覆盖岩石的结构特征分析与跨越废弃巷道的长壁脸，案例研究

摘要

为了研究长壁工作面穿越废弃巷道期间超前煤柱失稳破坏和支架破碎事故的发生机理，以盛华煤矿LW3101工作面为典型工程背景。通过现场调查、物理模拟实验、理论分析、现场试验及相关监测方法，对其发生机理及防治措施进行了研究。结果表明，随着超前煤柱宽度的逐渐减小，超前煤柱中的承载力积累越来越大，同时，在一定的最小临界宽度条件下，上覆岩层中的关键层也会发生滑动失稳；超前煤柱突然破坏，导致弯矩急剧增大，是导致长壁工作面前方主顶板断裂的关键因素，将超前煤柱的应力状态由二维状态改为三维状态，可防止主顶板超前断裂；采用充填废弃巷道的方法改善了超前煤柱的稳定性，相应的监测结果验证了该方法的有效性。研究结论为防止长壁工作面穿越废弃巷道条件下的煤柱失稳破坏和支护破碎事故提供了理论依据和新的指导。

1.介绍

近年来，随着中国煤炭资源的融合，许多属于城镇和个人的小型煤矿已经合并。随着这些小型煤矿中的煤层以前已经开采，煤层留下了许多废弃的道路。在新的煤矿在整合后开采期间，采矿面将在采矿过程中跨越废弃的道路。当一个挖掘巷道穿过被遗弃的道路时，如何维持采矿面的周围岩石稳定性，并且废弃的巷道是关键因素[1，2]。随着采矿面向废弃的道路进步，它们之间的先进煤柱之间的宽度逐渐降低，但先进的煤柱上的轴承应力逐渐增加，然后很容易诱导先进的煤柱不稳定失败并支持破碎事故．

奥勒等人。[3.]总结了矿山开采活动期间发生的130多起矿压事故，总结出两种典型的巷道破坏机理：一种是直接顶板失稳破坏引起的冒顶事故，另一种是主采场失稳破坏引起的顶板周期性来压事故的；徐等人[4]建立了废弃巷道上方主顶板的力学模型，揭示了废弃巷道上方主顶板的稳定性机理;Liu等[5]分析了过废巷道前、过废巷道和过废巷道后不同开采阶段的矿压行为，分析总结了相应的顶板断裂机理;李等人[6]分析了矿井压力在废弃的道路时期的表观特征，得出结论，先进的煤柱，废弃道路的规模，轴承介质的强度是影响工作面应力分布的主要因素;Liu等[2]研究了长壁工作面穿越多条废弃巷道的全过程，详细分析了主顶板的破坏机理，同时提出了相应的加固支护机理；Cheng等人[7研究了一种新型充填材料的物理力学性能，分析了废弃巷道充填材料充填后先进煤柱的力学性能。

许多学者对先进煤柱的破坏机理进行了一定的研究，并提出了一系列相应的对策。这些学者还从巷道支护设计和现场实践的角度研究了支护技术与覆岩活动规律的关系，并提出了切实可行的防治措施[8- - - - - -11]。然而，此类开采条件下覆岩裂隙特征演化的实验研究和覆岩结构稳定性演化的实验研究较少。特别是在这种开采条件下，没有对主顶板的超前断裂及其后续的滑动失稳进行详细研究。因此，本文采用物理模拟实验的方法，分析了长壁工作面穿越废弃巷道的过程，并根据物理模拟实验的结果，详细研究了相应的主顶板超前破坏机理。随后，基于弹性地基梁理论，详细研究了超前煤柱宽度与废弃巷道宽度的相对关系，并根据垂直应力和水平应力的不同值研究了废弃巷道不同的回填方法。研究结论可为长壁工作面穿越废弃巷道期间的事故预防提供理论基础和新的指导。

2.地质概况

２.１.采矿与工程地质条件

本文基于山西盛华煤矿LW3101盘区与废弃巷道的关系进行了分析。该矿生产能力批准为30 Mt /年，主要可采煤层为3号煤层。由于3号煤层平均厚度约为6.5 m，直接开采高度约为2.2 m。因此整个煤矿的长壁工作面采用综放法开采。LW3101盘区平均埋深约210 m，宽度约84 m，属于浅埋煤层长壁开采技术。由于3号煤层以前曾被非法小煤矿开采过，3号煤层还留有几条废弃巷道。在开采LW3101采空区时，发现采空区前面有几条横穿该采空区的废弃巷道。LW3101面板与废弃巷道空间位置关系如图所示1．

