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薄煤層回采巷道支護技術研究

葉云生

(晉能煤運 臨汾公司，山西臨汾041000 )

摘要晉能煤運臨汾公司金源達煤業(yè)31118工作面下副巷為薄煤層回采巷道，當采用工字鋼棚對棚支護時，經(jīng)常出現(xiàn)頂梁破斷，棚腿扭曲這些典型的結構性失穩(wěn)現(xiàn)象，因此，提出了棚索耦合支護方式，并采用FLAC數(shù)值模擬軟件進行模擬。結果表明，棚索耦合支護能很好地改善圍巖應力狀態(tài)，圍巖控制效果顯著。工業(yè)化試驗結果表明：棚索耦合支護能夠有效地控制巷道圍巖變形，巷道支護效果良好。

關鍵詞薄煤層；對棚支護；數(shù)值模擬；棚索耦合

收稿日期：2014-12-12

作者簡介：葉云生(1966—)，男，山西臨汾人，1989 年畢業(yè)于山西礦業(yè)學院，工程師，主要從事煤礦設計技術工作

中圖分類號：TD353

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)01-0025-03

AbstractStructural instability phenomenons such as fracture of top beam and deformation of shelve legs usually occurres when H-shape steel shelve supporting is applied on thin seam mining roadway in Jinyuanda coal company 31118 working face auxiliary lane. Therefore, the supporting way of shed and cable coupling is put forward, and FLAC numerical simulation soft is adopted to simulate. The simulation results show that the supporting way of shed and cable coupling can improve the state of surrounding rock stress, and the effect of controlling surrounding rock is remarkable. The industrial test results also show that shed and cable coupling supporting can effectively control the deformation of surrounding rock, thus the effect of supporting roadway is satisfactory.

晉能煤運臨汾公司金源達煤業(yè)2#煤層平均厚度1.23 m，為瓦斯礦井，為保障巷道實現(xiàn)快速掘進，二3煤層31118工作面標高約-195 m，實際埋深320 m左右，工作面地質條件較為簡單，切眼附近發(fā)育1條SF14正斷層，受斷層影響可能有次級斷層或褶曲發(fā)育，局部煤層底板起伏較大，回采巷道設計采用工字鋼棚進行支護，巷道選用梯形斷面。

1巷道支護現(xiàn)狀

當采用梯形支架時，若支架頂梁與柱腿搭接部位為剛性連接，則該處承受的彎曲應力最大，是整個承載結構變形破壞的突破口。在實際使用過程中，該部位采用“嵌入”形式進行搭接，對支架頂梁、柱腿承受的彎曲應力分布規(guī)律影響較小，雖從一定程度上降低了搭接部位承受的應力，但梯形支架整體穩(wěn)定性大幅度降低，同時使得實際使用過程中支架頂梁和柱腿都容易成為支架失穩(wěn)、破壞的突破口(見圖1)。梯形斷面雖然是一種常用的斷面形式，但支護結構穩(wěn)定性較差，實際使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)頂梁破斷，棚腿扭曲這些典型的結構性失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，雖然二3煤層實際厚度不大且回采巷道多為半煤巖巷，但在支護設計中也必須考慮支護結構穩(wěn)定性這一關鍵因素。

圖1　梯形工字鋼棚巷道破壞狀況圖

2 棚索耦合支護的提出

棚索耦合支護是將工字鋼棚與錨索兩種支護構件耦合為一體的支護方式，在梯形巷道中采用的是工字鋼棚+錨索耦合支護，該支護方式以工字鋼棚作為基本支護，同時在巷道的合理位置安裝錨索，以實現(xiàn)對工字鋼支架的結構補償，進而提高支護承載結構的整體穩(wěn)定性，達到控制巷道圍巖變形的目的。

棚索耦合支護方式的優(yōu)點：1) 能充分利用工字鋼支架所提供的較高支護阻力，在巷道圍巖淺部形成可靠的承載結構，有效改善巷道淺部圍巖所處的應力環(huán)境，提高破碎巖體的殘余強度。2) 通過錨索的主動支護作用，充分發(fā)揮深部穩(wěn)定巖體的承載能力，并在合理位置實現(xiàn)對工字鋼支架的結構補償，使工字鋼支架支護和錨索支護二者耦合為一體，提高支護承載結構的整體穩(wěn)定性，從而有效控制巷道圍巖的變形。

