12301工作面回采巷道支护技术研究_王鑫.pdf

煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 1工作面概况 某矿 12301 工作面位于 123 盘区， 北面为 12303 工作面， 南面为 12109 工作面采空区， 西面为 123 盘 区边界。 工作面主采 2 煤层， 煤层厚度 5.8～6.3m， 平 均为 6.15m， 属于近水平煤层， 煤层结构复杂， 一般含 1～2 层炭质泥岩、 泥岩夹矸。 在受构造影响地段煤层 厚度变化较大。煤层顶底板情况见表 1。 表 1煤层顶底板情况表 根据 12301 工作面实际揭露资料， 在 12301 切眼 处揭露 f301- 1 H0.6m ∠65断层， 该断层对工作面 回采影响不大。12301 工作面长度为 260m， 推进长度 为 1321m。 2巷道支护分析 2.1理论研究 12301 工作面 2 煤层回采巷道的突出特点是其 顶板较硬、 强度高、 厚度大、 整体性好。 根据该矿 2 煤 顶底板赋存特点， 故将巷道的力学模型简化为平面固 支或者简支的深梁模型，模型受力状态为两端约束， 上覆岩层视为均布荷载，均匀的作用在深梁结构上， 如图 1 为固支梁模型。 图 1巷道顶板的固支梁模型 对于通常的长梁， 可以采用材料力学解答进行求 解， 但是对于较深的梁， 则需要考虑修正项[1]。因此选 用固支边界条件下梁内应力分量的弹性力学表达式 进行求解。 σx- 6q h3 x2y 4q h3 y3 2ql 2 h3 - 3q 5h （）y σy- 2q h3 y3 3q 2h y- q 2 τxy 6q h3 xy2- 3q 2h ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ x 12301 工作面回采巷道支护技术研究 王鑫 （霍州煤电集团团柏煤矿 ，山西 霍州 031400 ） 摘要 12301 工作面 2 煤层回采巷道顶板较硬、 强度高、 厚度大、 整体性好的特点， 为合理设计回采 巷道支护设计， 保证安全开采， 根据 12301 工作面实际情况， 利用理论分析和 FLAC3D 数值模拟软 件， 分析、 评价初步设计的支护方案及支护参数的可行性与可靠程度， 进行方案确定， 经应用监测， 现 场效果较好， 能保证巷道稳定性。 关键词 回采巷道 ； 支护 ； 设计 中图分类号 X936文献标识码 A 文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0157-03 Study on supporting technology of roadway in 12301 working face WANG Xin （Huozhou Coal Group Tuanbai Coal Mine , Shanxi Huozhou 031400 ） Abstract The roof of No.2 coal seam in No.12301 working face is hard, high-strength, thick and good integrity. In order to design the supporting design of mining roadway reasonably and ensure safe mining, according to the actual situation of No.2 coal seam in No.12301 working face, the preliminary supporting scheme and the preliminary design are analyzed and uated by using the theoretical analysis and FLAC3D numerical simulation software. The feasibility and reliability of supporting parameters are determined by the scheme. Through application monitoring, the field effect is better and the stability of roadway can be guaranteed. Key words mining roadway ; support ; design 顶、 底板 名称 岩石名称厚度 （m ） 坚硬 程度 特征 基本顶细粒砂岩8.75- 11.5较硬 细粒砂岩, 灰色。