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        煤巷復(fù)合頂板承載特性及支護(hù)技術(shù)研究

        2019-09-07 10:55:20高振華
        山東煤炭科技 2019年8期
        關(guān)鍵詞:側(cè)壓系數(shù)巖層錨索

        高振華

        (霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦,山西 霍州 031412)

        1 工程概況

        辛置煤礦10-428B 工作面位于540 水平、東四左翼采區(qū)。工作面走向長度為829m,傾向長度240m,主采10#煤層,煤層均厚為2.6m,平均傾角為4°。煤層直接頂為9#煤和泥巖,均厚為3m,其中9#煤的厚度為0.9m,泥巖的厚度為1.8~2.4m;直接頂為K2 灰?guī)r,均厚為8m;直接底為砂質(zhì)泥巖,均厚為0.8m;基本底為中砂巖,均厚為7m。10-428B工作面采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤法,設(shè)計(jì)平均采高2.6m。

        10-428B 工作面回風(fēng)巷斷面為矩形,斷面尺寸為凈寬×凈高=4500mm×3200mm。巷道原有支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù),頂板錨桿及兩幫錨桿均采用Φ22mm×2200mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,其中頂部錨桿的間排距為600mm×600mm,兩幫錨桿的間排距為750mm×750mm;頂板錨索采用Φ17.6mm×6500mm 的1×7 股鋼絞線,間排距為1200mm×2100mm。支護(hù)參數(shù)如圖1 所示?;仫L(fēng)巷在原有支護(hù)方案下,巷道在掘進(jìn)至停采線100m 的位置時(shí),復(fù)合頂板下沉量出現(xiàn)持續(xù)增大的情況,且局部頂板出現(xiàn)嚴(yán)重下沉現(xiàn)象,嚴(yán)重制約巷道的正常掘進(jìn),急需對(duì)回風(fēng)巷原有的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。

        圖1 10-428B 工作面回風(fēng)巷原支護(hù)斷面圖

        2 復(fù)合頂板承載特性分析

        為充分了解10-428B 工作面復(fù)合頂板的特性,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,對(duì)工作面回風(fēng)巷在不支護(hù)時(shí)復(fù)合頂板的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析。針對(duì)煤巷復(fù)合頂板進(jìn)行定性分析,對(duì)頂板塑性區(qū)的分布范圍、應(yīng)力的變化情況等具有一定的指導(dǎo)意義。

        根據(jù)10-428B 工作面的地質(zhì)條件,建立數(shù)值模型長×寬×高=20m×30m×25.23m,分別模擬側(cè)壓系數(shù)為0、0.8、1.6 和2 時(shí)煤巷圍巖的變形情況和巷道塑性區(qū)的分布情況。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖的位移情況如表1 所示,不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖塑性區(qū)的分布情況如圖2所示。

        表1 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖的變形量

        圖2 不同側(cè)壓系數(shù)下圍巖塑性區(qū)分布狀態(tài)

        通過分析表1 可知,巷道兩幫及頂板變形量隨圍巖側(cè)壓系數(shù)的增大而逐漸增大,且頂板下沉量的變化受到側(cè)壓系數(shù)的影響較為明顯。通過分析圖2可知,當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ=0 時(shí),此時(shí)圍巖受到剪應(yīng)力的影響較大,出現(xiàn)較大面積的剪切破壞。隨著側(cè)壓系數(shù)λ 的增大,巷道兩側(cè)支撐應(yīng)力的影響區(qū)域的范圍會(huì)逐漸增大,此時(shí)巖層中的摩擦力和水平應(yīng)力在逐漸增大,會(huì)使得一定范圍內(nèi)巖體的抗彎強(qiáng)度得到提高,但隨著側(cè)壓系數(shù)λ 的增大,圍巖會(huì)受到較大的水平擠壓力,進(jìn)而使得圍巖發(fā)生較大撓曲變形,出現(xiàn)塑性破壞。

