李云豪 張文軍 王 東

(1.山西焦煤西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西省太原市,030053;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué),遼寧省阜新市,123000)

松軟破碎復(fù)合頂板回采巷道支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

李云豪1張文軍2王 東2

(1.山西焦煤西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西省太原市,030053;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué),遼寧省阜新市,123000)

提出一種針對(duì)松軟破碎復(fù)合頂板回采巷道支護(hù)的設(shè)計(jì)理念與方法。在分析設(shè)計(jì)巷道地質(zhì)資料基礎(chǔ)上,利用先進(jìn)的數(shù)值模擬軟件對(duì)不同地質(zhì)條件的不同支護(hù)條件巷道進(jìn)行分析,得到巷道在受不同采動(dòng)應(yīng)力和不同類(lèi)型頂?shù)装鍡l件下,錨桿錨索支護(hù)巷道的圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移量及破裂區(qū)分布狀況,并將模擬得到的各參量作為計(jì)算錨桿錨索支護(hù)計(jì)算的依據(jù)。

松軟巖層 復(fù)合頂板 巷道支護(hù) 數(shù)值模擬 圍巖破裂區(qū)

西山煤電集團(tuán)公司鎮(zhèn)城底礦主采2#-3#煤層,煤層直接頂巖層中夾有兩層厚0.3～0.5m極軟煤層,屬?gòu)?fù)合頂板。巷道圍巖穩(wěn)定性差,變形破壞強(qiáng)烈。該礦同類(lèi)巷道原采用傳統(tǒng)的架棚支護(hù),存在巷道圍巖變形量大、支護(hù)效果差、維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題,西山煤電集團(tuán)與國(guó)內(nèi)高校合作立項(xiàng)進(jìn)行研究。項(xiàng)目結(jié)合該礦22409工作面實(shí)際條件,采用理論分析與計(jì)算、數(shù)值模擬及礦山壓力觀測(cè)相結(jié)合的研究方法,應(yīng)用高強(qiáng)度錨桿、金屬網(wǎng)、鋼筋梁,并輔以錨索對(duì)巷道進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。經(jīng)過(guò)3年多的實(shí)際應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了煤巷安全高效掘進(jìn),取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 試驗(yàn)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)錨桿—錨索聯(lián)合支護(hù)作用的互補(bǔ)原理及其對(duì)支護(hù)工藝的要求,初始設(shè)計(jì)采用以數(shù)值模擬為主,結(jié)合理論分析和工程類(lèi)比相結(jié)合的方法。用數(shù)值計(jì)算定量給出了各種支護(hù)方案的巷道圍巖變形和破裂區(qū)分布,對(duì)于確定和優(yōu)化錨桿錨索支護(hù)主要參數(shù)提供了依據(jù)。

1.1 復(fù)合頂板錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)原則

(1)共同加固圍巖提高錨巖支護(hù)體的承載能力。

柔性錨桿錨固區(qū)應(yīng)處于圍巖破裂區(qū)之外,即錨桿錨固區(qū)深度大于圍巖破裂區(qū)深度,使錨桿充分起到加固淺部圍巖的作用。剛性預(yù)應(yīng)力錨索與錨桿相匹配,增加錨巖支護(hù)承載層厚度,共同提高錨巖支護(hù)體承載能力。

頂板錨索的承載能力應(yīng)大于頂板破裂區(qū)內(nèi)的巖重,即錨索工程破斷力大于錨索懸吊載荷,使錨索充分起到懸吊松散危巖、防止冒頂?shù)淖饔谩?/p>

數(shù)值模擬顯示,頂板破裂區(qū)形狀近似拋物線(xiàn)型,拱高為最大破裂區(qū)深度,拱跨度約為巷道寬度的1.5倍。由于每米巷道頂板破裂區(qū)的巖重和錨索工程破斷力為已知參量,則按懸吊頂板破裂區(qū)巖重要求,每米巷道所需的錨索根數(shù)為最大破裂區(qū)深度與巷道半寬之積的0.19倍。

錨桿長(zhǎng)度應(yīng)大于等于錨桿緊固長(zhǎng)度和圍巖破裂區(qū)深度。

(2)頂板錨索工程延伸量應(yīng)適應(yīng)懸吊區(qū)內(nèi)的圍巖變形量。

取錨索工程延伸率1.8%,錨索長(zhǎng)度為:

式中:LDS——錨索長(zhǎng)度,m;

FY——錨索預(yù)緊力,kN;

U——頂板下沉量,mm;

L1——錨索內(nèi)錨固段長(zhǎng)度,m;