2．2.现场调查

在LW3101采矿期间发现了几条被遗弃的道路，这些废弃的道路严重变形甚至不可能，因为它们已经被遗弃了很长时间。原位调查照片如图所示2．

从图中可以看出2(一个)在驾驶期间发现了典型的废弃的巷道（I），这种被遗弃的道路的入口状况良好。在这个被遗弃的道路的入口处没有煤炭和岩石堆积，这意味着当面板LW3101先进时，可以容易地识别长壁面和废弃道路之间的距离。从图中可以看出2 (b)典型废弃巷道(II)在行驶期间不易找到，且该废弃巷道入口条件较差。该废弃巷道入口存在煤岩体堆积，即LW3101盘区超前时，长壁工作面与废弃巷道之间的距离不易识别。例如，由于某废弃巷道未及时识别，当长壁工作面推进到该废弃巷道附近时，超前煤柱无法承受较高的承载应力，立即失去稳定性。当长壁工作面与废弃巷道距离约12 m时，发生了严重的煤柱失稳破坏事故。本次重大事故现场勘查照片及示意图如图所示3.．

根据图3（c）可以看出，先进的煤柱中的轴承应力累积越来越大，同时，先进的煤柱的宽度越来越小。最后，先进的煤柱不会在一些临界宽度下承受覆盖压力的急剧增加，并且上覆岩石将是滑动不稳定的。覆盖岩石的滑动不稳定将形成强大的动力载荷，并且还将应力施加到先进的煤柱，这将同时形成高浓度的静载荷。组合的动态和静态载荷是诱导严重事故的关键因素，液压支架和先进的煤柱不稳定失败的损坏是这种严重事故的外观特征。

3.物理仿真实验分析

3.1。建立二维模型

将矿井的实际原型按一定的缩尺制作成模型，该模型中合成材料的物理力学性质与天然煤岩体的物理力学性质相似，用该模型模拟实际开采环境，最终模拟变形、破坏和破坏观察该模型的上覆岩层运动规律。根据模型驱动和开采阶段的观察结果，可以推断实际开采活动中发生的情况。上述一系列操作过程称为物理模拟实验方法[12- - - - - -14]。物理模拟实验方法广泛应用于采矿活动中，是分析开采过程中覆岩结构特征的有效方法。因此，本文将该方法应用于LW3101盘区开采期上覆岩体结构特征分析。该模型中合成材料的物理力学性能可由表确定1．

二维模型按1:30的比例建立，具体尺寸为3.0 m × 2.0 m × 0.2 m(长×高×宽)。合成材料由砂、碳酸钙、石膏粉在不同配比下组成，不同配比的砂、碳酸钙、石膏粉、合成材料中的石膏粉均根据天然煤岩的物理力学性质确定，云母片用于不同岩层或煤层与岩层之间的分层。最终建立二维模型，如图所示4．

注意我为宽度为6.6 m的废弃巷道，ii为宽度为12.0 m的废弃巷道，iii为宽度为6.6 m的废弃巷道，iv为宽度为2.2 m的废弃巷道。

根据图4(a)根据LW3101盘区采矿和工程地质条件，在二维模型中建立了4条废弃巷道(i ~ iv)。沿LW3101盘区推进方向，4条废弃巷道的宽度依次为2.2 m、6.6 m、12.0 m和6.6 m，并在煤层中设置10个压力单元(1# ~ 10#)监测LW3101盘区开采期间的应力演化规律。压力电池(如图所示4（d） ）通过穿过模型背面的一些信号线连接到压力接收器（如图所示）4（b） ），并在该二维模型建立期间将压力单元埋入煤层中。物理模拟支持（如图所示4(e)二维模型中所采用的均由支架控制和电阻数据接收系统控制(如图所示)4(c))，并将相应的监测数据反馈至本系统。在二维模型中，物理模拟支架在开采过程中利用人工提供的水平推力沿推进方向移动。

3.2。实验结果分析

在该模型的长壁工作面推进过程中，当长壁工作面推进到离废弃巷道(ii)较近时，超前煤柱在某一最小临界宽度条件下突然失稳，同时上覆岩层上覆岩体也会发生滑动失稳。长壁工作面向废弃巷道(ii)推进过程如图所示5．