        基于上述數(shù)值模擬結(jié)果可知,當(dāng)側(cè)壓系數(shù)較小時(shí),覆巖在垂直應(yīng)力的作用下頂板巖層會(huì)發(fā)生拉伸破壞;當(dāng)側(cè)壓系數(shù)較大時(shí),此時(shí)頂板下部巖層會(huì)由于屈服而發(fā)生破壞,可總結(jié)出不同側(cè)壓系數(shù)下復(fù)合頂板巖層的破壞特征和破壞范圍如下:

        (1)水平側(cè)壓系數(shù)λ 對(duì)復(fù)合頂板巖層的破壞方式和破壞范圍有顯著的影響,側(cè)壓系數(shù)λ 較大時(shí)圍巖的破壞范圍比側(cè)壓系數(shù)λ 較小時(shí)的破壞范圍小,但頂板撓度較大。

        (2)當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ 較大時(shí),圍巖受到水平應(yīng)力的影響較明顯,當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ 較小時(shí),圍巖受到垂直主應(yīng)力的方向明顯。

        (3)當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ 較大時(shí),上部巖層基本保持不變,下部一定范圍內(nèi)的巖層會(huì)向下移動(dòng),進(jìn)而使得頂板易出現(xiàn)離層;當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ 較小時(shí),頂板巖層會(huì)出現(xiàn)整體下沉的現(xiàn)象,此時(shí)巖層間不易出現(xiàn)離層現(xiàn)象。

        3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)與效果分析

        3.1 原支護(hù)方案問題分析

        10-428B 工作面回風(fēng)巷在原有支護(hù)方式下頂板下沉量大,且局部區(qū)域出現(xiàn)破壞嚴(yán)重,10#煤層所處位置的水平側(cè)壓系數(shù)為0.8,側(cè)壓系數(shù)相對(duì)較小,結(jié)合數(shù)值模擬分析的復(fù)合頂板特性和工作面的具體地質(zhì)條件,回風(fēng)巷在原有支護(hù)方式下,頂板下沉量大的主要原因?yàn)殄^桿(索)的長度確定時(shí)缺少對(duì)復(fù)合頂板承載特性的研究,原有錨桿(索)的設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)性,設(shè)計(jì)長度過短,不能錨固到穩(wěn)定巖層內(nèi),進(jìn)而使得其不能充分發(fā)揮承載能力,頂板便會(huì)出現(xiàn)較大的撓曲變形。

        彈性填料密封,采用涂有耐油橡膠的尼龍布袋(也有直接采用丁腈橡膠)作為與罐壁接觸的滑行部件,內(nèi)部裝有彈性海綿或軟泡沫塑料塊,利用這類彈性填充物來達(dá)到與儲(chǔ)罐罐壁密封。這類密封在實(shí)際應(yīng)用中占比最大。

        3.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

        根據(jù)上述分析對(duì)10-428B 工作面回風(fēng)巷的支護(hù)方案進(jìn)行具體優(yōu)化,其主要優(yōu)化參數(shù)為錨桿(索)長度和間排距。具體優(yōu)化設(shè)計(jì)如下:

        (1)錨桿(索)長度優(yōu)化

        ① 錨桿長度。根據(jù)錨桿長度經(jīng)驗(yàn)公式[1-2]:

        式中:

        kwy-圍巖影響系數(shù),一般取0.9~1.2;

        Bhd-巷道的跨度,根據(jù)地質(zhì)資料知回風(fēng)巷頂板為復(fù)合頂板,取kwy=1.2,Bhd=4.5m。

        由式(1)能夠計(jì)算出錨桿長度Lmg=2.34,最終確定錨桿長度為2.6m。

        式中:

        b2-平衡拱的矢高,m;

        a-巷道寬度的一半,m;

        λ-側(cè)壓系數(shù);

        K-安全系數(shù);

        f-巖層間的摩擦系數(shù);

        l22-復(fù)合頂板極限平衡拱矢高,m;

        l21-錨索的外露長度,m;

        l23-錨索錨入穩(wěn)定巖層的長度,m。

        根據(jù)10-428B 工作面的地質(zhì)條件可知a=2.25m,λ=0.8,f=1.98,K=2,將上述數(shù)據(jù)代入式(2)能夠得出b2=l22=6.54m。再考慮到錨索的外露長度l21=0.3m,錨索錨入穩(wěn)定巖層長度l23=0.5m,故可計(jì)算出錨索的設(shè)計(jì)長度L2=7.34m,具體實(shí)踐時(shí)取為7.4m。

