综放工作面沿空留巷瓦斯治理技术研究 

2 采场周围支承压力理论分析

2.1 采场周围应力分布

工作面自开切眼向前推进,破坏了原岩应力场的平衡状态,引起了应力场的再分布。开始时基本顶尚处于完整状态,在基本顶岩层尚未破断以前,基本顶将被四周未采动的煤体所支撑,因而此时可视基本顶岩层为板,它与采空区四周支撑体形成一完整的结构体系,承受上覆岩层的载荷。此时回采工作空间处于这个结构体系的保护之中。采空区四周应力重新分布状态如图2.1所示。图中按垂直应力变化的大小,可将其分为A——增压区;B——减压区;C——稳压区,即恢复到?H的区域。图中也表示了在采空区周围水平应力由小变大的情况。鉴于采空后改变了四周支承物上的压力状态,一般称采空区四周支承物上所受的垂直作用应力为支承压力。

图2.1 老顶断裂前的结构形式及其周围的应力再分布 A—应力增高区;B——应女降低区;C——应力不变区

?H为上覆岩层的载荷,K为应力集中系数,?h为直接顶的厚度。

由图可知,采空区底板仅承受垮落岩层形成的载荷,它远比原岩应力为低。随着回采工作面的推进,回采工作面四周的支承压力分布如图2.2所示。

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图2.2 回采工作面周围垂直应力在煤层平面内分布示意图

此时在工作面前方形成了前支承压力,它随工作面推进而不断推移,最大值发生在工作面中部前方,峰值可达原岩压力的2~4倍,即(2~4)?H。

前支承压力的峰值位置可深入煤体内2~10m。其影响范围根据观测资料可达工作面前方90~100m。

回采工作面推进一定距离后,采空区后方将逐渐进入压实状态,此时也可能形成另一个波形压力峰值,此峰值根据情况有可能略大干、等于或小于?H值。

在回采工作面推过后,上下两侧沿倾斜上、下方均可形成支承压力,即称为侧向支承压力,当相邻两工作面保持一定距离同时推进时,两相邻回采空间相互间必然形成支承压力的叠加。德国埃森采矿研究中心进行了理论计算,并绘出了相邻两工作面周围的支承压力分布示意图,如图2.3a所示。在煤壁凸出角形成的叠合支承压力峰值达到最高,可达原岩垂直应力的7倍左右,如图2.3b所示。

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图2.3 两相邻回采空间周围的应力分布示意图 a—应力分布示意图;b—煤体凸出部分的应力分布

图中表示了第一层留有煤柱,第二层开采线超过第三层开采线一定距离所形成的等垂直应力线。图中数值2相当于原岩应力数值线。显然,此时第一层的煤柱已对第二层、第三层的应力分布无多大影响了。

2.2 回采工作面前后支承压力

回采工作面前后的支承压力分布与采空区处理方法有关。假如采空区采用的是刚性支撑,例如采用刀柱法(留煤柱),工作面前后的支承压力分布应类似于巷道两侧,其情况如图2.4中曲线l,即前后均有几乎相等的压力分布。

假设采空区处理采用垮落法或充填法,则将导致工作面前方支承压力急剧增加,而采空区支承压力则大幅度降底,如图2.4中曲线2。

若顶板比较坚硬,则在悬顶时工作面前方支承压力较高,而采空区则较低,如图2.4中曲线3,但当顶板切落时,则前方有所降低而采空区有所增加。

由于种种原因,如采深太大或岩性的影响,致使开采后岩层移动未能波及到地表,则此时将出现图2.4中曲线4的状态,即采空区的支承压力有可能恢复不到

?H值。

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根据苏联在某矿井中的测定资料,在采空区已冒落矸石上的压力分布情况如图2.5所示。

图2.5a的测定条件为:采深163m(即?H=4070kPa),工作面长120m,开采第一分层时,测点设在工作面推进方向离开切眼600m外,图中曲线1是测点在靠近工作面运输巷10m处,曲线2是在离工作面运输巷30m处,曲线3是在工作面中部,曲线4是在离工作面回风巷20m处。

图2.4 不同采空区支撑条件下工作面前后支承压力分布

由图可知,在工作面中部离煤壁80~85m处,垮落矸石所承受的载荷达到?H值,到125m处则达到1.31?H值,而后又逐渐恢复到?H值。

图2.5 已采空间支承压力分布

图2.5b为开采下分层时,采空区内测得的压力变化值,条件为:采深174m(即

?H=4350kPa),采高2.2m,工作面长95m,仪器设置在离开切眼320m处,1号仪器离工作面运输巷5m处,2号仪器离运输巷20m处,3号仪器离运输巷45m处、此曲线的特点是稳定较快,一般在100m左右即已稳定,最大值发生在工作面中部,但由测定中发现并没有超过?H值。

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根据上述分析,回采工作面前后的支承压力,一般可绘成如图2.6所示的图形,且可将其分为应力降低区b、应力增高区a及应力不变区c。

图2.6 工作面前后支承压力分布

事实上由工作面前方支承压力峰值到煤壁为极限平衡区,由峰值向煤体内则为弹性区。显然,支承压力的分布曲线将由支承体的力学特性及其载荷大小而定。

7602工作面位于76采区南部。工作面长260m,最大坡度3-6°,可采长度1460m,煤层平均厚度为5.75m。工作面底板标高230-530m,地面标高883-948m,盖山厚度413-470m。根据上述理论当7602综放工作面采完后,若需继续保留采空区内7602回风顺槽,则支撑体需承受的支承压力为K?H,应力集中系数K值是巷道与沿回采工作面推进方向的距离L以及才采动影响的延续时间t的函数。k取最大值时约为2~4,一般在回采工作面后方0-50m处取3。工作面采深为418~663m,取平均值为540.5m,岩石的容重?为29,经计算支承压力最大时为31.34Mpa~62.70Mpa,在回采工作面后方0-50m处时为47.02Mpa。

2.3 支承压力极限平衡区宽度

根据研究,支承压力极限平衡区宽度可按下式计算:

1??K?H?(c?Mc?Mf?)122y?M?t?f1? X0?ln??12f1?c?e?Pa???(c?Mc?Mf?)c122y???f1?1? 式中 X0——极限平衡区宽度(见图2.7a);

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