頂板瓦斯高抽巷采動(dòng)變形機(jī)理及優(yōu)化布置研究

11、緒論2、頂板瓦斯高抽巷的采動(dòng)變形特征3、頂板瓦斯高抽巷底鼓的力學(xué)機(jī)理分析4、頂板瓦斯高抽巷優(yōu)化布置研究

5、頂板瓦斯高抽巷抽采性能優(yōu)化研究6、主要結(jié)論匯報(bào)提綱2

在高瓦斯礦區(qū)的煤層群條件下，綜放工作面的瓦斯涌出主要由本煤層和鄰近層瓦斯涌出構(gòu)成。以陽泉礦區(qū)為例，該礦區(qū)采用綜放開采的工作面均布置在最下方的15號(hào)煤層中，在綜放面瓦斯涌出方面，本煤層瓦斯約占10%，鄰近層瓦斯占90%。

因此，影響工作面瓦斯涌出量的主要因素是鄰近層瓦斯。要有效降低工作面的瓦斯涌出量和瓦斯?jié)舛?，必須有效抽采上鄰近層的卸壓瓦斯。一、緒論

１、問題的提出3一、緒論

（a）平面布置圖

（b）剖面示意圖

頂板瓦斯高抽巷布置圖

頂板瓦斯高抽巷是陽泉礦區(qū)常用的鄰近層卸壓瓦斯抽采方式。其走向與工作面的推進(jìn)方向基本平行，與煤層頂板的垂距為50~60m。

4

應(yīng)用情況：陽泉礦區(qū)

研究現(xiàn)狀：

1)頂板巷道：針對(duì)上覆煤層開采對(duì)下部巷道圍巖控制所做的研究較多，而關(guān)于下部煤層開采對(duì)上部巷道的圍巖穩(wěn)定性控制所做的研究工作較少（彭蘇萍、李學(xué)華等）

2)高抽巷：由于高抽巷本身的密閉性，正常情況下工作人員便無法進(jìn)入，因此對(duì)高抽巷的采動(dòng)變形規(guī)律缺乏系統(tǒng)研究，更無法掌握高抽巷布設(shè)的最佳空間位置，其設(shè)計(jì)和支護(hù)主要依靠現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，這些都制約了高抽巷的使用效果。一、緒論

２、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀5

采用數(shù)值模擬，明確以走向高抽巷為代表的頂板巷道的采動(dòng)變形破壞特征；（怎樣破壞？）通過力學(xué)建模分析，從理論角度解釋頂板巷道的破壞機(jī)理，明確采動(dòng)過程中高抽巷的破壞規(guī)律；（為什么？）基于采動(dòng)裂隙分布的O形圈理論，以K8206工作面為試驗(yàn)點(diǎn)，在采動(dòng)裂隙帶內(nèi)優(yōu)化各層位，提出高抽巷在各個(gè)層位的優(yōu)化方案。（怎么辦？）一、緒論

３、研究?jī)?nèi)容與方法6１、試驗(yàn)工作面的生產(chǎn)地質(zhì)條件

二、頂板瓦斯高抽巷的采動(dòng)變形特征圖2-1陽泉三礦K8206綜放面布置圖

60m7二、頂板瓦斯高抽巷的采動(dòng)變形特征圖2-2K8206綜放面后高抽巷的布置方式

8２、建立數(shù)值模型

二、頂板瓦斯高抽巷的采動(dòng)變形特征高抽巷破壞過程的簡(jiǎn)化原理

虛擬(a)平面圖(b)剖面圖9二、頂板瓦斯高抽巷的采動(dòng)變形特征圖2-5數(shù)值模擬模型

建立數(shù)值模型

70m10二、頂板瓦斯高抽巷的采動(dòng)變形特征圖2-6高抽巷圍巖劃分細(xì)砂巖粗砂巖石灰?guī)r11二、頂板瓦斯高抽巷的采動(dòng)變形特征圖2-7高抽巷現(xiàn)有支護(hù)方案高抽巷的支護(hù)與開挖

12測(cè)點(diǎn)與測(cè)線布置

二、頂板瓦斯高抽巷的采動(dòng)變形特征圖2-8測(cè)線與測(cè)點(diǎn)布置

13

3、高抽巷變形破壞分析

二、頂板瓦斯高抽巷的采動(dòng)變形特征頂?shù)装逑鄬?duì)移近量?jī)蓭拖鄬?duì)移近量宏觀破壞情況圍巖水平應(yīng)力

評(píng)價(jià)指標(biāo):