        (2)錨索間排距優(yōu)化

        新奧法理論對(duì)松軟破碎圍巖的支護(hù)問題,提出錨桿間排距宜為0.8~1.0m,對(duì)于不穩(wěn)定圍巖,霍州煤電礦區(qū)的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)間排距為0.6~1.0m,基于此并結(jié)合10-428B 工作面回風(fēng)巷的具體情況,確定錨桿間排距為750×750mm,錨索間排距為1800×1000mm。

        錨固長度:錨桿(索)的設(shè)計(jì)錨固長度的表達(dá)式[4]如下:

        式中:

        La1和La2-分別為錨桿(索)的設(shè)計(jì)長度,m;

        K-錨桿(索)的安全系數(shù);

        D-鉆孔直徑,m;

        P-極限拉拔載荷,kN;

        τr-錨固劑與巖體間的粘結(jié)力,MPa。

        在錨桿錨固長度設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合地質(zhì)條件取K=1.5,D=0.032m,P=95kN,τr=1.8MPa,代入式(3)計(jì)算得出錨桿的錨固長度La2=0.79m。在錨索的錨固長度設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合地質(zhì)條件取K=1.4,D=0.032m,P=320kN,τr=1.8MPa,代入式(3)計(jì)算得出錨索的錨固長度La2=2.48m。

        綜合上述分析、計(jì)算,回風(fēng)巷優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)為:頂板錨桿采用Φ22mm×2600mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,間排距為750×750mm;頂板錨索采用 Φ17.6mm×7400mm 的1×7 股鋼絞線,間排距為1800mm×1000mm;兩幫錨桿采用Φ22mm×2200mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,間排距為750mm×750mm;同時(shí)采用Φ6mm 圓鋼焊制的網(wǎng)片進(jìn)行護(hù)幫護(hù)頂。具體回風(fēng)巷優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)如圖3 所示。

        圖3 回風(fēng)巷優(yōu)化后支護(hù)斷面圖

        3.3 效果分析

        為了檢驗(yàn)巷道的支護(hù)效果,分析巷道頂板的穩(wěn)定性對(duì)回風(fēng)巷試驗(yàn)段(100m)的影響,每隔25m安裝1 個(gè)監(jiān)測站,共布置4 個(gè)監(jiān)測站,對(duì)巷道圍巖變形量進(jìn)行持續(xù)170d 的觀測。根據(jù)觀測結(jié)果巷道頂板圍巖變形監(jiān)控布置如圖4 所示。

        圖4 10-428B 工作面回風(fēng)巷圍巖變形曲線

        通過分析圖4 可知,10-428B 工作面運(yùn)輸巷在采用優(yōu)化后的支護(hù)方案后,頂板巷道在掘進(jìn)過程中頂?shù)装遄冃嗡俣认鄬?duì)較大,其中頂?shù)装逡平恐械装辶繛槠渥冃蔚闹饕糠?。從圖中能夠看出50d 后巷道的變形量基本不再增加,巷道在觀測期間的頂?shù)装遄畲笞冃瘟啃∮?60mm,兩幫移近量小于200mm,其中頂板下沉量最大值為55mm,這說明優(yōu)化后的支護(hù)方案保證了復(fù)合頂板的穩(wěn)定,能夠有效地控制圍巖變形。

        4 結(jié)論

        通過數(shù)值模擬分析不同側(cè)壓系數(shù)下復(fù)合頂板的承載特性,根據(jù)10-428B 工作面的具體地質(zhì)條件可知回風(fēng)巷屬于側(cè)壓系數(shù)較小的類型。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)回風(fēng)巷原支護(hù)方案存在的問題進(jìn)行具體分析,并對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行具體優(yōu)化,根據(jù)礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)得知優(yōu)化后的支護(hù)方案能夠有效地控制頂板彎曲下沉,保障巷道圍巖的穩(wěn)定。

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