石英为主， 长石次 之。 含云母及煤屑。 波状斜层理。 次 圆状， 分选中等。 钙质胶结。 半坚硬。 直接顶砂质泥岩2.6软 砂质泥岩, 黑灰色。断口呈棱角状。 含少量植物茎叶化石。松软。 直接底泥岩0- 0.79软 泥岩，黑灰色，夹细砂岩薄层及条 带，含少量云母碎片及植物根茎叶 化石， 松软。 老底粉砂岩1.0- 2.12较硬 黑灰色， 含少量云母碎片， 夹细粒砂 岩条带。 含少量植物根茎化石。 松软。 157 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 考虑到一般长梁结构的断裂危险点处于梁长度 尺寸的中间靠下边界位置， 可以根据一般长梁最易破 断位置应力特点， 对深梁结构断裂危险点及极限厚度 进行计算[2～4]。由对称性可知， 梁的中间下边界位置剪 应力为零， 梁截面 （0， h/2 ） 处的水平拉应力分量即为 该位置的最大主应力 σ1，由此得到深梁结构相应位 置处的拉应力为 σ1 0,h 2 （ ） q 5 ql 2 h2 根据材料的最大拉应力强度理论可知， 顶板不发 生断裂的安全厚度应满足下式[5] h1≥ l [σ t]/q- 0.2■ 式中 [σt] 为顶板岩层抗拉强度极限，灰岩取 4.2MPa。 代入计算，得到固支边界条件下顶板极限厚度 为 h1≥ 1.5 4.2106/2.5104450- 0.2 ■ 3.60m 类似于固支条件下深梁破断特征的讨论， 简支条 件下深梁应力分量弹性力学表达式为[6] σx- 6q h3 x2y 4q h3 y3 6ql 2 h3 - 3q 5h （）y σy- 2q h3 y3 3q 2h y- q 2 τxy 6q h3 xy2- 3q 2h ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ x 简支梁条件下顶板极限厚度为 h2≥ l [σ t]/3q- 1/15■ 6.24 2 煤上覆顶板厚度平均为 10.13m，直接顶不会 发生拉裂，巷道可以对顶板进行简单支护或者不支 护， 也能保持巷道的稳定。 2.2模拟分析 利用数值模拟， 分析、 评价初步设计的支护方案 及支护参数的可行性与可靠程度， 进行方案优选。 1 ） 模拟方案。采用有限差分数值计算软件 FLAC3D， 将较长巷道作为平面应变问题处理， 建立薄 板数值计算模型宽高厚 50 m50 m5m。 模型 底部限制节点全部位移， 4 个侧面限制节点水平方向 位移， 上部施以 pγH 的应力。 坚硬顶板条件下， 顶板不同支护方式对巷道稳定 性的影响， 支护方式分别为顶板无支护、 锚索支护、 锚 网索支护， 巷帮采用锚网支护， 支护参数见表 2。 表 2不同支护参数设计表 2 ） 塑性区效果。 顶板采用无支护、 锚索支护、 锚杆 索支护时围岩的塑性区分布如图 2 所示。 （a ）无支护（b） 锚索支护 （c ） 锚杆索支护 图 2围岩塑性区分布图 不同支护条件下的巷道开挖后， 两帮浅部均出现 小范围的拉破坏区域， 其余都是压减破坏。随着支护 强度的提高， 顶板中塑性屈服区域逐渐减小， 转变为 弹性状态。 3 ） 巷道收敛变形效果顶板采用无支护、锚索支 护、 锚杆索支护时巷道收敛变形如图 3 所示。 图 3巷道收敛变形图 由图 3 可知， 随着支护强度的提高， 巷道掘进后 顶板最大变形量逐渐减小， 两帮与底板位移也有小幅 方案 顶板巷帮 锚杆参数锚索参数锚杆参数 1 长度//1600mm 直径//16mm 间排距//1200mm1000mm 2 长度/3500mm1600mm 直径/15.5mm16mm 间排距/3000mm2000mm1200mm1000mm 3 长度2000mm3500mm1600mm 直径18mm15.5mm16mm 间排距850mm1000mm3000mm2000mm1200mm1000mm 158 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 度减小。