从图中可以看出5(a)当长壁工作面穿过废弃巷道(iii)和废弃巷道(iv)时，上覆岩层中主顶板的断裂滞后于长壁工作面，长壁工作面受到未断悬臂梁的保护。因此，超前煤柱承载压力较小，物理模拟支架的工作阻力仅为5700 kN左右;从图斯那里可以看到5（b） 及5(c)当长壁工作面推进通过废弃巷道时(ii)，超前煤柱在某最小临界宽度条件下突然失稳，同时上覆岩中未破碎的悬臂梁突然断裂，断裂位置在长壁工作面前方。因此，超前煤柱内承载压力较大，物理模拟支护的工作阻力突然增大到12500 kN左右;从图中可以看出5(d)随着长壁工作面后续推进过程，主顶板体梁结构无法保持稳定状态，主顶板及其上软层将发生滑动失稳。此时超前煤柱将失去承载能力，物理模拟支架的工作阻力将继续增大到16200 kN左右，支架容易损坏。

从图中可以看出6（a）当废弃巷道远离长壁工作面时，长壁工作面处于正常推进阶段。主顶板的破坏位置通常位于长壁工作面后方，主顶板破坏时可形成半拱或铰接拱结构。这些结构能够承受上覆岩层的荷载，从而使长壁工作面处于低应力环境。软弱夹层的层所控制的主要屋顶将打破,旋转,与水槽的屋顶与主在一起,而劣质关键层软弱夹层的层上面的屋顶通常落后于主要的失败,然后下关键层之间有一个离层区和软弱夹层的层。因此，离层带下方的软弱夹层可视为主顶板的加载岩层，而离层带上方的亚关键层破碎、旋转、下沉并存在滞回现象，对长壁工作面的推进活动没有影响。此外，根据临界层理论[15]时，由主屋盖关键块组成的半拱或铰接拱结构的前拱脚为主要荷载承重点，物理模拟支撑可防止半拱或铰接拱结构的向下滑动趋势，从而保持其稳定性。

当长壁工作面前方有废弃巷道时，上覆岩石的演化规律和半拱或铰接拱结构的稳定性都会发生变化。由于先进的煤柱的宽度随着长壁面的推进过程逐渐减小到最小临界宽度，所以相应的承载能力也逐渐减小到最小关键轴承载荷。此时，物理仿真支撑件受到先进煤柱的空间关系的限制，然后物理模拟支撑件不能及时支撑先进煤柱的屋顶。最后，主屋顶的故障位置位于长壁面前。当先进的煤柱在最小临界宽度条件下突然变得不稳定时，在瞬时岩石中的半拱形或铰接拱结构的相对稳定性将在瞬间破裂，并且装载层将是滑动不稳定的。然后，液压支撑件的工作电阻将立即增加，甚至液压支撑件在代表位置损坏，如图所示6（b）和6 (c)．

4.先进骨折和预防措施的机制

4.1。覆盖岩石的弯矩

截面实验结果分析3.2研究表明，顶板超前断裂是导致支架破坏事故的关键因素，但究竟是什么因素导致了顶板超前断裂以及如何避免顶板超前断裂目前尚不清楚。众所周知，最大弯矩通常会导致顶板发生断裂。因此，主顶板的断裂位置可以通过最大弯矩来判断，尤其是弹性地基梁理论。16，17]用于进一步计算，煤层和高级煤柱可视为基础。

数字7显示来自面板LW3101的煤样的完全应力 - 应变曲线。煤样品在预破坏区域中压缩压缩，并且一旦超过限制就会失去稳定性。先进的煤柱也具有相同的机械性能。使用Panel LW3101采矿，先进的煤柱上的负荷逐渐增加。增加的压力会导致高级煤柱的大变形，然后是主屋顶的相应大偏转。最后，主屋顶将骨折。为了在这一时期揭示弯矩的进化法，弯曲时刻在预先提出的区域（图中的区域）7)或破坏后区域(图中II区)7)应加以研究。

首先，应假设煤层和先进的煤柱符合Winkler基础模型，如下所示： 在哪里是主屋顶的垂直轴承应力;是基础的垂直位移;是基础模量，值为1 × 10²MPa。

需要注意的是，超前煤柱失稳破坏时，其宽度为0 m，如图8（II区：  ).

数字9显示了主顶板的应力条件和边界条件。

在这个力学模型中，主屋顶被看作是一个悬臂梁。根据Timoshenko解可得到弯曲变形微分方程[18]： 在哪里为主屋面的弹性模量；为主屋盖转动惯量;为超前煤柱宽度;是废弃巷道的宽度。

根据相关文献，一般解可由方程组导出(2) - (4）， 如下： 在哪里 和 ．

由式(5)，有四个系数无法确定，它们确实是一个，B，C,和D,分别。

当当趋于无穷时，的单项表达式等于0。因此可以得到以下关系:

则方程(4)如下:

这很容易知道 ， ，和是代数和 ，这是点上的弯矩和剪力 ，分别。考虑到方程的连续性2和 （3.) 和 ，则方程的通解(2)和(3.)如下:

