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        煤礦高應(yīng)力巷道支護(hù)方法研究

        2018-12-07 07:41:26李勇紅
        山東煤炭科技 2018年4期
        關(guān)鍵詞:幫部側(cè)壓力塑性

        李勇紅

        (同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司,山西 大同 037003)

        1 概況

        永定莊煤礦8106工作面煤層平均厚度為14.38m,平均傾角為 4°,煤層比較穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。頂?shù)装迩闆r如表1。

        表1 頂?shù)装迩闆r表

        2 回采巷道圍巖控制數(shù)值模擬分析

        2.1 模型構(gòu)建

        通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬,首先確定模型的尺寸為60m×20m×30m,在模型中間開挖巷道。在模型四周給定水平位移約束,在底部邊界給定固定位移約束,在頂部邊界給定垂直應(yīng)力。模型具體詳見圖1。

        圖1 數(shù)值模擬模型

        根據(jù)礦井圍巖地質(zhì)條件,確定數(shù)值模擬煤巖性物理力學(xué)參數(shù),具體詳見表2。

        2.2 運輸巷無支護(hù)狀態(tài)下數(shù)值模擬研究

        以對模型頂板施加垂直應(yīng)力的形式表示巷道上覆巖層重量。上覆巖層容重取25kN/m3,側(cè)壓力系數(shù)分別取0.5~1.75進(jìn)行模擬,可以得到無支護(hù)條件下的8106工作面2106皮帶巷圍巖塑性區(qū)情況,如圖2所示。

        表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

        圖2 無支護(hù)情況下巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍

        通過對圖2分析可知,當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)取值較小時,巷道圍巖塑性區(qū)主要存在于巷道左、右兩幫部區(qū)域。煤層為傾斜煤層,塑性區(qū)區(qū)域較大的情況存在巷道上幫,巷道下幫的塑性區(qū)范圍較小。但隨著側(cè)壓力系數(shù)的不斷變大,塑性區(qū)在巷道幫部的分布區(qū)域有所減少,而在頂?shù)装逄?,塑性區(qū)范圍不斷變大。在側(cè)壓力系數(shù)為1的情況下,塑性區(qū)在兩幫和頂?shù)装逯械姆植挤秶疽恢隆?/p>

        地測部門提供的資料,5302工作面巷道圍巖側(cè)壓力系數(shù)約為1.3。因此,5302工作面運輸順槽的頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍約為5m,幫部塑性區(qū)范圍約為3.8m。

        2.3 運輸巷錨桿支護(hù)方案數(shù)值模擬分析

        根據(jù)2106皮帶巷圍巖地質(zhì)條件,確定了三種巷道錨桿支護(hù)模擬方案,見表3和表4。

        表3 頂板支護(hù)的不同方案

        表4 幫部支護(hù)的不同方案

        在不同的錨桿長度情況下,模擬了三種支護(hù)方案的巷道圍巖垂直應(yīng)力分布情況,以錨桿長度為2.2m方案進(jìn)行說明。

        圖3 巷道圍巖垂直應(yīng)力分布

        通過對圖3的分析可知,在巷道底板沒有采取任何支護(hù)措施的情況下,底板向下的4m左右范圍存在應(yīng)力降低區(qū),表明巷道底板存在底鼓問題。在錨桿長度不斷增加的情況下,巷道圍巖中的應(yīng)力降低區(qū)范圍不斷變小,同時幫部應(yīng)力集中區(qū)域范圍也在不斷變小。錨桿長度越大,巷道圍巖中的應(yīng)力集中區(qū)向幫部深處轉(zhuǎn)移,表明在錨桿支護(hù)的作用下,巷道圍巖強(qiáng)度變大,提高了圍巖的自承能力。另外可以看出,不同錨桿長度所對應(yīng)的幫部應(yīng)力集中區(qū)距巷道幫部的距離有所不同,隨著錨桿長度的增加,兩幫應(yīng)力集中區(qū)與巷幫的距離逐漸變小。但當(dāng)錨桿長度大于2.2m時,兩幫應(yīng)力集中區(qū)距巷幫的距離基本保持不變。同時,對比相同錨桿長度時的三個方案可以發(fā)現(xiàn),增加錨桿的間距,圍巖自身的強(qiáng)度沒有得到有效增強(qiáng)。對于方案3,在錨桿長度為2.2m的情況下,巷道圍巖存在較大的應(yīng)力降低區(qū),應(yīng)力集中區(qū)范圍也比前兩個方案的大。

        利用FLAC3D軟件可以模擬不同支護(hù)方案下的巷道圍巖位移變化情況。通過模擬可以發(fā)現(xiàn),隨著錨桿間排距的減小,巷道圍巖的移近量也逐漸變小。錨桿的長度越大,巷道圍巖移近量就越小,當(dāng)錨桿長度超過2.2m時,巷道圍巖移近量基本保持不變。通過對比方案1和方案2可知,這兩種方案下的巷道圍巖移近量基本一致。這表明當(dāng)頂板錨桿間排距為800mm×800mm時,錨桿支護(hù)效果得到了充分發(fā)揮。對于方案3,巷道圍巖移近量比方案1和方案2大,錨桿長度大于2.2m時,巷道頂板移近量均在108mm以上,這表明錨桿間排距為900mm×800mm時,巷道頂板錨桿的支護(hù)效果較差。

        利用FLAC3D軟件模擬不同錨桿預(yù)緊力情況下巷道圍巖位移變化情況。當(dāng)錨桿長度為2.2m,模擬巷道圍巖位移量,見表5。

        表5 不同預(yù)緊力巷道圍巖位移量

        通過表5可知,隨著錨桿預(yù)緊力的增大,巷道圍巖位移量逐漸變小。因此,增大安裝時的錨桿預(yù)緊力,可有效控制圍巖的變形。當(dāng)預(yù)緊力超過50kN后,隨著預(yù)緊力的增加,巷道圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。因此,錨桿安裝時應(yīng)保證預(yù)緊力在50kN以上。

        3 錨桿支護(hù)方案確定

        通過模擬分析,方案2為合理支護(hù)方案。在8106工作面2106皮帶巷頂板支護(hù)時,采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿,規(guī)格為Ф22×2400mm,采用高強(qiáng)度、低松弛(Ⅱ級)粘結(jié)式鋼絞線錨索,規(guī)格為Ф21.8×8000mm。兩幫采用等強(qiáng)錨桿,規(guī)格為Ф22×2200mm。

        4 支護(hù)效果分析

        通過十字測量法測量巷道圍巖變形量。首先在巷道布置了6個監(jiān)測點,即測點1~6,每兩個監(jiān)測點間隔40m。對于測點1,巷道圍巖移近量測量結(jié)果詳見圖4。

        圖4 巷道圍巖移近量

        通過對圖4分析可知,在巷道底板沒有支護(hù)的情況下,巷道存在底鼓現(xiàn)象。頂?shù)装逡平恳∮趦蓭鸵平?,在監(jiān)測36d前后,巷道變形基本趨于穩(wěn)定,巷道兩幫最大移近量約為296mm,巷道頂?shù)装遄畲笠平考s為368mm,巷道圍巖變形得到了有效控制。

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