張占春

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦,山西 呂梁 033602)

5.4m大采高沿空留巷巷內(nèi)頂板加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)值模擬研究

張占春

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦,山西 呂梁 033602)

巷內(nèi)頂板支護(hù)安全可靠是5.4 m大采高沿空留巷成敗的關(guān)鍵。以斜溝煤礦18503工作面下方材料巷為工程背景,在原有3 m寬充填帶支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,選擇5種巷道頂部加強(qiáng)支護(hù)方案,研究不同加強(qiáng)支護(hù)條件下沿空留巷巷道的維護(hù)效果,并且確定最優(yōu)參數(shù)。研究結(jié)果表明:1) 厚煤層大采高開采中采用沿空留巷技術(shù)的方法是可行的,需要巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)共同作用;2) 巷內(nèi)支柱對(duì)于頂板下沉控制是有效的;3)在采高為5.4 m、充填帶為3 m的情況下,巷道頂部采用“2根木支柱、3根單體支柱”加強(qiáng)支護(hù)方案,幫部采用“2根錨索”加強(qiáng)支護(hù)方案。研究結(jié)果可為大采高沿空留巷技術(shù)提供有益的借鑒和參考。

采礦工程；厚煤層大采高；沿空留巷；加強(qiáng)支護(hù)；充填體

煤柱是煤礦開采的萬(wàn)惡之源[1-2]。沿空留巷屬于無(wú)煤柱開采,減少煤炭資源的浪費(fèi),提高煤炭資源的回收率[3-4]。沿空留巷屬于系統(tǒng)工程的范疇,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面已經(jīng)做了大量的研究工作[5-8],但是厚煤層大采高工作面沿空留巷技術(shù)在相關(guān)文獻(xiàn)中鮮見報(bào)道。

沿空留巷的成功實(shí)施是巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)共同作用的結(jié)果[9-11]。巷旁支護(hù)一般是木垛密集支護(hù)或者混凝土高水充填材料等,巷內(nèi)支護(hù)一般采用錨桿錨索作為支護(hù)。由于巷旁支護(hù)還不足以完全對(duì)頂板控制,所以需要在巷內(nèi)進(jìn)行更進(jìn)一步的加強(qiáng)支護(hù)。本文以斜溝煤礦8號(hào)煤層18503工作面為研究背景,對(duì)不同支護(hù)條件下的巷道頂板下沉量、底鼓量、水平變形量、應(yīng)力等進(jìn)行數(shù)值模擬,確定了最佳的支護(hù)方案。

（129）日本光萼苔 Porella japonica Mitt.劉勝祥等（1999）；馬俊改（2006）

1 工作面概況

18503綜采工作面位于15采區(qū)皮帶下山北側(cè),北為礦界煤柱,相鄰保德縣扒樓溝煤礦,東、西兩側(cè)均為實(shí)體煤區(qū)。地面標(biāo)高950 m～1 208 m,工作面標(biāo)高751 m～919 m,蓋山厚度183 m～381 m。工作面可采長(zhǎng)度6 793.5 m,工作面長(zhǎng)度300 m(平距中-中),面積2 003 050 m2。

工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,含1-2層泥巖夾矸,塊狀條帶狀均有。工作面采高2.5 m～6.36 m,平均5.4 m,傾角為7°～11°,平均9°,硬度一般為2～3,視密度為1.37 t/m3～1.46 t/m3,真密度一般為1.46 t/m3～1.51 t/m3,真密度要比視密度稍大。

巷旁支護(hù)采用高水速凝材料機(jī)械化構(gòu)筑巷旁充填體。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,當(dāng)高水速凝材料水灰比 1.5:1 時(shí),1天后充填體單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá) 9.14 MPa。 通過(guò)前面的分析,充填體寬度為 2.0 m 時(shí)圍巖整體控制效果較好。因此,確定充填高度為 2 m,1天充填1次,每次充填 3 m。具體工作面布置見圖1。

圖1 工采區(qū)平面示意圖Fig.1 Schematic plan of mining area

2 數(shù)值模型建立及方案設(shè)計(jì)

