强卸荷条件的拉伸破坏共同影响造成的。基于此,提出了降低塑性区煤体和巷旁支护体传递给底板的作用力,提高采空区冒落矸石对底板的作用力,防止巷道底板岩层拉伸破坏,巷旁支护体宽度、刚度与底板岩层强度相匹配等底臌防控措施,并应用于工程实践。