從巷道快速掘進方面來考慮，相比工字鋼棚支護，棚索支護僅僅多了1道錨索施工工序，雖然錨索的施工難度較大，且耗費時間較多，如果將錨索支護時間也放入掘進循環(huán)中，掘進速度必然受到極大的影響，但是由于掘進機切割后的巷道已經(jīng)進行了工字鋼棚支護，很大程度地提高了頂板的穩(wěn)定性，施工過程中基本不會出現(xiàn)頂板煤巖垮落傷人的情況。因此，錨索支護可以安排到后期掘進循環(huán)中掘進機割煤的時間里進行，支護作業(yè)可由當班輔助工來完成，這樣，采用棚索耦合支護時一個掘進循環(huán)的時間實際上與工字鋼棚支護相同，實現(xiàn)了錨索支護與掘進機割煤共同作業(yè)。與錨網(wǎng)支護相比，其掘進速度得到較大提高，保證了巷道快速掘進。與此同時，巷道圍巖變形也得到了有效控制。由此可見，采用棚索耦合支護實現(xiàn)巷道快速掘進其優(yōu)點非常明顯。

3棚索耦合支護數(shù)值模擬研究

根據(jù)晉能煤運臨汾公司金源達煤業(yè)31118工作面下副巷實際地質采礦條件及模擬分析的重點，綜合考慮相關因素，建立FLAC2D數(shù)值模型尺寸為60 m×40 m，共劃分240×160個單元格，模型網(wǎng)格總數(shù)為38 400，31118工作面下副巷實際埋深約320 m，取上覆巖層容重26 kN·m-3，計算可得垂直應力等于8.3 MPa.本次模擬設定模型左右邊界為支承邊界，下邊界為固定邊界，上邊界為應力邊界，施加8.3 MPa的垂直應力，等效上覆320 m厚巖層壓力。本次模擬主要研究薄煤層回采巷道，分別在無支護、巷道工字鋼棚支護、錨網(wǎng)支護以及棚索耦合支護4種條件下的巷道圍巖穩(wěn)定性。巷道圍巖塑性區(qū)分布狀況示意圖見圖2.

從圖2a)可以看出，無支護狀態(tài)下，巷道掘出后，原本處于穩(wěn)定狀態(tài)的巖體受到擾動，巷道圍巖體由彈性狀態(tài)轉變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，兩幫、頂板以及底板的塑性區(qū)發(fā)育范圍分別達到2 m、2.5 m、3 m，塑性區(qū)發(fā)育范圍較大；巷道周圍巖體出現(xiàn)了不同程度的剪應力破壞，且剪應力破壞區(qū)范圍較大，造成巷道圍巖出現(xiàn)不同程度的剪脹變形，同時圍巖原有節(jié)理裂隙更加發(fā)育，促使巖體強度進一步降低；巷道兩幫和頂板淺部圍巖出現(xiàn)了拉應力破壞，由于巖體抗拉強度遠小于抗壓強度，巖體中一旦出現(xiàn)拉應力區(qū)，該區(qū)域往往會最先破壞，成為巷道變形最嚴重的區(qū)域，這使得巷道幫部和頂部圍巖最先發(fā)生變形，并最終導致巷道整體出現(xiàn)變形破壞。

a) 無支護

b) 工字鋼棚支護

c) 錨桿支護

d) 棚索耦合支護

采用工字鋼棚支護后，巷道圍巖剪應力破壞區(qū)范圍有所減小，其中底板和頂部縮小尤為明顯，但巷道兩幫圍巖的剪應力破壞區(qū)范圍仍然較大；錨網(wǎng)支護時，巷道圍巖的剪應力破壞區(qū)縮小明顯，但是底板靠近兩幫位置剪應力破壞區(qū)仍然較大，而幫部和頂板圍巖的剪應力破壞區(qū)主要集中在淺部圍巖體；棚索耦合支護巷道圍巖的剪應力破壞區(qū)分布與工字鋼支護時較為相似，但兩幫中部剪應力破壞區(qū)范圍相對較大，同時頂?shù)装鍘r體基本不存在剪應力破壞。

