11、緒論2、頂板瓦斯高抽巷的采動變形特征3、頂板瓦斯高抽巷底鼓的力學機理分析4、頂板瓦斯高抽巷優化布置研究

5、頂板瓦斯高抽巷抽采性能優化研究6、主要結論匯報提綱2

在高瓦斯礦區的煤層群條件下，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成。以陽泉礦區為例，該礦區采用綜放開采的工作面均布置在最下方的15號煤層中，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濃度，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常用的鄰近層卸壓瓦斯抽采方式。其走向與工作面的推進方向基本平行，與煤層頂板的垂距為50~60m。

4

應用情況：陽泉礦區

研究現狀：

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

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入，因此對高抽巷的采動變形規律缺乏系統研究，更無法掌握高抽巷布設的最佳空間位置，其設計和支護主要依靠現場經驗，這些都制約了高抽巷的使用效果。一、緒論

２、國內外研究現狀5

采用數值模擬，明確以走向高抽巷為代表的頂板巷道的采動變形破壞特征；（怎樣破壞？）通過力學建模分析，從理論角度解釋頂板巷道的破壞機理，明確采動過程中高抽巷的破壞規律；（為什么？）基于采動裂隙分布的O形圈理論，以K8206工作面為試驗點，在采動裂隙帶內優化各層位，提出高抽巷在各個層位的優化方案。（怎么辦？）一、緒論

３、研究內容與方法6１、試驗工作面的生產地質條件

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

8２、建立數值模型

二、頂板瓦斯高抽巷的采動變形特征高抽巷破壞過程的簡化原理

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

建立數值模型

70m10二、頂板瓦斯高抽巷的采動變形特征圖2-6高抽巷圍巖劃分細砂巖粗砂巖石灰巖11二、頂板瓦斯高抽巷的采動變形特征圖2-7高抽巷現有支護方案高抽巷的支護與開挖

12測點與測線布置

二、頂板瓦斯高抽巷的采動變形特征圖2-8測線與測點布置

13

3、高抽巷變形破壞分析

二、頂板瓦斯高抽巷的采動變形特征頂底板相對移近量兩幫相對移近量宏觀破壞情況圍巖水平應力

評價指標:

通過對上述指標的綜合分析，總結高抽巷采動變形規律，明確高抽巷變形破壞的主要影響因素。14

頂底板相對移近量二、頂板瓦斯高抽巷的采動變形特征（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變形特征（b）高抽巷位于采空區后方20、40m16二、頂板瓦斯高抽巷的采動變形特征（c）高抽巷位于采空區后方60、80m表2-3頂底板相對移近量一覽表

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變形特征圖2-11頂底板最大相對移近量曲線高抽巷位于采空區后方80m高抽巷位于采空區后方40m18二、頂板高抽巷的采動變形特征表2-4兩幫相對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%

兩幫相對移近量表2-14兩幫相對移近量曲線

19

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

（e）位于采空區后方40m（f）位于采空區后方60m（g）位于采空區后方80m（h）位于采空區后方100m21二、頂板高抽巷的采動變形特征表2-5高抽巷有效面積一覽表距高抽巷/m-70-400406080100120140頂底板變形/%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

兩幫的水平應力分析

二、頂板瓦斯高抽巷的采動變形特征1）左幫測線的水平應力分布圖2-17左幫水平測線的采動水平應力變化水平應力4.02Mpa9.37Mpa23二、頂板高抽巷的采動變形特征圖2-18右幫水平測線的采動水平應力變化

2）右幫測線的水平應力分布

3.97Mpa8.39Mpa水平應力24

頂底板測線的水平應力分布

二、頂板高抽巷的采動變形特征1）頂板測線的水平應力分布

由圖可知，頂板上方7m范圍內為應力降低區，該范圍內頂板的水平應力分布趨勢基本相同。各測點的原始水平應力平均12.43Mpa，當高抽巷位于采空區后方80m、120m時，水平應力銳減至1.08Mpa，處于充分卸載狀態。頂板方向水平應力原始應力采動應力25二、頂板高抽巷的采動變形特征2）底板測線的水平應力分布

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

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，高抽巷位于采空區后方的斷面面積不斷縮小。高抽巷位于采空區后方80m時，斷面嚴重收縮，高抽巷位于采空區后方140m時，斷面基本閉合。

2）高抽巷底鼓過程分三個階段：(a)緩慢底鼓階段。高抽巷位于采空區40m之前，底鼓量較小；(b)劇烈底鼓階段。高抽巷位于采空區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80m后，底鼓緩慢增加直至巷道基本閉合。

3）采動過程中，高抽巷兩幫和底板水平應力顯著增加，而頂板水平應力明顯降低。27三、高抽巷底鼓的力學機理分析

巷道底鼓的類型與機理分類:擠壓流動性底鼓、撓曲褶皺性底鼓、剪切錯動性底鼓。圖3-1擠壓流動性底鼓28三、高抽巷底鼓的力學機理分析

圖3-2撓曲褶皺性底鼓

圖3-3剪切錯動性底鼓29三、高抽巷底鼓的力學機理分析

高抽巷底鼓的機理

高抽巷的頂板和兩幫支護良好，底板的強度相對較弱，受下部15#煤層采動影響，兩幫和底板一定深度內的水平應力顯著增加。根據前人研究成果，這種因采動而產生的應力變化，稱之為“二次水平應力”。二次水平應力對拉應變區已離層的底板巖層的作用過程相當于位移加載過程，不但使破碎底板巖石產生較大的結構效應，而且使相對完整的底板巖層產生離層屈曲而導致底鼓。根據數值模擬所得高抽巷的底鼓特征，參照各類底鼓的機理，高抽巷的底鼓應屬于撓曲褶皺性底鼓，如圖3-4。30三、高抽巷底鼓的力學機理分析