巷道顶板无支护条件下，顶板下沉量 9.97mm， 底臌量 5.36mm， 两帮移近量 16.78mm； 顶板 锚索支护条件下，顶板下沉量 8.89mm，底臌量 5.34mm， 两帮移近量 16.31mm； 锚杆索支护条件下， 顶板下沉量 6.87mm，底臌量 5.32mm，两帮移近量 15.98mm。 综合分析模拟结果，相比于顶板无支护的巷道， 采用锚索支护和锚杆索支护， 顶板塑性区范围分别减 小了 18.2和 63.6；顶板下沉量分别减少了 10.8 和 31.1。由此可知， 使用锚杆索支护对巷道稳定性 提升明显， 此类顶板可采用锚杆索支护。 3支护方案与应用监测 3.1支护方案 支护方案的设计应当因地制宜， 12031 工作面回 采巷道顶板坚硬强度高、 厚度大、 整体性好， 且巷道设 计断面小， 当工作面回采巷道沿灰岩顶板掘进时， 巷 道的自稳能力较强。对于顶板回采巷道， 如果支护方 案富裕系数过大， 不仅增加成本， 而且由于顶板难于 钻孔， 将严重降低支护及掘进效率； 厚硬顶板巷道围 岩变形能主要由两帮及底板释放， 如果顶板支护不 当， 两帮内挤变形和底鼓严重， 影响巷道正常使用， 并 可能最终导致巷道失稳。工作面回采巷道的突出特 点是其顶板强度高、 厚度大、 整体性好。针对这一特 点， 通过理论分析和数值模拟相结合的方法进行支护 设计， 根据现场情况， 确定合理的支护方案及支护参 数见表 3。 表 3支护参数建议表 3.2应用监测 巷道顶板离层通过在顶板相近位置布置长、 短两 根锚索的方式进行测量。具体方法为 先在顶板中线 附近打设两个锚索钻孔，钻孔深度为 2.5m和 5m， 分 别作为顶板离层监测的浅基点和深基点；然后将 2.5m 和 5m 长的锚索放入钻孔中锚固； 最后， 用强力 粘结剂将钢尺粘贴在锚索外端向外探出孔口， 在孔口 设置标记用于读数， 并记录初始刻度。 读数时， 由于顶 板受力产生离层，钢尺与孔口标志产生相对位移， 通 过计算当前读数与初始读数差值即可得出顶板离层 情况。 测量原理如图 4 所示。 底板采用类似的原理埋 设单根 2m 长的锚杆， 锚杆外露 200～300mm， 用于测 量底板位移。 图 4顶板离层监测原理图 12301 工作面运输巷相比回风巷顶板下沉量较 小， 顶板下沉量最大为 159mm， 176mm， 两帮移近量 14.53mm， 锚杆索支护对巷道稳定性有明显提升。 4结语 12301 工作面 2 煤层回采巷道的突出特点是其 顶板较硬、 强度高、 厚度大、 整体性好， 通过将巷道的 力学模型简化为平面固支或者简支的深梁模型进行 理论研究以及结合模拟软件分析， 采用锚杆索方式支 护能够保证巷道在回采期间的稳定性， 可满足巷道的 服务年限。 参考文献 [1] 张向东. 厚硬顶板裸顶支护可行性研究 [J] 煤炭技术, 2016,35 （11） 35- 38. [2] 郭计云. 综放大断面厚煤顶巷道围岩失稳及高延伸率锚 索控制技术[J]煤炭与化工,2017,40 （9） 44- 46. [3] 吴卫星.特殊地质条件下 K2 灰岩裸顶支护的研究与应用 [J]中国煤炭, 2012,（1） 60- 63. [5] 陆云. 王家岭煤矿 20311 工作面胶带巷掘进支护安全措 施[J]现代矿业 2017,33 （6） 261- 263,278. [6] 齐博,董晓勇,林羿潇.锚索梁支护设计在沿空留巷中的探 索与应用[J]山东煤炭科技, 2014, 7） 15- 17. 作者简介 王鑫 （1990 年 11 月 -） ， 男， 汉族， 助理工程师， 2016 年 毕业太原理工大学采矿工程专业， 本科。现任职于霍州煤电 集团团柏煤矿生产科技术员。 （收稿日期 2018- 11- 16） 类别支护方式 支护参数 锚杆锚索挂网 顶板 锚杆 锚索 金属网 直径 18mm 长度 2000mm 间排距 8501000mm 直径 15.5mm 长度 3500mm 间排距 30002000mm 8 冷拔钢丝编织网 长宽 3300mm1000mm 网格 70mm70mm 巷帮 锚杆 塑料网 直径 16mm 长度 1600mm 间排距 12001000mm / 长宽 300001500mm 网格 70mm70mm 搭接长度 70mm 159 ChaoXing