通過對(duì)上述指標(biāo)的綜合分析，總結(jié)高抽巷采動(dòng)變形規(guī)律，明確高抽巷變形破壞的主要影響因素。14

頂?shù)装逑鄬?duì)移近量二、頂板瓦斯高抽巷的采動(dòng)變形特征（a）工作面距高抽巷分別為70、40、0m15二、頂板瓦斯高抽巷的采動(dòng)變形特征（b）高抽巷位于采空區(qū)后方20、40m16二、頂板瓦斯高抽巷的采動(dòng)變形特征（c）高抽巷位于采空區(qū)后方60、80m表2-3頂?shù)装逑鄬?duì)移近量一覽表

距高抽巷/m-400406080100120140最大值/m0.0200.0500.321.342.142.262.312.43最大變形/%0.73%1.98%12.84%53.40%85.26%90.56%92.17%95.56%17二、頂板瓦斯高抽巷的采動(dòng)變形特征圖2-11頂?shù)装遄畲笙鄬?duì)移近量曲線高抽巷位于采空區(qū)后方80m高抽巷位于采空區(qū)后方40m18二、頂板高抽巷的采動(dòng)變形特征表2-4兩幫相對(duì)移近量一覽表距高抽巷/m-70-400406080100最小值/m0.0010.0010.0000.0010.0030.0000.002最大值/m0.0060.0140.0420.0440.0460.0880.086平均值/m0.0020.0070.0190.0270.0130.0210.028最大變形/%0.30%0.68%2.11%2.19%2.29%4.40%4.32%

兩幫相對(duì)移近量表2-14兩幫相對(duì)移近量曲線

19

高抽巷的宏觀破壞情況二、頂板瓦斯高抽巷的采動(dòng)變形特征（c）位于高抽巷正下方（d）位于采空區(qū)后方20m

（a）工作面距高抽巷70m（b）工作面距高抽巷40m20二、頂板瓦斯高抽巷的采動(dòng)變形特征

（e）位于采空區(qū)后方40m（f）位于采空區(qū)后方60m（g）位于采空區(qū)后方80m（h）位于采空區(qū)后方100m21二、頂板高抽巷的采動(dòng)變形特征表2-5高抽巷有效面積一覽表距高抽巷/m-70-400406080100120140頂?shù)装遄冃?%0.37%0.73%1.98%12.84%53.40%85.36%90.56%92.17%97.24%兩幫變形/%0.30%0.68%2.11%2.19%2.29%4.40%4.32%4.54%5.26%斷面閉合率/%0.67%1.41%4.04%14.75%54.5%86.07%90.97%92.55%97.39%有效面積/%99.33%98.59%95.96%85.25%45.5%13.93%9.03%7.45%2.61%圖2-16高抽巷變形破壞過程22

兩幫的水平應(yīng)力分析

二、頂板瓦斯高抽巷的采動(dòng)變形特征1）左幫測(cè)線的水平應(yīng)力分布圖2-17左幫水平測(cè)線的采動(dòng)水平應(yīng)力變化水平應(yīng)力4.02Mpa9.37Mpa23二、頂板高抽巷的采動(dòng)變形特征圖2-18右?guī)退綔y(cè)線的采動(dòng)水平應(yīng)力變化

2）右?guī)蜏y(cè)線的水平應(yīng)力分布

3.97Mpa8.39Mpa水平應(yīng)力24

頂?shù)装鍦y(cè)線的水平應(yīng)力分布

二、頂板高抽巷的采動(dòng)變形特征1）頂板測(cè)線的水平應(yīng)力分布

由圖可知，頂板上方7m范圍內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)，該范圍內(nèi)頂板的水平應(yīng)力分布趨勢(shì)基本相同。各測(cè)點(diǎn)的原始水平應(yīng)力平均12.43Mpa，當(dāng)高抽巷位于采空區(qū)后方80m、120m時(shí)，水平應(yīng)力銳減至1.08Mpa，處于充分卸載狀態(tài)。頂板方向水平應(yīng)力原始應(yīng)力采動(dòng)應(yīng)力25二、頂板高抽巷的采動(dòng)變形特征2）底板測(cè)線的水平應(yīng)力分布

