CN109211180A - 综放开采巷道围岩变形阶段划分和确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种综放开采巷道围岩变形阶段划分和确定方法，涉及矿山安全技术领域。该方法首先将工作面开采后在工作面前方形成的区域划分为塑性区和弹性区，并计算塑性区的垂直应力，进而得到超前支承压力的峰值位置。以超前支承压力峰值位置为边界，将巷道围岩变形阶段划分为弹性变形区和塑性变形区，在塑性区内以超前支承压力曲线与原岩应力线交叉处为分界，又分为破坏区和极限平衡区。然后在工作面布置观测站，观测超前支承压力，监测及整理超前支承压力数据，确定巷道围岩的变形阶段。本发明提供的综放开采巷道围岩变形阶段划分和确定方法，可根据超前支承压力对巷道的变形阶段进行准确划分，为巷道超前支护和控制巷道围岩变形提供理论支撑。

Description

综放开采巷道围岩变形阶段划分和确定方法

技术领域

本发明涉及矿山压力与冲击地压防治的技术领域，尤其涉及一种综放开采巷道围岩变形阶段划分和确定方法。

背景技术

随着我国煤矿开采技术和开采机械设备的不断完善，大型矿井综合机械化放顶煤开采已变得非常普遍，而且我国的综放开采技术在国际也处于前列。掌握综放开采超前支承压力显现和巷道围岩变形特征，对深入研究综放开采的矿压显现、巷道支护和设备选型具有重要的意义。

目前对工作面超前压力和巷道围岩变形研究取得了许多建设性成果。许家林深入的研究了关键层对综放工作面矿压显现特征的影响；王家臣对综放工作面采放比对矿压显现特征影响研究取得了丰硕成果；潘一山、张宏伟对综放工作面不同地域不同矿井的矿压显现特征研究已经掌握了一些关键的规律。马念杰对开采过程中巷道应力分布和巷道破坏分布特征进行了深入的理论研究和实验研究；康红普对巷道变形破坏和控制技术的研究已经非常成熟，并在业界得到了普遍的认可；勾攀峰等对巷道破坏的力学过程进行了深入的研究。但对综放开采超前支承压力分布对巷道变形的影响，以及二者之间的联系研究很少。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种综放开采巷道围岩变形阶段划分和确定方法，对综放开采巷道围岩变形阶段进行划分和确定。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：综放开采巷道围岩变形阶段划分及确定方法，包括巷道围岩变形阶段划分和变形阶段确定两部分；

步骤1、巷道围岩变形阶段的划分，具体方法为：

由于在工作面推进过程中有梁结构的存在，在工作面前方会形成一个应力增高区；当工作面不断推进，在梁结构破坏前，超前支承压力会不断的增大，巷道围岩的移近量和移进速度也不断增大；由于超前支承压力的影响，将工作面前方的区域划分为弹性区和塑性区；

所述塑性区内任意位置水平方向和垂直方向上的应力平衡方程为：

mσ_x+2fσ_yd_x-m(σ_x+dσ_y)＝0 (1)

其中，m为工作面采厚；f为摩擦系数；σ_x为工作面前方煤体单元的水平方向应力；σ_y为工作面前方煤体单元的垂直方向应力；

采用摩尔-库伦准则对公式(1)进行整理，得到：

其中，C为煤体的内聚力，ψ为煤体的内摩擦角；

令：

将塑性区的垂直应力表达式化简为：

其中，N₀为煤壁处的支承能力，N₀≤σ_y≤kγH；k为超前应力集中系数；x为与工作面煤壁的距离；H为采深；γ为超前支承压力的应力集中系数；

当σ_y＝kγH时，超前支承压力达到峰值，此时的峰值位置与煤壁间的距离为x₀，表示为：

其中，σ为支架对煤帮的阻力；

工作面前方超前支承压力的峰值出现在x₀的位置，以超前支承压力峰值位置为边界，在工作面前方x₀以外的范围为弹性变形区，在0～x₀为塑性变形区，在塑性区内以超前支承压力曲线与原岩应力线交叉处为分界，又分为破坏区和极限平衡区；

