大倾角厚煤层走向长壁分层开...再生顶板力学行为与稳定控制_池小楼.pdf

大倾角厚煤层走向长壁分层开采再生顶板力学行为与稳定控制池小楼1,2，杨科1,2，付强1,2，张寨男1,2（1.安徽理工大学矿业工程学院,安徽淮南232001；2.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室,安徽淮南232001）摘要：针对大倾角厚煤层走向长壁分层开采再生顶板稳定性控制工程难题，结合淮南潘北煤矿1212（3）厚煤层分层工作面地质与工程条件，综合运用矸石侧限压缩试验、三维成像钻孔探测试验以及物理模拟与数值模拟等研究方法，分析了含水率、压缩率和粒径级配等因素对矸石压缩特性的作用机理及其对再生顶板稳定性影响程度的关联特征，获得了再生顶板结构特征与应力状态，揭示了再生顶板采动力学行为，制定了再生顶板稳定性控制措施，评价了再生顶板稳定性控制效果。研究结果表明：采空区泥岩与砂质泥岩黏土矿物含量高，利于矸石二次胶结；矸石受载压缩过程中的接触状态与应力状态不断调整，表现为再生顶板结构垂向上，下部与上部矸石压缩胶结程度均高于中部，倾向上，中上部矸石压缩胶结程度最小，再生顶板更易破坏；矸石粒径级配是影响再生顶板抗剪强度的主要因素，随矸石粒径增大，再生顶板表现出沿剪切线滑移到矸石颗粒错动鼓出的延性破坏，即再生顶板倾向下部采动破断剧烈程度较中上部缓和，中上部是再生顶板稳定性控制的重点防控区；主应力偏转驱动下分层采场空间不同区域再生顶板破断，提出再生顶板冒顶和煤壁片帮注浆与架棚加固方案，通过监测煤壁片帮深度与支架压力，再生顶板稳定性控制效果良好。关键词：大倾角厚煤层；重复采动；再生顶板；分层开采；围岩控制中图分类号：TD325文献标志码：A文章编号：02532336（2023）06000110Mechanical behavior and stability control of regenerated roof in long wall stratifiedmining of thick steeply dipping coal seamCHIXiaolou1,2,YANGKe1,2,FUQiang1,2,ZHANGZhainan1,2（1.School of Mining Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China;2.State Key Laboratory of Mining Response andDisaster Prevetion and Control in Deep Coal Mines,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China）Abstract:Thisstudyfocusedonthestabilitycontrolofroofinlongwallstratifiedminingoflargedipanglethickcoalseam.TakingPan-beiCoalMineinHuainanasanexample,theeffectmechanismofwatercontent,compressionratioandgrainsizegradingonthecompres-sioncharacteristicsofgangueisanalyzedbycomprehensiveapplicationofganguelateralcompressiontest,3Dimagingboreholedetec-tiontest,physicalsimulationandnumericalsimulationmethod.Inaddition,theeffectofthesefactorsonthestabilityofthereclaimedroofwerealsoanalyzed,thestructuralcharacteristicsandstressstateofthereclaimedroofwereobtained,thedynamicbehaviorofthere-claimedroofwasrevealed,thestabilitycontrolmeasuresofthereclaimedroofwereformulated,andthecontroleffectofthereclaimedroofstabilitywasevaluated.Theresearchresultsindicatethattheclaymineralsofgoafmudstoneandsandymudstonearebeneficialforthesecondarycementationofgangue.Thecontactstateandstressstateofthegangueduringcompressionunderloadareconstantlyadjus-ted,manifestedasthecompressionandbondingdegreeofthelowerandupperganguebeinghigherthanthatofthemiddle,withthecom-pressionandbondingdegreeofthemiddleandupperganguebeingthesmallest,andtheregeneratedroofbeingmorepronetodamage.The收稿日期：20230301责任编辑：朱恩光DOI：10.13199/ki.cst.2023-0334基金项目：中国博士后科学基金面上资助项目(2022M721296)；安徽理工大学高层次引进人才科研启动基金资助项目(2021yjrc10)作者简介：池小楼（1992），男，山东菏泽人，讲师，博士。E-mail：通讯作者：杨科（1979），男，四川叙永人，教授，博士。