2.1 UDEC簡(jiǎn)介

當(dāng)頂部由3根木支柱,3根單體支柱加強(qiáng)支護(hù)的情況下,沿空留設(shè)的巷道在側(cè)向支承壓力作用下,最終巷道的頂板下沉量、底鼓量、煤幫移近量、充填體幫移近量各為357 mm,2 mm,113 mm,33 mm。

2.2 模型建立及方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)狀況,結(jié)合模擬的目的,建立沿空留巷的數(shù)值分析模型及邊界條件如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model

不同加強(qiáng)支護(hù)方案下巷道周邊表面位移如圖3和圖4所示。

當(dāng)頂部由2根木支柱,2根單體支柱加強(qiáng)支護(hù)的情況下,沿空留設(shè)的巷道在圍巖壓力作用下,最終測(cè)得變形量如曲線所示,具體為巷道的頂板下沉量、底鼓量、煤幫移近量、充填體幫移近量各為600 mm,61 mm,252 mm,172 mm。

(3)高級(jí)職稱比例較低。由于同一時(shí)期引進(jìn)的青年教師多，中老年骨干教師部分來(lái)自于母體學(xué)校，部分是從外校引進(jìn)的退休返聘老教師，使得高級(jí)職稱教師的占比偏低。中低級(jí)職稱的青年教師人數(shù)眾多，且需晉升高級(jí)職稱的時(shí)間較為集中，造成獨(dú)立學(xué)院職稱晉升“水漲船高”的現(xiàn)象，進(jìn)一步又增大了青年教師晉升職稱的難度。獨(dú)立學(xué)院的這種高級(jí)職稱人數(shù)少、中低級(jí)職稱及青年教師扎堆晉升的現(xiàn)象，也一定程度上影響了獨(dú)立學(xué)院的轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展。

3 模擬結(jié)果及分析

模型的邊界條件是模型上邊為應(yīng)力約束,給定載荷;左邊界、右邊界和下邊界是位移約束,限制水平方向上的位移;底部邊界限制豎直方向上的位移。通過(guò)模型的計(jì)算確定支護(hù)方案。底部邊界限制豎直方向上的位移。上部加載垂直方向的載荷。

在巷內(nèi)頂板沒(méi)有給予任何加強(qiáng)支護(hù)時(shí),沿空留巷的圍巖應(yīng)力作用下,造成頂板下沉垮落,底板出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。通過(guò)模擬測(cè)得最終頂板的下沉量、底鼓量、煤幫移近量、充填體幫移近量各為2 720 mm,9 038 mm,544 mm,300 mm。

當(dāng)1根木支柱,1根單體支柱加強(qiáng)支護(hù)時(shí),巷道周圍位移矢量依然都指向巷道的中心,并且隨著距巷道周邊距離的增大而減小,煤幫深部距離達(dá)到7 m時(shí),位移矢量就變得很小了,一般只有40 mm左右。單體支柱承擔(dān)一部分應(yīng)力,減小了頂板的變形。

從價(jià)值根源上分析，“課程思政”的理念之所以能夠產(chǎn)生并指導(dǎo)當(dāng)下的高校思想政治教育工作，其根本原因就在于高校立德樹人的目標(biāo)設(shè)定。大學(xué)是立德樹人、培養(yǎng)人才的地方，是青年人學(xué)習(xí)知識(shí)、增長(zhǎng)才干、放飛夢(mèng)想的地方。[3]對(duì)于我國(guó)的高等學(xué)校來(lái)說(shuō)，應(yīng)首先明確其歷史使命。2018年五四青年節(jié)來(lái)臨之際，習(xí)近平總書記在考察北京大學(xué)時(shí)強(qiáng)調(diào)，高校只有抓住培養(yǎng)社會(huì)主義建設(shè)者和接班人這個(gè)根本才能辦好，才能辦出中國(guó)特色世界一流大學(xué)[3]。堅(jiān)持辦學(xué)的正確政治方向，這是對(duì)新時(shí)代我國(guó)高校工作的新要求和新指向。