沿著高度方向，底板的水平應(yīng)力分布曲線如圖所示。由圖可知，底板下方1~4m范圍內(nèi)為采動(dòng)水平應(yīng)力降低區(qū)，結(jié)合高抽巷的變形破壞特征可知，該范圍內(nèi)底板發(fā)生底鼓卸壓，水平應(yīng)力降低；下方4~8m范圍內(nèi)為采動(dòng)水平應(yīng)力升高區(qū)。26二、頂板高抽巷的采動(dòng)變形特征本章小結(jié)：

1）底鼓是頂板瓦斯高抽巷典型的破壞特征。受其影響，隨著工作面的推進(jìn)，高抽巷位于采空區(qū)后方的斷面面積不斷縮小。高抽巷位于采空區(qū)后方80m時(shí)，斷面嚴(yán)重收縮，高抽巷位于采空區(qū)后方140m時(shí)，斷面基本閉合。

2）高抽巷底鼓過程分三個(gè)階段：(a)緩慢底鼓階段。高抽巷位于采空區(qū)40m之前，底鼓量較?。?b)劇烈底鼓階段。高抽巷位于采空區(qū)40~80m后，高抽巷底鼓量顯著增加；(c)底鼓閉合階段。高抽巷位于采空區(qū)80m后，底鼓緩慢增加直至巷道基本閉合。

3）采動(dòng)過程中，高抽巷兩幫和底板水平應(yīng)力顯著增加，而頂板水平應(yīng)力明顯降低。27三、高抽巷底鼓的力學(xué)機(jī)理分析

巷道底鼓的類型與機(jī)理分類:擠壓流動(dòng)性底鼓、撓曲褶皺性底鼓、剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓。圖3-1擠壓流動(dòng)性底鼓28三、高抽巷底鼓的力學(xué)機(jī)理分析

圖3-2撓曲褶皺性底鼓

圖3-3剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓29三、高抽巷底鼓的力學(xué)機(jī)理分析

高抽巷底鼓的機(jī)理

高抽巷的頂板和兩幫支護(hù)良好，底板的強(qiáng)度相對(duì)較弱，受下部15#煤層采動(dòng)影響，兩幫和底板一定深度內(nèi)的水平應(yīng)力顯著增加。根據(jù)前人研究成果，這種因采動(dòng)而產(chǎn)生的應(yīng)力變化，稱之為“二次水平應(yīng)力”。二次水平應(yīng)力對(duì)拉應(yīng)變區(qū)已離層的底板巖層的作用過程相當(dāng)于位移加載過程，不但使破碎底板巖石產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，而且使相對(duì)完整的底板巖層產(chǎn)生離層屈曲而導(dǎo)致底鼓。根據(jù)數(shù)值模擬所得高抽巷的底鼓特征，參照各類底鼓的機(jī)理，高抽巷的底鼓應(yīng)屬于撓曲褶皺性底鼓，如圖3-4。30三、高抽巷底鼓的力學(xué)機(jī)理分析

高抽巷底鼓示意圖圖3-4高抽巷底鼓示意圖

31三、高抽巷底鼓的力學(xué)機(jī)理分析

高抽巷底鼓的力學(xué)分析

圖3-5層狀巖體受縱向應(yīng)力作用示意圖

32三、高抽巷底鼓的力學(xué)機(jī)理分析

底板整體抗彎剛度計(jì)算式為:

式中，t為巖層厚度

底板離層后，各巖層不再是一個(gè)整體，則單個(gè)分層的抗彎剛度為：

顯然，單個(gè)分層的抗彎剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整個(gè)底板巖層的抗彎剛度，巖層的抗彎剛度與其厚度呈三次方的關(guān)系。因此，底板各分層在水平應(yīng)力的作用下，更容易被壓曲和破壞。33三、高抽巷底鼓的力學(xué)機(jī)理分析

臨界載荷的計(jì)算

臨界應(yīng)力狀態(tài)下，t1巖層的內(nèi)力為：

底板巖層的壓曲臨界載荷取決于底板分層厚度t、彈模E、長(zhǎng)寬比λ。底板分層厚度

t、彈模E越大，臨界載荷就越大。

當(dāng)二次水平應(yīng)力滿足上式時(shí)，底板就產(chǎn)生屈曲；如二次水平應(yīng)力進(jìn)一步增大，達(dá)到底板巖層的屈服極限時(shí)，底板將被折斷。34三、高抽巷底鼓的力學(xué)機(jī)理分析