E-mail：第51卷第6期煤炭科学技术Vol.51No.62023年6月CoalScienceandTechnologyJun.2023采矿科学与工程池小楼，杨科，付强，等.大倾角厚煤层走向长壁分层开采再生顶板力学行为与稳定控制J.煤炭科学技术，2023，51（6）：110.CHIXiaolou，YANGKe，FUQiang，et al.MechanicalbehaviorandstabilitycontrolofregeneratedroofinlongwallstratifiedminingofthicksteeplydippingcoalseamJ.CoalScienceandTechnology，2023，51（6）：110.1particlesizedistributionofgangueisthemainfactoraffectingtheshearstrengthofrecycledroof.Astheparticlesizeoftheganguein-creases,theregeneratedroofexhibitsductilefailurethatslidesalongtheshearlinetothestaggeredandbulgingofthegangueparticles.Thatis,thedegreeofminingfractureinthelowerpartoftheregeneratedrooftendstobemilderthaninthemiddleandupperparts,andthemiddleandupperpartsarethekeypreventionandcontrolareasforthestabilitycontroloftheregeneratedroof.Thedeflectionofthemainstresscanleadtothefractureoftheregeneratedroof,soaplanforthecollapseoftheregeneratedroofandthegrouting.Key words:steeplydippingthickcoalseam；repeatedmining；regeneratedroof；stratifiedmining；surroundingrockcontrol0引言大倾角（3555）厚煤层广泛分布于我国各大矿区，且 60%以上为优质焦煤或无烟煤，在我国煤炭资源开发中占据相当大的比例1。受大倾角厚煤层开采与非开采因素交互影响，以两淮矿区为典型代表赋存大倾角、厚（46m）、松软（普氏系数 f=0.10.8）、高瓦斯（相对瓦斯涌出量 1036m3/t）和高承压富水松散层特征的难采煤层，常采用走向长壁分层开采2-3。区别于一次采全高，分层开采过程中的顶板漏冒、煤壁片帮、支架倒滑和飞矸伤人等灾害更为频繁，且较难控制4-7。对于下分层而言，再生顶板稳定性亦是大倾角厚煤层安全高效分层开采的核心问题，在我国部分矿井已是当务之急。因此，实现大倾角厚煤层安全高效分层开采对保障我国“易采”与“难采”煤炭资源并行可持续开发具有重要意义。在厚煤层分层开采中，上分层采空区矸石在上覆岩层载荷作用下逐渐压实，胶结成具有一定强度的再生顶板8-9。矸石压实胶结能力直接影响再生顶板强度，因此，分析多种因素影响下的矸石压缩特性，获得再生顶板胶结强度参数及其重复采动后的力学行为特征，将是保障下分层再生顶板稳定性的关键。目前矸石侧限压缩特性研究主要集中在采空区充填开采领域10，有关专家学者通过建立考虑矸石粒径和多种颗粒介质及接触界面的颗粒流模型11-13，发现多数力链集中在较大矸石颗粒单元附近，形成“骨架力链”现象，裂纹亦主要产生在较大矸石颗粒单元周围，揭示了矸石骨料和胶结材料等因素对矸石在承载过程中瞬时与蠕变压缩变形的影响机制14。下分层开采迫使再生顶板结构活化，相较于完整岩体在不同应力路径与加载围压条件下的强度特征、变形参数和破坏模式，再生顶板破断力学参数与矸石粒径级配等因素存在密切联系15。综上所述，众多学者研究了矸石压缩过程中的强度与变形特征，得到了系列压实参数随时间等变化规律。但大倾角厚煤层走向长壁分层开采中，上分层顶板垮落矸石在自重倾向分量作用下，沿底板向下滚/滑，形成矸石粒径在采空区倾向“上大下小”的非均匀充填带16，受采空区空间不同区域应力状态与矸石粒径级配等因素影响，再生顶板强度与变形特征的非对称性显著。下分层开采中，在重复采动应力驱动作用下，再生顶板结构二次活化，破断力学参数的区域效应亦将显著。因此，掌握再生顶板压实胶结状态及其采动力学行为将显得尤为重要。笔者首先测定了采空区泥岩和砂质泥岩 2 种岩性矸石的矿物种类及含量，分析微观形态结构；然后采用自制的压缩装置对矸石进行侧限压缩正交试验，分析含水率、压缩率和粒径级配等因素对矸石压缩特性的影响规律，分析各因素对再生顶板剪切破坏的敏感度；最后通过现场钻孔窥视、数值模拟与物理模拟结果综合分析再生顶板采动力学行为，提出再生顶板稳定性控制措施，并进行现场效果评价。1工程概况与矸石矿物成分测定1.1研究工作面条件安徽淮南潘北煤矿 13 号煤层赋存稳定，平均埋深 435m，平均倾角 45，平均厚度 5.5m，普氏系数 f为 0.30.5；煤层顶板依次为厚 2.5m 泥岩、厚 6.8m砂质泥岩，底板为厚 3m 泥岩、厚 4.6m 砂质泥岩，泥岩与砂质泥岩硬度系数较低，平均普氏系数 f 为 3，属于大倾角“三软”煤层。1212（3）工作面东起490m 西翼采区石门，西至十东线附近，南至400m 等高线，北至460m 等高线，工作面东侧为潘北矿工业广场保护煤柱，如图 1所示。上分层 6 年前已回采完毕，平均采高 2.5m，斜长 120m；下分层平均采高 3.0m，斜长 90m，综合机械化采煤方法，全部垮落法管理顶板。1.2采空区矸石矿物成分测定根据现场勘查，上分层采空区主要由岩性为泥岩与砂质泥岩的矸石组成。为了解泥岩和