当弯矩和剪力 和 应该是连续的，因此，唯一的未知参数是米₀，问_0,和N．根据均衡条件和Voussoir光束理论[19，20.]，米₀，问_0,和N如下： 在哪里是主屋顶的负载强度，和 ； 是主屋顶的厚度，还是= 4米;是负荷层的厚度，和= 2米;上覆岩层的单位重量，和= 25 kN / m^3.；是主屋面的抗弯刚度，还是E= 30 GPa,我 = 5.33 m⁴；主屋顶的延伸强度，和= 6 MPa;l上述梁的最大长度是否在主屋盖上l = 7.62 m; and米₀和问₀弯矩和剪力在 ．

基于上述条件，偏转和主屋顶的弯曲力矩下的3种宽度的道路宽度（ ）4种先进煤柱宽度( ），计算结果见图8．(1）根据图8(一个)和8（b），随着巷道宽度的增加(= 0米至= 2米至= 5米至= 10 m)时，主顶板挠度增大，主顶板最大弯矩减小并向长壁工作面移动 = 2. m和= 2 m。（2)根据图8 (e)，偏转导致支撑件的压缩和高级煤柱，该煤柱可以很好地对应于轴承压力的增加和转移的增加。(3）尽管如此= 2, = 2、当超前煤柱假定从未失稳时，随着巷道宽度的增加，弯矩峰值向长壁面移动，就像一把刀切割上覆岩石一样。不发生异常断裂。因此，防止上覆岩层异常断裂的关键是保证超前煤柱的稳定性。(4)至于= 2, = 2, the max bending moment increases and reverses to the long-wall face. Thus, it is hard to avoid an advanced fracture when moving into a narrow roadway. Fortunately, the advanced distance (2.8 m) is not too large when comparing with the mining height of the coal seam (2.2 m).(5）数字8 (d)- - - - - -8 (f)用数字表示另一种形式的数据8(一个)- - - - - -8（c），且随煤柱开采而变化。需要注意的是，一旦超前煤柱宽度减小到0 m ( = 0 我身材苗条8（c）或数字8 (d)- - - - - -8 (f))，主顶板的弯矩和挠度急剧增加。急剧增加的弯矩可能导致位于长壁面前方的主顶板突然断裂。

最重要的是，可以看出，先进的煤柱的突然失效，导致弯曲力矩的急剧增加，这是诱导长壁面前主屋顶骨折的关键因素。如果先进的煤柱的稳定性保持良好，可以防止相应的高级骨折。

4.2。关于最大弯矩的因素讨论

数字10显示弯矩峰值的敏感性及其与采矿面的距离和的变化。可以看出，变化和在假定超前煤柱不失稳的情况下，弯矩峰值及其与长壁面的距离变化不大。然而，当超前煤柱宽度接近0时，峰值和距离急剧增加 m、 这意味着先进的煤柱已经不稳定。因此，在研究超前断裂时，应重视超前煤柱的破坏，并采取措施保持超前煤柱的稳定性。

4．3．异常骨折的影响因素探讨

上述章节讨论了先进煤柱宽度的变化及其对最大弯矩的相应影响。然而，弯矩是否达到极限并导致断裂也取决于主屋顶的悬挂长度。众所周知，异常断裂总是发生在一个周期性的加重期。废弃巷道与主顶板周期性断裂位置之间存在3种相对位置关系，如图所示11．在此基础上，较容易得到超前煤柱破坏后主顶板的实际悬挂长度。

根据图11，上一个主顶周期称重已经完成，下一个主顶周期称重尚未发生。是否发生异常断裂，可以如下图所示:(1）根据图11（a）,可以看出,当累积废弃巷道和先进的煤柱的宽度小于周期性重长度主要的屋顶,屋顶的悬臂长度主要也不到的周期性重长度主要屋顶,即使先进的煤柱稳定和破坏,主顶板不会发生异常断裂。（2)根据图11（b）可以看出，当废弃巷道和超前煤柱的累积宽度大于主顶板的周期称重长度，且主顶板的悬臂长度也大于主顶板的周期称重长度时，而下一个周期称量的主顶板断裂线位于废弃巷道上方，一旦超前煤柱失稳破坏，主顶板就会发生异常断裂。(3）根据图11（c），当下一个主屋顶定期称重的断裂线位于先进的煤柱上方时，主屋顶的悬臂长度大于主屋顶的周期性称重长度。在这种情况下，当先进的煤柱在区域①中稳定并破坏时，主屋顶会遭受异常骨折，当先进的煤柱在区域②中稳定并破坏时，主屋顶不会遭受异常骨折。