巷道不同位置/m3-a 無(wú)支護(hù)時(shí)巷道周邊表面位移

巷道不同位置/m3-b 1根木支柱，1根單體支柱支護(hù)時(shí)巷道周邊表面位移

巷道不同位置/m3-c 2根木支柱，2根單體支柱支護(hù)時(shí)巷道周邊表面位移

巷道不同位置/m3-d 2根木支柱，3根單體支柱支護(hù)時(shí)巷道周邊表面位移

巷道不同位置/m3-e 3根木支柱，3根單體支柱支護(hù)時(shí)巷道周邊表面位移圖3 不同支護(hù)方案下巷道周邊表面位移Fig.3 Surface displacement of roadways under different supporting scheme

本次試驗(yàn)?zāi)M在采高5.4 m、充填帶寬度為3 m、充填材料28 d-28 MPa的基礎(chǔ)上,確定巷道頂部加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)。具體為以下5種情況:a.無(wú)支護(hù);b.1根木支柱,1根單體支柱支護(hù);c.2根木支柱,2根單體支柱支護(hù);d.2根木支柱,3根單體支柱支護(hù);e.3根木支柱,3根單體支柱支護(hù)。

當(dāng)頂部由2根木支柱,3根單體支柱加強(qiáng)支護(hù)的情況下,沿空留設(shè)的巷道在側(cè)向支承壓力作用下,最終巷道的頂板下沉量、底鼓量、煤幫移近量、充填體幫移近量各為426 mm,8 mm,145 mm,70 mm。

優(yōu)化信息系統(tǒng)功能對(duì)我院PIVAS工作的提升作用…………………………………………………… 陳雄斌等（9）：1288

UDEC (Universal Distinct Element Code)是一種主要集中應(yīng)用于非連續(xù)單元體的二維離散元程序模擬軟件。在靜載或動(dòng)載條件下,其通過(guò)離散塊體的組合變形體現(xiàn)其宏觀力學(xué)行為特征。通過(guò)定義其節(jié)理間的參數(shù)體現(xiàn)其在宏觀層面的不連續(xù)性。在程序中,一般在程序中默認(rèn)其單個(gè)塊體為剛體,變形體塊體也依然適用。該程序提供5種節(jié)理本構(gòu)模型和7種材料本構(gòu)模型,以模擬不同條件下巖土體的受力運(yùn)動(dòng)情況,特定。在采礦工程中,一般多用于巖層破斷及運(yùn)移情況,是一款較為廣泛及實(shí)用的數(shù)值模擬軟件。

馬鈴薯施用鉀肥效果的研究……………………………………………………………………………… 李東明，李殿軍，杜長(zhǎng)玉（64）

支護(hù)方案圖4 不同的支護(hù)方案下巷道的表面位移曲線圖Fig.4 Surface displacement curves of roadways under different supporting scheme

圖5為不同支護(hù)方案下巷道圍巖位移矢量分布圖,無(wú)支護(hù)時(shí),巷道周圍位移矢量都指向巷道的中心,隨著距巷道的距離增大,其位移矢量逐漸變小,當(dāng)煤幫深部距離達(dá)到9.5 m時(shí),位移矢量就變得很小了,一般只有40 mm左右;直接底巖層底鼓嚴(yán)重,基本底巖層基本無(wú)底鼓。

當(dāng)頂部由1根木支柱,1根單體支柱加強(qiáng)支護(hù)的情況下,沿空留巷在圍巖應(yīng)力的作用下,依然局部出現(xiàn)下沉垮落,具體測(cè)得各變形量曲線所示,為頂板下沉量、底鼓量、煤幫移近量、充填體幫移近量各為934 mm,115 mm,358 mm,127 mm。

5-a 無(wú)支護(hù)時(shí)巷道圍巖位移矢量分布圖

5-b 1根木支柱，1根單體支柱支護(hù)時(shí)巷道圍巖位移矢量分布圖

5-c 2根木支柱，2根單體支柱支護(hù)時(shí)巷道圍巖位移矢量分布圖

5-d 2根木支柱，3根單體支柱支護(hù)時(shí)巷道圍巖位移矢量分布圖

5-e 3根木支柱，3根單體支柱支護(hù)時(shí)巷道圍巖位移矢量分布圖圖5 不同支護(hù)方案下巷道圍巖位移矢量分布圖Fig.5 Displacement vector distribution of surrounding rock under different supporting scheme