在破坏区内煤岩层已经失去了完整性，承载能力很差，所以会造成巷道围岩变形量非常大，而且变形速度快，因此，将此阶段称为巷道围岩急速变形阶段；在极限平衡区内煤岩层虽然发生了塑性变形，但其还是处于一个非连续排列的整体，完整性和承载能力要明显优于破坏区，此区域的巷道变形量逐渐减小，变形速度放缓，因此，将此阶段称为巷道围岩减速变形阶段；破坏区和极限平衡区统称为塑性区，塑性区的巷道变形量大，统称为大变形阶段；

在弹性变形区内煤岩层状态完好，岩层具有很好的承载能力，由于该阶段巷道受到的力大于原岩应力，巷道变形必然大于原岩应力状态下的巷道变形，但巷道变形量小，将此阶段称为稳定小变形阶段；

步骤2、巷道围岩变形阶段的确定，具体方法为：

步骤2.1、在工作面布置观测站，观测超前支承压力，具体方法为：

一、观测站布置的距离要超前工作面前方100以上；二、至少布置四组观测站，一个测站两个测点，一个测点在运输巷道，一个测点在回风巷道，同一测站的两个测点钻孔深度相同；三、每组测点的钻孔深度都在3m以上，且各组测点深度不相同；四、每个钻孔布置一个测力计；

步骤2.2、监测及整理超前支承压力数据；

一、当测点距离工作面50m以外时，每隔2天观测一次，50m～30m时需每天观测一次，30m以内时每天早班和中班分别观测一次；二、在记录应力数据的同时每次都记录测点与工作面之间的距离；

步骤2.3、根据监测整理的超前支承压力数据确定巷道围岩变形阶段；

步骤2.3.1、采用最小二乘拟合方法对监测的超前支承压力数据进行分析，以测点与工作面间的距离为横坐标，以测点监测的超前压力为纵坐标，绘制出曲线；

步骤2.3.2、在绘制的曲线图中再绘制出原岩应力的直线，则超前支承压力曲线与原岩应力线的交点为急速变形阶段和减速变形阶段的分界；

步骤2.3.3、急速变形阶段和减速变形阶段共同构成了大变形阶段，大变形阶段和稳定小变形阶段的分界为超前支承压力峰值位置。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的综放开采巷道围岩变形阶段划分及确定方法，创新的提出了巷道围岩变形阶段的划分方法，并首次建立了超前支承压力与巷道围岩变形阶段的关系，利用本发明可根据超前支承压力对巷道的变形阶段进行准确划分，为巷道超前支护和控制巷道围岩变形提供理论支撑，对实际生产中保障巷道围岩稳定和安全生产都具有非常大的促进意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的工作面前方超前支承压力分布示意图；

图2为本发明实施例提供的超前支承压力与巷道围岩变形的位置关系示意图；

图3为本发明实施例提供的应力钻孔测点布置示意图；

图4为本发明实施例提供的不同深度钻孔的超前支承压力变化图，其中，(a)为3m深钻孔的超前支承压力，(b)为6m深钻孔的超前支承压力，(c)为12m深钻孔的超前支承压力，(d)为15m深钻孔的超前支承压力；

图5为本发明实施例提供的超前支承压力拟合曲线图；

图6为本发明实施例提供的巷道测站布置图；

图7为本发明实施例提供的工作面前方巷道围岩移近的速度变化曲线图，其中，(a)为回风巷的巷道围岩移近的速度变化曲线，(b)为运输巷的巷道围岩移近的速度变化曲线；

图8为本发明实施例提供的工作面前方巷道日变形量拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例以某煤矿的主采煤层7(4)煤层，j7401工作面为例，使用本发明的综放开采巷道围岩变形阶段划分及确定方法，确定该主采煤层j7401工作面巷道围岩变形的阶段，并检验阶段划分的精度。

综放开采巷道围岩变形阶段划分及确定方法，包括巷道围岩变形阶段划分和变形阶段确定两部分；

步骤1、巷道围岩变形阶段的划分，具体方法为：

由于在工作面推进过程中有梁结构的存在，在工作面前方会形成一个应力增高区，如图1所示；当工作面不断推进，在梁结构破坏前，超前支承压力会不断的增大，巷道围岩的移近量和移进速度也不断增大；由于超前支承压力的影响，将工作面开采后会在工作面前方形成的区域划分为两个区域，分别为塑性区(A区)和弹性区(B区)；