高抽巷底鼓示意圖圖3-4高抽巷底鼓示意圖

31三、高抽巷底鼓的力學機理分析

高抽巷底鼓的力學分析

圖3-5層狀巖體受縱向應力作用示意圖

32三、高抽巷底鼓的力學機理分析

底板整體抗彎剛度計算式為:

式中，t為巖層厚度

底板離層后，各巖層不再是一個整體，則單個分層的抗彎剛度為：

顯然，單個分層的抗彎剛度遠遠小于整個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系。因此，底板各分層在水平應力的作用下，更容易被壓曲和破壞。33三、高抽巷底鼓的力學機理分析

臨界載荷的計算

臨界應力狀態下，t1巖層的內力為：

底板巖層的壓曲臨界載荷取決于底板分層厚度t、彈模E、長寬比λ。底板分層厚度

t、彈模E越大，臨界載荷就越大。

當二次水平應力滿足上式時，底板就產生屈曲；如二次水平應力進一步增大，達到底板巖層的屈服極限時，底板將被折斷。34三、高抽巷底鼓的力學機理分析

高抽巷的支護原理

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定性之間呈三次方關系，分層厚度越小，即抵抗彎曲變形的能力越弱，越容易發生屈曲破壞。如果將底板中多層不穩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。控制底鼓的技術

35三、高抽巷底鼓的力學機理分析

底角錨索加固（a）加固之前（b）加固之后36三、高抽巷底鼓的力學機理分析

（a）加固之前（b）加固之后37三、高抽巷底鼓的力學機理分析

（a）底板是細砂巖（b）底板是泥巖

選擇合適的層位38三、高抽巷底鼓的力學機理分析

本章小結1）在明確高抽巷底鼓破壞特征的基礎上，建立了高抽巷采動破壞的力學模型。分析表明，采動過程中高抽巷兩幫和底板的水平應力持續增加，導致高抽巷底板離層，強度降低，發生底鼓破壞。

2）從高抽巷的破壞機理入手，有針對性地提出了合理控制高抽巷變形的工程措施，并通過數值模擬手段進行驗證。39四、頂板瓦斯高抽巷優化布置1、采動覆巖移動理論基礎

（1）采場頂板覆巖移動規律圖4-1上覆巖層移動破壞的“橫三區”與“豎三帶”40四、頂板瓦斯高抽巷優化布置（2）采動裂隙分布的O形圈理論

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

圖4-6覆巖采動裂隙分布圖采動裂隙分布情況100.767.542四、頂板瓦斯高抽巷優化布置高抽巷布設依據

高度方向：應布置在33m~100.7m的采動裂隙帶內。結合K8206綜合柱狀圖，按照10~15m為一個層位，采用以下3組層位，距15煤層頂板分別為60m、70m、85m。

水平方向：對于每個層位，以頂板裂隙卸壓角為外邊界，采動裂隙的O形圈為內邊界，在水平方向上又可劃分詳細方案。

圍巖巖性規定：為了消除圍巖巖性對高抽巷采動變形的影響，圍巖巖性作如下規定：頂板為3m石灰巖，底板為3m細砂巖，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簡化為：垂直層位、水平位置。

43四、頂板瓦斯高抽巷優化布置判斷指標頂底板相對移近量兩幫相對移近量巷道宏觀變形情況

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

（a）高抽巷距回風巷40m（b）高抽巷距回風巷60m

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

距回風巷/m40608090110頂底板最大變形/%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，高抽巷最佳布設位置是距回風巷40~60m。49四、頂板瓦斯高抽巷優化布置

（a）高抽巷距回風巷40m（b）高抽巷距回風巷70m

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

表4-3高抽巷有效面積一覽表距回風巷/m40607090110130頂底板最大變形/%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巷40~70m之內，一旦大于該值，巷道將發生嚴重底鼓。

51四、頂板瓦斯高抽巷優化布置

（a）高抽巷距回風巷60m （b）高抽巷距回風巷80m

（c）高抽巷距回風巷90m （d）高抽巷距回風巷110m85m層位

52四、頂板瓦斯高抽巷優化布置

表4-10高抽巷有效面積一覽表

通過上述頂底板、兩幫變形分析可知，在該層位高抽巷的最佳布置位置是距回風巷60~90m之內。距回風巷/m608090110頂底板最大變形/%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、頂板瓦斯高抽巷優化布置本章小結

基于采動裂隙分布的O形圈理論，以K8206工作面為試驗點，在采動裂隙帶內優化高抽巷的布設層位。結論如下：（1）在60m層位，各方案中頂底板相對移近量最大值為1.419~2.037m，高抽巷的斷面閉合率為49.486~69.386%。高抽巷最佳布設位置是距回風巷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巷40~70m之內，一旦大于該值，巷道將發生嚴重底鼓。（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巷60~90m之內。54五、瓦斯高抽巷抽采性能優化研究試驗工作面概況

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圖

ⅠⅡ56五、瓦斯高抽巷抽采性能優化研究高抽巷抽采性能分析

圖5-3抽采負壓與抽采混合量和抽采濃度之間的關系圖