當(dāng)2根木支柱,2根單體支柱加強(qiáng)支護(hù)時(shí)和當(dāng)2根木支柱,3根單體支柱加強(qiáng)支護(hù)時(shí),巷道周圍位移矢量依然都指向巷道的中心,并且隨著距巷道周邊距離的增大而減小,頂板和巷道的位移移動(dòng)量不是很大,當(dāng)煤幫深部達(dá)到6 m時(shí),位移矢量變得很小,支柱為頂板提供了很大的支撐力,控制了頂板的變形。

當(dāng)3根木支柱,3根單體支柱加強(qiáng)支護(hù)時(shí),巷道周圍位移矢量依然都指向巷道的中心,并且隨著距巷道周邊距離的增大而減小,煤幫深部距離達(dá)到6 m時(shí),位移矢量就變得很小了;直接底巖層底鼓,基本底巖層基本無(wú)底鼓。

綜上所述,在不同支護(hù)工況下,頂板位移變形量是不同的,巷道的位移矢量都指向中心的地方。隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加,頂板位移變形量越小。在采高為5.4 m時(shí),充填帶為3 m的情況下,巷道頂部采用“2根木支柱、3根單體支柱”加強(qiáng)支護(hù)方案;加強(qiáng)支護(hù)方案是最為有效的。

4 結(jié)論

1)在厚煤層沿空留巷中,需要巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)共同作用的結(jié)果。僅靠巷旁充填體支護(hù)是很難達(dá)到安全技術(shù)要求的。

管理制度的建設(shè)能為管理機(jī)構(gòu)職能發(fā)揮提供保障。高職院校現(xiàn)行的校企合作管理制度一般不包含校友工作，同時(shí)校友工作管理制度也不包含校企合作，這對(duì)于校友與校企合作工作的耦合是一種制度障礙。針對(duì)此方面，一些院校進(jìn)行了一些探索。

2)巷內(nèi)支柱對(duì)于頂板下沉控制是有效的。模擬結(jié)果表明,巷內(nèi)支柱越密集,對(duì)頂板控制效果最好。

3)在采高為5.4 m時(shí),充填帶為3 m的情況下,巷道頂部采用“2根木支柱、3根單體支柱”加強(qiáng)支護(hù)方案;幫部采用“2根錨索”加強(qiáng)支護(hù)方案。

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NumericalSimulationonRoofReinforcedSupportfor5.4mLarge-mining-heightGob-sideEntry

ZHANGZhanchun

(XiegouMine,ShanxiXishanJinxingEnergyCo.,Ltd.,Lvliang033602,China)

The roof reinforcement is the key to the supporting technology for gob-side entry in thick coal seam with large mining height. Taking the material lane under No.18503 working face in Xiegou Mine as engineering background, based on the original 3 m wide filling belt, five roof reinforced support plans are proposed to evaluate the maintenance effects under different supporting and to determine the optimal parameters. The results show that: 1) the gob-side entry retaining technology in thick coal seam with large-mining-height is feasible, which requires the combination of entry-in and entry-side support; 2) the pillars in the alley could effectively control roof subsidence; 3) under the condition of 5.4 m of mining height and 3 m of filling belt width, two wooden pillars and three single props support could be used for the roof and two anchor cables reinforcement could be used for the two sides. The study could provide useful technology references for the gob-side entry in thick coal seam with large-mining-height.

mining engineering；thick coal seam with large mining height；gob-side entry；reinforced support；filling body

1672-5050(2017)01-0001-05

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.001

2016-08-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51404167)；太原理工大學(xué)校基金團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(1205-04020102)；山西省自然科學(xué)基金(2014011035-2)

張占春(1977-)，男，山西原平人，碩士，工程師，從事采場(chǎng)礦壓控制等方面的技術(shù)與管理工作。

TD353

A

(編輯:武曉平)