所述塑性区内任意位置水平方向和垂直方向上的应力平衡方程为：

mσ_x+2fσ_yd_x-m(σ_x+dσ_y)＝0 (1)

其中，m为工作面采厚；f为摩擦系数；σ_x为工作面前方煤体单元的水平方向应力；σ_y为工作面前方煤体单元的垂直方向应力；

采用摩尔-库伦准则对公式(1)进行整理，得到：

其中，C为煤体的内聚力，ψ为煤体的内摩擦角；

令：

将塑性区的垂直应力表达式化简为：

其中，N₀为煤壁处的支承能力，N₀≤σ_y≤kγH；k为超前应力集中系数；x为与工作面煤壁的距离；H为采深；γ为超前支承压力的应力集中系数；

当σ_y＝kγH时，超前支承压力达到峰值，此时的峰值位置与煤壁间的距离为x₀，表示为：

其中，σ为支架对煤帮的阻力；

工作面前方超前支承压力的峰值出现在x₀的位置，以超前支承压力峰值位置为边界，在工作面前方x₀以外的范围为弹性变形区，对应图1中的B区，在0～x₀为塑性变形区，对应图1中的A区，在塑性区内以超前支承压力曲线与原岩应力线交叉处为分界，又分为破坏区和极限平衡区，分别对应图1中的C区和D区；

在破坏区内煤岩层已经失去了完整性，承载能力很差，所以会造成巷道围岩变形量非常大，而且变形速度快，因此，将此阶段称为巷道围岩急速变形阶段；在极限平衡区内煤岩层虽然发生了塑性变形，但其还是处于一个非连续排列的整体，完整性和承载能力要明显优于破坏区，此区域的巷道变形量逐渐减小，变形速度放缓，因此，将此阶段称为巷道围岩减速变形阶段；破坏区和极限平衡区统称为塑性区，塑性区的巷道变形量大，统称为大变形阶段；

在弹性变形区内煤岩层状态完好，岩层具有很好的承载能力，由于该阶段巷道受到的力大于原岩应力，巷道变形必然大于原岩应力状态下的巷道变形，但巷道变形量小，将此阶段称为稳定小变形阶段；

本实施例中，超前支承压力与巷道围岩变形的位置关系如图2所示，从图中可以看出，破坏区(急速变形阶段)和极限平衡区(减速变形阶段)的分界为超前支承压力曲线与原岩应力线的交点；破坏区(急速变形阶段)和极限平衡区(减速变形阶段)共同构成了塑性区(大变形阶段)，塑性区(大变形阶段)和弹性区(稳定小变形阶段)的分界为超前支承压力峰值位置。

步骤2、巷道围岩变形阶段的确定，具体方法为：

步骤2.1、在工作面布置观测站，观测超前支承压力，具体方法为：

一、观测站布置的距离要超前工作面前方100m以上；二、至少布置四组观测站，一个测站两个测点，一个测点在运输巷道，一个测点在回风巷道，同一测站的两个测点钻孔深度相同；三、每组测点的钻孔深度都在3m以上，且各组测点深度不相同；四、每个钻孔布置一个测力计；

步骤2.2、监测及整理超前支承压力数据；

一、当测点距离工作面50m以外时，每隔2天观测一次，30m～50m时需每天观测一次，30m以内时每天早班和中班分别观测一次；二、在记录应力数据的同时每次都记录测点与工作面之间的距离；