高抽巷的支護(hù)原理

底角錨索加固底板錨注加固選擇合適的層位

底板分層厚度與底板巖層穩(wěn)定性之間呈三次方關(guān)系，分層厚度越小，即抵抗彎曲變形的能力越弱，越容易發(fā)生屈曲破壞。如果將底板中多層不穩(wěn)定巖層用錨桿縫合起來，使各層之間緊密疊合，組成一整體梁，就可以明顯提高其抗彎曲變形能力?？刂频坠牡募夹g(shù)

35三、高抽巷底鼓的力學(xué)機(jī)理分析

底角錨索加固（a）加固之前（b）加固之后36三、高抽巷底鼓的力學(xué)機(jī)理分析

（a）加固之前（b）加固之后37三、高抽巷底鼓的力學(xué)機(jī)理分析

（a）底板是細(xì)砂巖（b）底板是泥巖

選擇合適的層位38三、高抽巷底鼓的力學(xué)機(jī)理分析

本章小結(jié)1）在明確高抽巷底鼓破壞特征的基礎(chǔ)上，建立了高抽巷采動(dòng)破壞的力學(xué)模型。分析表明，采動(dòng)過程中高抽巷兩幫和底板的水平應(yīng)力持續(xù)增加，導(dǎo)致高抽巷底板離層，強(qiáng)度降低，發(fā)生底鼓破壞。

2）從高抽巷的破壞機(jī)理入手，有針對(duì)性地提出了合理控制高抽巷變形的工程措施，并通過數(shù)值模擬手段進(jìn)行驗(yàn)證。39四、頂板瓦斯高抽巷優(yōu)化布置1、采動(dòng)覆巖移動(dòng)理論基礎(chǔ)

（1）采場(chǎng)頂板覆巖移動(dòng)規(guī)律圖4-1上覆巖層移動(dòng)破壞的“橫三區(qū)”與“豎三帶”40四、頂板瓦斯高抽巷優(yōu)化布置（2）采動(dòng)裂隙分布的O形圈理論

圖4-2采動(dòng)裂隙分布的“O”形圈(圖中數(shù)字為離層率)41四、頂板瓦斯高抽巷優(yōu)化布置2、高抽巷布設(shè)方案

圖4-6覆巖采動(dòng)裂隙分布圖采動(dòng)裂隙分布情況100.767.542四、頂板瓦斯高抽巷優(yōu)化布置高抽巷布設(shè)依據(jù)

高度方向：應(yīng)布置在33m~100.7m的采動(dòng)裂隙帶內(nèi)。結(jié)合K8206綜合柱狀圖，按照10~15m為一個(gè)層位，采用以下3組層位，距15煤層頂板分別為60m、70m、85m。

水平方向：對(duì)于每個(gè)層位，以頂板裂隙卸壓角為外邊界，采動(dòng)裂隙的O形圈為內(nèi)邊界，在水平方向上又可劃分詳細(xì)方案。

圍巖巖性規(guī)定：為了消除圍巖巖性對(duì)高抽巷采動(dòng)變形的影響，圍巖巖性作如下規(guī)定：頂板為3m石灰?guī)r，底板為3m細(xì)砂巖，高抽巷布置在厚度為3m的粗砂巖中。這樣，高抽巷的變形影響因素已經(jīng)簡(jiǎn)化為：垂直層位、水平位置。

43四、頂板瓦斯高抽巷優(yōu)化布置判斷指標(biāo)頂?shù)装逑鄬?duì)移近量?jī)蓭拖鄬?duì)移近量巷道宏觀變形情況

通過各指標(biāo)的綜合對(duì)比分析，確定該層位的最優(yōu)方案；再將各層位的最優(yōu)方案加以對(duì)比，最終確定高抽巷的最佳布設(shè)位置。44四、頂板瓦斯高抽巷優(yōu)化布置（1）60m層位距回風(fēng)巷分別為40、60、80、90和110m圖4-760m層位布設(shè)方案45四、頂板瓦斯高抽巷優(yōu)化布置（2）70m層位距回風(fēng)巷水平距離分別為40、60、70、90、110、130m。圖4-870m層位布設(shè)方案46四、頂板瓦斯高抽巷優(yōu)化布置（3）85m層位距回風(fēng)巷分別為60、80、90、110m，共4個(gè)方案。圖4-985m層位布設(shè)方案47四、頂板瓦斯高抽巷優(yōu)化布置