L2——錨索外露長(zhǎng)度,m。

1.2 基本支護(hù)形式和主要支護(hù)參數(shù)確定

應(yīng)用巖層破裂過(guò)程分析系統(tǒng)RFPA2D計(jì)算軟件進(jìn)行了多個(gè)支護(hù)方案對(duì)比,選擇最優(yōu)方案的基本支護(hù)形式為錨桿+鋼筋梁+金屬網(wǎng),錨索補(bǔ)強(qiáng)。遵循錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)原則,進(jìn)行了主要支護(hù)參數(shù)計(jì)算和選擇。

巷道圍巖變形和破裂區(qū)分布的模型結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 巷道圍巖變形和破裂區(qū)分布的模擬結(jié)果

將表1模擬結(jié)果代入相應(yīng)計(jì)算公式,得出頂板錨桿長(zhǎng)度2.0m,間排距800mm×900mm;錨索長(zhǎng)度6.5m,排距2.4m,每排布置2根;巷幫錨桿長(zhǎng)度1.8m,間排距800mm×1000mm。

2 復(fù)合破碎頂板圍巖變形與破壞的特征數(shù)值模擬

針對(duì)復(fù)合頂板圍巖變形與破壞的特征,分別建立了采深250m和采深400m情況下不同類(lèi)型的巷道對(duì)比模型。這些模型分別以一般頂板和復(fù)合頂板為對(duì)比條件,建立了巷道兩側(cè)均為煤體模型(煤體—煤體)和巷道一側(cè)為煤體、另一側(cè)為煤柱模型(煤體—煤柱)。

模擬結(jié)果表明,與一般中等穩(wěn)定頂板的回采巷道相比,復(fù)合頂板的回采巷道的頂板下沉量增大了20%～34%,頂板破裂區(qū)深度增大了23%～83%。

3 錨桿錨索支護(hù)效果的數(shù)值模擬

按采深250m和400m各2種類(lèi)型、回采巷道共4種條件進(jìn)行模擬,以巷道圍巖變形和圍巖破裂區(qū)深度為指標(biāo),探討支護(hù)布置的合理性和支護(hù)效果。

3.1 采深250m,煤體—煤體巷道模擬結(jié)果

圖1 采深250m,煤體—煤體巷道有、無(wú)支護(hù)時(shí),破裂區(qū)及圍巖位移對(duì)比

(1)支護(hù)對(duì)巷道圍巖變形的控制。當(dāng)頂板分別為3根、5根錨桿和1根錨索控制時(shí),頂板下沉量分別減小了37%、45%和7%;巷幫分別為2根錨桿和3根錨桿控制時(shí),巷幫移近量分別減小了62%和66%。

(2)支護(hù)對(duì)巷道圍巖破裂區(qū)深度的控制。頂板安裝5根錨桿和1根錨索時(shí),頂板破裂區(qū)深度減小了10%～64%;巷幫安裝3根錨桿時(shí),巷幫破裂區(qū)深度減小了59%。圖1為采深250m煤體—煤體巷道無(wú)支護(hù)和有錨桿錨索支護(hù)時(shí),巷道圍巖破裂區(qū)和位移等值線(xiàn)對(duì)比。

3.2 采深400m,煤體—煤體巷道模擬結(jié)果

(1)支護(hù)對(duì)巷道圍巖變形的控制。頂板分別安裝3根、5根錨桿和1根錨索時(shí),頂板下沉量分別減小了30%、39%和6%;巷幫分別安裝2根錨桿和3根錨桿時(shí),巷幫移近量分別減小了65%和71%。

(2)支護(hù)對(duì)巷道圍巖破裂區(qū)深度的控制。頂板安裝5根錨桿和1根錨索時(shí),頂板破裂區(qū)深度減小了25%～75%;巷幫安裝了3根錨桿時(shí),巷幫破裂區(qū)深度減小了57%。圖2為采深400m,煤體—煤體巷道無(wú)支護(hù)和有錨桿錨索支護(hù)時(shí),巷道圍巖破裂區(qū)和位移等值線(xiàn)對(duì)比。

圖2 采深400m,煤體—煤體巷道有、無(wú)支護(hù)時(shí),破裂區(qū)及圍巖位移對(duì)比

3.3 采深250m,煤體—煤柱巷道模擬結(jié)果

(1)支護(hù)對(duì)巷道圍巖變形的控制。頂板分別安裝3根、5根錨桿和1根錨索時(shí),頂板下沉量分別減小了36%、39%和5%;煤柱側(cè)巷幫分別安裝2根錨桿和3根錨桿控制巷幫時(shí),移近量分別減小了54%和74%;煤體側(cè)巷幫分別安裝2根錨桿和3根錨桿控制巷幫時(shí),移近量分別減小了46%和72%。煤柱側(cè)巷幫位移量是煤體側(cè)巷幫位移量的1.4倍。