4.4。预防方法分析

综上所述，超前煤柱宽度与废弃巷道宽度的相对关系是诱发超前煤柱失稳破坏和支架破碎事故的主要因素，因此，如何提高超前煤柱的稳定性成为预防和控制事故的主要手段对废弃道路进行回填，以预防和控制事故[21，22，如图所示12．

从图中可以看出12当废弃巷道采用不同的回填方法，如木垛、液压支柱和填充材料，将提供相应不同的水平应力( ).特别是当废弃巷道进行充填材料回填时，充填材料会提供更大的水平应力，然后垂直应力差值( ）水平应力( ）改变了。根据图12（b） 根据实验室试验结果，可以看出水平应力越大( ）是，先进的煤柱越稳定，先进的煤柱可以承受更大的垂直压力（ ）此时，充填材料与先进煤柱可视为一个整体，先进煤柱的应力状态由二维状态变为三维状态，先进煤柱将被视为煤层的一部分，后续开采可视为常规开采活动这样，先进的煤柱就不会失去稳定性。

5.现场工业试验

在LW3101工作面后续开采期间，长壁工作面前方仍有多条废弃巷道。这些废弃道路采用回填废弃道路的方法，如图所示13．

从图中可以看出13（a） 当超前煤柱失稳破坏和支架破碎事故已经发生，其余废弃巷道采用充填法处理时，当废弃巷道采用充填材料回填时，a、B浆按1的比例使用 : 1，从图中可以看出13(a)充填体由上下两部分组成。下部为由木材、矸石、煤块和低强度胶结体混合而成的软层。中间部分为硬层，由高强度胶结体组成。充填体不需要对整个废弃巷道进行充填，充填体高度只需维持超前煤柱的稳定性和防止矸石向长壁工作面滚动即可。充填体顶部由落石组成。考虑现场工程地质条件，废弃巷道掘进方向充填体长度不能覆盖整个巷道，此时安全作业长度约为25 m。也就是说，充填体长度为25 m，能够提供水平应力以维持超前煤柱的稳定性，从而使穿越废弃巷道的长壁工作面长度减小。

数字13（b） 及13(c)是由瞄准仪获得的废弃巷道充填体的钻孔窥视照片[23，24，通过这些照片可以判断回填效果。数字13(d)表明该废弃巷道入口也被充填体回填，同时进行了加固措施。数字13（e） 及13（f）表明，在Luch 3101的后续采矿期间回填后，后续煤柱的稳定程度非常好。数字13（g）表明，在Panel LW3101的后续采矿期间监测的液压支撑件的工作阻力变化规律，监测结果表明，监测结果表明，液压支架的最大工作阻力小于3000kN和周期称重长度主屋顶约为10.2-11.6米，这意味着主屋顶不会遭受异常骨折，先进的煤柱永远不会失去其稳定性。

6.结论

(1）当长壁工作面穿越废弃巷道时，上覆岩层的滑动失稳会形成强动荷载，同时超前煤柱也会受到应力，形成高集中静荷载。动、静载荷组合是诱发超前煤柱失稳破坏和支架破碎事故的关键因素。（2)当长壁工作面前方有废弃巷道时，上覆岩石的演化规律和半拱或铰接拱结构的稳定性都会发生变化。由于液压支架受超前煤柱空间关系的限制，上覆岩层中半拱或铰接拱结构的相对稳定性会瞬间破坏，加载岩层会发生滑动失稳。那么液压支架在有代表性的位置就很容易损坏。(3）先进煤柱的突然失效，导致弯曲力矩的急剧增加是诱导主屋顶在长壁面前断裂的关键因素。如果先进的煤柱的稳定性保持良好，可以防止先进的骨折。(4)超前煤柱宽度与废弃巷道宽度的相对关系是诱发超前煤柱失稳破坏和支护破碎事故的主要因素，采用废弃巷道充填法提高超前煤柱的稳定性。将充填材料与超前煤柱视为一个整体，超前煤柱的应力状态由二维状态变为三维状态。(5）现场工业试验表明，充填体不需要对整个废弃巷道进行完全充填，充填体高度只要足够高，即可维持超前煤柱的稳定性，防止矸石向长壁工作面滚动。对LW3101盘区后续开采期间监测的液压支架工作阻力变化规律及监测结果表明，主顶板不会发生异常断裂，超前煤柱也不会失去稳定性。

数据可用性

用于支持本研究结果的所有数据均包含在本文中，并且对数据访问没有任何限制。

的利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

基金资助:国家自然科学基金重点项目(No. 51634001);国家自然科学基金项目(No. 51574243, No. 51404269, No. 51674253)。

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