工字鋼棚支護時，巷道圍巖拉應力破壞區(qū)主要集中在巷道底板靠近兩幫位置，頂板和兩幫則基本沒有出現(xiàn)拉應力破壞區(qū)；采用錨桿支護時，拉應力破壞區(qū)主要出現(xiàn)在幫中上部；而在棚索耦合支護條件下，巷道圍巖基本不存在拉應力破壞。

通過以上分析可以看出，與工字鋼棚支護相比，棚索耦合支護對控制圍巖塑性區(qū)發(fā)育的效果較好；相比錨桿支護，在減小巷道圍巖剪切屈服和拉應力破壞范圍方面，棚索耦合支護效果較好。

4支護方案及支護效果

快速掘進巷道，不僅要保證最大的進尺，更為重要的是確定合理的支護形式，保證巷道后期的正常使用。如果只追求進度，一旦后期巷道變形較大，則很可能陷入“前掘后修”的惡性循環(huán)中，不僅浪費大量的人力財力，而且影響煤礦正常的安全生產(chǎn)。通過采用有效的支護技術，合理安排支護工序，保證巷道的快速掘進，即在提高巷道掘進速度的同時，采用結構穩(wěn)定型支護技術，有效控制巷道圍巖變形。31118工作面下副巷快速掘進支護技術方案如下：

以12#礦工鋼棚作為基本支護，在巷道圍巖表面形成可靠的承載結構，同時采用帶梁錨索進行結構補償以提高支護承載結構的穩(wěn)定性，使巷道的支護強度大大提高，從而有效控制巷道圍巖變形。斷面支護參數(shù)為：首先以礦工鋼棚作為基本支護，頂梁長度為3 200 mm，棚腿長度為2 800 mm，棚距為1 000 mm，鋼筋網(wǎng)與網(wǎng)搭接100 mm，每隔300 mm用鐵絲扎牢。然后實施結構補償錨索，錨索采用d17.8 mm×6 000 mm1860 鋼絞線，為相對減少支護作業(yè)時間，錨索布置采用A、B兩種斷面相間布置，其中斷面A布置3根，頂板中部1根，兩幫距巷道底板1 300 mm處各布置1根，斷面B共布置4根，頂板2根，間距1 600 mm，兩幫距巷道底板300 mm處各布置1根。

巷道采用棚索耦合支護方式后，巷幫和巷頂圍巖變形均得到有效控制，兩幫最大位移量僅為62 mm，且頂?shù)装逡平恳矁H為19 mm，這說明棚索耦合支護能夠有效地控制巷道圍巖變形，巷道支護效果良好。

5結論

梯形斷面雖然是一種常用的斷面形式，但支護結構穩(wěn)定性較差，實際使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)頂梁破斷，棚腿扭曲這些典型的結構性失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，雖然二3煤層實際厚度不大且回采巷道多為半煤巖巷，在支護設計中也必須考慮支護結構穩(wěn)定性這一關鍵因素。數(shù)值模擬結果表明：與工字鋼棚支護相比，棚索耦合支護對控制圍巖塑性區(qū)發(fā)育的效果較好；相比錨桿支護，在減小巷道圍巖剪切屈服和拉應力破壞范圍方面，棚索耦合支護效果較好。31118工作面下副巷采用棚索耦合支護后，巷幫和巷頂圍巖變形均得到有效控制，兩幫最大位移量僅為62 mm，且頂?shù)装逡平恳矁H為19 mm，這說明棚索耦合支護能夠有效地控制巷道圍巖變形，巷道支護效果良好。

參考文獻

[1]荊升國.高應力破碎軟巖巷道棚-索協(xié)同支護圍巖控制機制研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2009.

Study on Supporting Technology of Mining Roadway in Thin Seam

YE Yunsheng

Key wordsThin seam; Shelve supporting; Numerical simulation; Shed and cable coupling

·試驗研究·