（a）高抽巷距回風(fēng)巷40m（b）高抽巷距回風(fēng)巷60m

（C）高抽巷距回風(fēng)巷80m（d）高抽巷距回風(fēng)巷110m60m層位48四、頂板瓦斯高抽巷優(yōu)化布置

距回風(fēng)巷/m40608090110頂?shù)装遄畲笞冃?%47.31%60.30%67.89%46.37%53.37%兩幫最大變形/%4.13%3.48%4.66%11.52%10.32%斷面閉合率/%49.486%61.682%69.386%52.548%58.182%有效面積/%50.514%38.318%30.614%47.452%41.818%表4-3高抽巷有效面積一覽表在60m層位上，高抽巷最佳布設(shè)位置是距回風(fēng)巷40~60m。49四、頂板瓦斯高抽巷優(yōu)化布置

（a）高抽巷距回風(fēng)巷40m（b）高抽巷距回風(fēng)巷70m

（c）高抽巷距回風(fēng)巷90m（d）高抽巷距回風(fēng)巷110m70m層位50四、頂板瓦斯高抽巷優(yōu)化布置

表4-3高抽巷有效面積一覽表距回風(fēng)巷/m40607090110130頂?shù)装遄畲笞冃?%23.63%53.15%57.34%72.16%72.28%79.10%兩幫最大變形/%2.03%3.75%3.89%6.39%4.35%7.51%斷面閉合率/%25.180%54.907%58.999%73.939%73.486%80.670%有效面積/%74.820%45.093%41.001%26.061%26.514%19.330%

在70m層位高抽巷的最佳布置位置是距回風(fēng)巷40~70m之內(nèi)，一旦大于該值，巷道將發(fā)生嚴(yán)重底鼓。

51四、頂板瓦斯高抽巷優(yōu)化布置

（a）高抽巷距回風(fēng)巷60m （b）高抽巷距回風(fēng)巷80m

（c）高抽巷距回風(fēng)巷90m （d）高抽巷距回風(fēng)巷110m85m層位

52四、頂板瓦斯高抽巷優(yōu)化布置

表4-10高抽巷有效面積一覽表

通過上述頂?shù)装濉蓭妥冃畏治隹芍?，在該層位高抽巷的最佳布置位置是距回風(fēng)巷60~90m之內(nèi)。距回風(fēng)巷/m608090110頂?shù)装遄畲笞冃?%12.67%9.33%42%56.4%兩幫最大變形/%9.45%12.51%36.97%27.63%斷面閉合率/%20.92%20.68%63.45%68.45%有效面積/%79.08%79.32%36.55%31.55%53四、頂板瓦斯高抽巷優(yōu)化布置本章小結(jié)

基于采動(dòng)裂隙分布的O形圈理論，以K8206工作面為試驗(yàn)點(diǎn)，在采動(dòng)裂隙帶內(nèi)優(yōu)化高抽巷的布設(shè)層位。結(jié)論如下：（1）在60m層位，各方案中頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最大值為1.419~2.037m，高抽巷的斷面閉合率為49.486~69.386%。高抽巷最佳布設(shè)位置是距回風(fēng)巷40~60m。（2）在70m層位，各方案中高抽巷的斷面閉合率為25.18~80.67%。在該層位高抽巷的最佳布置位置是距回風(fēng)巷40~70m之內(nèi)，一旦大于該值，巷道將發(fā)生嚴(yán)重底鼓。（3）在85m層位，高抽巷底鼓較小，但兩幫變形量較大。高抽巷的最佳布置位置是距回風(fēng)巷60~90m之內(nèi)。54五、瓦斯高抽巷抽采性能優(yōu)化研究試驗(yàn)工作面概況

圖5-1K8108工作面布置圖55五、瓦斯高抽巷抽采性能優(yōu)化研究瓦斯涌出特征與治理分析

圖5-2K8108綜放面瓦斯涌出量趨勢(shì)圖

ⅠⅡ56五、瓦斯高抽巷抽采性能優(yōu)化研究高抽巷抽采性能分析

圖5-3抽采負(fù)壓與抽采混合量和抽采濃度之間的關(guān)系圖