步骤2.3、根据监测整理的超前支承压力数据确定巷道围岩变形阶段；

步骤2.3.1、采用最小二乘拟合方法对监测的超前支承压力数据进行分析，以测点与工作面间的距离为横坐标，以测点监测的超前压力为纵坐标，绘制出曲线；

步骤2.3.2、在绘制的曲线图中再绘制出原岩应力的直线，则超前支承压力曲线与原岩应力线的交点为急速变形阶段和减速变形阶段的分界；

步骤2.3.3、急速变形阶段和减速变形阶段共同构成了大变形阶段，大变形阶段和稳定小变形阶段的分界为超前支承压力峰值位置。

本实施例中，河林煤矿j7401工作面为7(4)煤层的首采工作面，该工作面所处位置的地表标高为+255～+310m，工作面水平标高-150m～-270m，工作面的长度为240m，推进方向长度为1520m，工作面倾角变化范围较大，但工作面的平均倾角大约为6°。工作面煤层厚度范围是7.8m～13.6m，煤层平均厚度大约为11.4m，煤层硬度相对较小，且稳定性程度较低，顶煤冒放性较好，采用后退式全部垮落综合机械化放顶煤的采煤方法，采高3.4m，放高为8m。工作面上覆岩层构造比较简单，顶底板以泥岩和砂岩为主，直接底为炭质泥岩，黑灰色，薄层状，致密较硬，平均厚度为6.70m。老底也为炭质泥岩黑褐灰色，块状层理，含粉砂岩，致密坚硬，平均厚度8.65m。

本实施例中，在超前j7401综放工作面100m开始布置四组观测站，每组布置两个钻孔，两个钻孔分别在运输巷道和回风巷道，第一组两个钻孔的孔深为3m，第二组钻孔的孔深为6m，第三组的孔深为12m，第四组的孔深为15m。每个钻孔内布置1台钻孔应力计，钻孔高度距回采巷道底板1.5m。应力计和钻孔在工作面内的布置参数如图3所示。现场可根据j7401综放工作面的推进情况安排观测工作。当测点距离综放工作面50m以外时，每隔2天观测一次，50m～30m时需每天观测一次，30m以内时每天早班和中班分别观测一次，并将观测数据作记录。

随着j7401综放工作面不断向前推进，回采巷道钻孔孔壁煤体逐渐变形破碎进而填满钻孔与钻孔应力计的空隙空间，使得巷道钻孔应力计与综放工作面煤体完全接触。现场观测并记录工作面推进过程中各个钻孔内应力计的读数，对四组测站八个钻孔观测到的数据进行整理，如表1～表4所示。

表1第一组3m钻孔应力计观测数据

表2第二组6m钻孔应力计观测数据

表3第三组12m钻孔应力计观测数据

表4第四组15m钻孔应力计观测数据

根据表1～表4中的数据，绘制出如图4所示的工作面推进过程中各个钻孔应力计读数随着工作面推进的变化过程。

图4中的直线为原岩应力线，星标线和点标线分别为运输巷道压力和回风巷道压力，从图中可以看出：

(1)当综放工作面与钻孔的距离大约为65m时，钻孔应力计的读数开始大于原因应力，由此可以说明j7401综放工作面的超前支承压力影响范围约为65m。

(2)超前压力的峰值出现在工作面前方15m～22m之间，超前压力的峰值范围大约为33MPa～39MPa，超前支承压力峰值大约为原岩应力的3.2～3.8倍。

在实际的工程问题中常常采用最小二乘拟合的方法分析已有数据，得出大量数据之间的函数变化关系。本实施例中，为得出综放工作面前方不同位置超前支承压力的变化曲线，以表1～表4中的数据为基础，采用最小二乘拟合的数学方法对四个表中的数据进行分析。此处不再单独区分考虑运输巷道和回风巷道的超前支承压力，所有数据共同分析。四个表共96组数据点(x_i，y_i)，(i=1，2，...，96)，求96组数据的近似函数y＝S(x)。该方法的原理是将拟合值与实际值之间的偏差平方和最小化，在中寻找f(x)的逼近函数(其中为关于x的i次向量函数)，即求a_k，(k＝0，1，Λ，n)，使Φ空间中的作为f(x)的最佳逼近函数。

将表1～表4中的测点与工作面距离为自变量，超前支承压力为因变量，拟合出的函数曲线如图5所示。

从图5中可以看出：①工作面前方0～19.8m支承压力逐渐增加，在8.1m处超前支承压力等于原岩应力；②超前支承压力的峰值出现在工作面前方的19.8m处，峰值为39.4MPa；③工作面前方19.8～65m的范围内超前支承压力逐渐减小，大约在65m之后恢复到原岩应力。