(2)支護(hù)對(duì)巷道圍巖破裂區(qū)深度的控制。頂板安裝5根錨桿和1根錨索控制頂板時(shí),破裂區(qū)深度減小了14%～57%;煤體側(cè)巷幫3根錨桿控制巷幫時(shí),破裂區(qū)深度減小了41%。

3.4 采深400m,煤體—煤柱巷道模擬結(jié)果

(1)支護(hù)對(duì)巷道圍巖變形的控制。頂板分別安裝3根、5根錨桿和2根錨索時(shí),頂板下沉量分別減小了28%、36%和9%;煤柱側(cè)巷幫分別安裝2根錨桿和3根錨桿控制巷幫時(shí),移近量分別減小了55%和73%;煤體側(cè)巷幫分別安裝2根錨桿和3根錨桿控制巷幫時(shí),移近量分別減小了49%和74%。

(2)支護(hù)對(duì)巷道圍巖破裂區(qū)深度的控制。頂板安裝5根錨桿和2根錨索控制頂板時(shí),破裂區(qū)深度減小了12%～56%;煤體側(cè)巷幫安裝3根錨桿控制巷幫時(shí),破裂區(qū)深度減小了27%。

綜合4類(lèi)巷道模擬結(jié)果,將不同采深和類(lèi)型的巷道進(jìn)行分類(lèi)。采深250m,煤體—煤體巷道為Ⅰ型,煤體—煤柱巷道為Ⅱ型;采深400m,煤體—煤體巷道為Ⅲ型,煤體—煤柱巷道為Ⅳ型。根據(jù)不同的巷道分類(lèi),提出了不同的支護(hù)建議,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類(lèi)型復(fù)合頂板回采巷道的基本支護(hù)形式為錨桿+W鋼帶+金屬網(wǎng),用錨索補(bǔ)強(qiáng)。

4 技術(shù)效果與應(yīng)用情況

鎮(zhèn)城底礦應(yīng)用錨桿+鋼筋梁+金屬網(wǎng)+錨索補(bǔ)強(qiáng)的支護(hù)方式支護(hù)巷道約3000m。3年多來(lái)在回采巷道(包括尾巷)中推廣應(yīng)用,支護(hù)效果良好,大幅度降低了巷道維修費(fèi)用,巷道維修費(fèi)比原來(lái)降低20%,使全礦回采巷道錨桿支護(hù)率由2004年的34.1%提高到2007年的94.4%,同時(shí)也加快了工作面推進(jìn)速度,提高單產(chǎn)10%,每米巷道可節(jié)省支護(hù)成本527.4元,巷道維修費(fèi)降低80%,每米巷道節(jié)省維修費(fèi)240元,取得了良好的技術(shù)效果與經(jīng)濟(jì)效益,對(duì)類(lèi)似條件的煤巷支護(hù)具有重要的推廣價(jià)值。

5 結(jié)論

數(shù)值模擬結(jié)果表明,對(duì)于采深 增加或窄煤柱護(hù)巷布置的復(fù)合頂板回采巷道,只要支護(hù)參數(shù)選擇合理,錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)是可行的。

合理計(jì)算和利用錨索的工程破斷力和利用延伸量進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是提高巷道支護(hù)安全性的重要手段。依據(jù)提出的復(fù)合頂板錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)原理,回采巷道圍巖破裂區(qū)分布和位移分布是錨桿、錨索協(xié)調(diào)支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵依據(jù),本研究的數(shù)值計(jì)算方法為解決這一問(wèn)題提供了有效途徑,可推廣應(yīng)用于各種條件的各類(lèi)回采巷道支護(hù)初步設(shè)計(jì)。

Research and application of friable and crushed componentroof mining roadway supporting technology

Li Yunhao1,Zhang Wenjun2,Wang Dong2
(1.Xishan Coal Electricity Group Co.,Ltd,Shanxi Coking Coal Group Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030053,China;2.Liaoning Technical University,Fuxin,Liaoning 123000,China)

A concept and method has been provided to friable and crushed composite roofmining roadway support in this paper,that is on the basis on detailed analysis of the geologicaldata of mining gateway,the roadway supporting under different geological conditions or differentsupporting conditions has been analyzed by advanced numerical simulation software,it may ob-tain adjacent rock stress,displacement,distribution of rupture areas in supported roadway withanchor arm or anchor wire in the condition of different mining stress and roof type.Each parame-ter from numerical simulation analysis may be as basis of anchor arm or anchor wire supportingcalculation.

friable and crushed,composite roof,shaft and drift supporting,numerical simu-lation,adjacent rock rupture areas

TD353

A

李云豪(1964-),男,山西平遙人,采煤高級(jí)工程師,現(xiàn)任西山煤電集團(tuán)礦建公司總工程師,主要從事煤礦采礦工程技術(shù)管理工作。

(責(zé)任編輯 張毅玲)