本实施例中，通过图6可确定巷道围岩的变形阶段为：①0～8.1m为急速变形阶段；②8.1～19.8m为减速变形阶段；③19.8～65m为稳定小变形阶段。其中急速变形阶段和减速变形阶段统称为大变形阶段。

本实施例还提供了采用本发明的综放开采巷道围岩变形阶段划分和确定方法对巷道围岩变形阶段划分的精度进行检验，具体为：

一、巷道围岩变形观测

为了掌握j7401综放面运输巷道和回风巷道受综放工作面采动影响的围岩变形特征，研究分析综放工作面采动对回采巷道围岩变形的影响，需要进行回采巷道变形观测。根据巷道围岩变形观测的内容，确定在两条回采巷道内各布置一条观测线，每个观测线分别布置三个测站，测站间距为30m，并采用“十”字交叉布点法对回采巷道的表面移近量进行观测，巷道内测站的布置参数如图6所示。

二、巷道围岩变形分析

通过在j7401综放工作面回采巷道布置“十”字交叉测站，对回采巷道围岩变形量进行连续观测，对回采巷道围岩变形量观测数据进行整理和分析，分析在j7401综放工作面回采过程中，回采巷道受综放工作面采动影响的范围，观测到的数据见表5和表6。

表5回风巷道移近量观测数据

表6运输巷道移近量观测数据

根据表5和表6中数据，绘制出如图7所示的j7401综放工作面运输巷道和回风巷道各测站的巷道围岩变形速度的变化过程。

通过对图7进行分析，可以得出：

(1)综放工作面前方0～20m范围内顶板活动剧烈，顶板日下沉量最大速度大约在工作面前方5m～11m范围内，顶板日下沉量的最大值达到了18mm。工作面前方大约20m以外的日移近量较小，回风巷顶板日下沉量小于5mm，运输巷顶板日下沉量小于3mm，工作面前方60m以外的日移近量接近于0。

(2)综放工作面前方0～20m范围内两帮的移近量很大，两帮日移近量的最大速度大约在工作面前方6m～8m范围内，两帮日移近量的最大值达到了14.9mm。工作面前方大约20m～60m范围的日移近量都小于3mm，工作面前方60m以外的日移近量接近于0。

上述分析说明工作面前方0～20m范围内围岩变形活动程度非常强，20m～60m以外的围岩变形活动减弱，60m以外围岩基本不受采动影响。

三、观测数据分析

同样采用最小二乘拟合的方法，对表5和表6中的数据进行分析，分析过程中不区分两帮移近量和顶板下沉量，将两者统一视为巷道变形量。将表5和表6中的测点与工作面距离为自变量，工作面前方巷道日变形量为因变量，拟合出的函数曲线如图8所示。

从图8中可以看出：①日变形量最大值出现在工作面前方的8.9m处，0～8.9m的范围内日变形量都大于12mm，此阶段为急速变形阶段；②工作面前方由8.9～20.1m，巷道的日变形量由14.5mm减小到大约3mm，此阶段为减速变形阶段；③工作面前方20.1m之后巷道的日变形量非常小，工作面前方65m处巷道变形量变为了零，在20.1～65m的范围内巷道日变形量由3mm缓慢减小到0mm，此阶段为稳定小变形阶段。

对比图6和图7的分析结果，超前支承压力曲线与原岩应力曲线的交点位于工作面前方8.1m，巷道急速变形阶段和减速变形阶段的分界为工作面前方8.9m，二者相距0.8m；超前支承压力的峰值位置为工作面前方19.8m，巷道减速变形阶段和稳定小变形阶段的分界为工作面前方20.1m，二者相距0.3m。可见在工程实践中采用监测应力数据确定巷道围岩变形阶段的方法精度较高，可以在现场应用实践。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种综放开采巷道围岩变形阶段划分及确定方法，包括巷道围岩变形阶段划分和变形阶段确定两部分，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、巷道围岩变形阶段的划分，具体方法为：

由于超前支承压力的影响，将工作面前方的区域划分为弹性区和塑性区；

以超前支承压力峰值位置x₀为边界，在工作面前方x₀以外的范围为弹性变形区，在0～x₀为塑性变形区，在塑性区内以超前支承压力曲线与原岩应力线交叉处为分界，又分为破坏区和极限平衡区；

在破坏区内煤岩层已经失去了完整性，承载能力很差，所以会造成巷道围岩变形量非常大，而且变形速度快，因此，将此阶段称为巷道围岩急速变形阶段；在极限平衡区内煤岩层虽然发生了塑性变形，但其还是处于一个非连续排列的整体，完整性和承载能力要明显优于破坏区，此区域的巷道变形量逐渐减小，变形速度放缓，因此，将此阶段称为巷道围岩减速变形阶段；破坏区和极限平衡区统称为塑性区，塑性区的巷道变形量大，统称为大变形阶段；

在弹性变形区内煤岩层状态完好，岩层具有很好的承载能力，由于该阶段巷道受到的力大于原岩应力，巷道变形必然大于原岩应力状态下的巷道变形，但巷道变形量小，将此阶段称为稳定小变形阶段；

步骤2、巷道围岩变形阶段的确定，具体方法为：

步骤2.1、在工作面布置观测站，观测超前支承压力；

步骤2.2、监测及整理超前支承压力数据；

步骤2.3、根据监测整理的超前支承压力数据确定巷道围岩变形阶段。

2.根据权利要求1所述的综放开采巷道围岩变形阶段划分及确定方法，其特征在于：步骤1所述超前支承压力峰值位置x₀的确定方法为：

所述塑性区内任意位置水平方向和垂直方向上的应力平衡方程为：

mσ_x+2fσ_yd_x-m(σ_x+dσ_y)＝0 (1)

其中，m为工作面采厚；f为摩擦系数；σ_x为工作面前方煤体单元的水平方向应力；σ_y为工作面前方煤体单元的垂直方向应力；

采用摩尔-库伦准则对公式(1)进行整理，得到：

其中，C为煤体的内聚力，ψ为煤体的内摩擦角；

令：

将塑性区的垂直应力表达式化简为：

其中，N₀为煤壁处的支承能力，N₀≤σ_y≤kγH；k为超前应力集中系数；x为与工作面煤壁的距离；H为采深；γ为超前支承压力的应力集中系数；

当σ_y＝kγH时，超前支承压力达到峰值，此时的峰值位置与煤壁间的距离为x₀，表示为：

其中，σ为支架对煤帮的阻力；

工作面前方超前支承压力的峰值出现在x₀的位置。

3.根据权利要求1所述的综放开采巷道围岩变形阶段划分及确定方法，其特征在于：所述步骤2.1的具体方法为：

一、观测站布置的距离要超前工作面前方100以上；二、至少布置四组观测站，一个测站两个测点，一个测点在运输巷道，一个测点在回风巷道，同一测站的两个测点钻孔深度相同；三、每组测点的钻孔深度都在3m以上，且各组测点深度不相同；四、每个钻孔布置一个测力计。

4.根据权利要求3所述的综放开采巷道围岩变形阶段划分及确定方法，其特征在于：所述步骤2.2的具体方法为：

一、当测点距离工作面50m以外时，每隔2天观测一次，50m～30m时需每天观测一次，30m以内时每天早班和中班分别观测一次；二、在记录应力数据的同时每次都记录测点与工作面之间的距离。

5.根据权利要求4所述的综放开采巷道围岩变形阶段划分及确定方法，其特征在于：所述步骤2.3的具体方法为：

步骤2.3.1、采用最小二乘拟合方法对监测的超前支承压力数据进行分析，以测点与工作面间的距离为横坐标，以测点监测的超前压力为纵坐标，绘制出曲线；

步骤2.3.2、在绘制的曲线图中再绘制出原岩应力的直线，则超前支承压力曲线与原岩应力线的交点为急速变形阶段和减速变形阶段的分界；

步骤2.3.3、急速变形阶段和减速变形阶段共同构成了大变形阶段，大变形阶段和稳定小变形阶段的分界为超前支承压力峰值位置。