厚煤层巷道沿底掘进围岩变形特征与支护技术研究_张震.pdf

厚煤层巷道沿底掘进围岩变形特征与支护技术研究 张震，方树林 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013 ［ 摘 要］以山西潞安集团佳瑞煤业 15101 工作面轨道巷为工程背景，采用 FLAC3D 数值计算软 件对厚煤层巷道沿底掘进时围岩受力、变形与破坏特征进行模拟分析，并在此基础上提出厚煤层巷道 围岩控制对策，设计合理的锚杆锚索支护参数应用于井下，支护效果良好。 ［ 关键词］厚煤层巷道; 沿底掘进; 围岩变形; 锚杆支护 ［ 中图分类号］ TD353［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201504- 0089- 03 Surrounding Rock Deation Characteristic and Supporting Technology of Roadway Driven along floor in Thick Coalseam ZHANG Zhen，FANG Shu- lin Coal Mining ＆ Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co. ，Ltd. ，Beijing 100013，China Abstract Taking 15101 mining face of Jiarui Coal，Shanxi Lu’an Group as engineering background and applying FLAC3Dnumerical software，the characteristic of stress，deation and failure of track roadway driven along floor in thick coalseam was simulated and analyzed． On the basis of this，surrounding rock control countermeasures for thick coalseam roadway was put forward and rational an- chored bolt and cable supporting parameters were designed． Field application showed that supporting effect was excellent． Keywords roadway in thick coalseam; driving roadway along floor; surrounding rock deation; anchored bolt supporting ［ 收稿日期］ 2014－05－18［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2015. 04. 025 ［ 基金项目］ 国家自然科学基金 51304116 ; 天地科技股份有限公司开采设计事业部青年创新基金 KJ－2014－TDKC－11 ［ 作者简介］ 张震 1985－ ，男，山东德州人，助理研究员，从事矿压理论研究。 ［ 引用格式］ 张震，方树林 . 厚煤层巷道沿底掘进围岩变形特征与支护技术研究 ［ J］ . 煤矿开采，2015，20 4 89－91. 我国厚煤层 煤厚≥3. 5 m的储量和产量占 我国现有煤炭储量和产量的 45左右 ［1 ］，是矿井 实现高产高效开采的主力煤层。以山西潞安集团佳 瑞煤业为例，该矿开采下二叠统太原组 15 号煤， 平均层厚 6. 62m，最大层厚达 8. 57m，属于典型的 厚煤层矿井。煤层厚的特点决定了该类型煤层的矿 井中沿底掘进巷道必然以全煤巷道居多。全国厚煤 层矿区全煤巷道工程约占新建矿井井巷工程总量的 40以上 ［2 ］。由于煤体松软、强度低、易变形等特 点，厚煤层巷道支护难度较一般巷道困难。 安全、有效、快速的煤巷支护技术是保证厚煤 层矿井高产高效和安全生产的必要条件。许多学者 对此进行了研究，提出了多种支护方案 ［3－6 ］，但是 多数未分析清楚厚煤层巷道掘进应力及围岩变形规 律，导致实际支护效果迥异。因此，研究厚煤层巷 道在沿底掘进过程中的围岩应力及变形特征，对于 掌握全煤巷道的矿压显现规律、选择合理的支护技 术、改善支护效果具有重要的指导意义。 本文以山西潞安矿业集团左权佳瑞煤业有限公 司 15101 工作面轨道巷为工程背景，采用有限差分 数值计算软件 FLAC3D对轨道巷在掘进阶段围岩受 力、变形与破坏特征进行了模拟分析，在此基础上 提出了此类厚煤层巷道沿底掘进围岩控制对策，设 计了科学的锚杆锚索支护参数并应用于井下，支护 效果良好。 1工程概况 15101 工作面轨道巷埋深约 270m，设计长度 504m，巷道宽 4. 0m，高 3. 1m，位于本工作面北 侧，与相邻的 15101 回风巷之间的净煤柱尺寸为 25m。巷道沿 15 号煤层底板布置，留顶煤，掘进 期间不受动压影响，其平面布置如图 1 所示。 图 1 15101 工作面轨道巷平面布置 根据钻孔窥视和围岩强度测试结果，15101 轨 道巷顶板以上 0 ～ 3. 82m 为煤顶，平均抗压强度 12. 15MPa; 3. 82 ～ 12. 46m 为直接顶，砂质泥岩， 98 第 20 卷 第 4 期 总第 125 期 2015 年 8 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 20No. 4 Series No. 125 August2015 ChaoXing 平均抗压强度 51. 82MPa; 12. 46 ～ 18. 81m 为基本 顶，石灰岩，平均抗压强度 76. 39MPa。巷道底板 以下 0 ～ 4. 04m 为直接底，泥岩，平均抗压强度 23. 47MPa; 4. 04～8. 00m 为基本底，砂质泥岩，平 均抗压强度 35. 66MPa。巷道围岩综合柱状见表 1。 表 1 15 号煤层顶底板综合柱状 层位层厚/m岩石名称岩性特征 基本顶6. 35石灰岩灰色，中厚层状，致密坚硬 直接顶8. 64砂质泥岩 灰黑色，薄层状，水平层理，含黄 铁矿结核，岩芯破碎 15 号煤层6. 62 15 号煤 黑色，亮煤为主，暗煤次之，条带 状，内生裂隙发育阶梯状断口，玻 璃光泽，条痕为黑色，夹矸为泥岩 直接底4. 04泥岩 灰黑色，块状，软，含植物化石， 岩芯呈短柱状 基本底3. 96砂质泥岩 灰黑色，薄－中厚层状，贝壳状断 口，软，岩芯呈短柱状 2厚煤层巷道沿底掘进应力及变形特征分析 以佳瑞煤业 15101 工作面轨道巷为模拟对象， 采用 FLAC3D对厚煤层巷道沿底掘进围岩应力及变 形特征进行模拟分析。 根据 15101 轨道巷的地质和生产条件，建立数 值模型。模型尺寸为长宽高 100m10m 110m，包含 113900 个单元体和 127512 个节点。 数值计算选用 Mohr－Coulomb 本构模型，模型边界 条件为 四周铰支，底部固支，上部为自由边界。 煤岩体物理力学参数按表 2 取值。 表 2煤岩体物理力学参数 岩性 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 黏聚 力/MPa 摩擦角 / 抗拉强 度/Pa 密度/ kg m －3 石灰岩5. 04. 72. 733. 02. 02610 砂质泥岩3. 11. 31. 526. 52. 12320 15 号煤1. 3 4. 22. 023. 00. 81620 泥岩6. 83. 52. 423. 01. 32430 砂质泥岩6. 14. 13. 334. 02. 12647 2. 1应力分布与变化特征 对巷道开挖过程中掘进工作面的垂直应力、水 平应力分布特征分别进行模拟，结果如图 2 所示。 从图 2 中可以看出，当巷道沿煤层底板掘进 时，煤层下部岩层承担了大部分由于巷道开挖造成 的集中垂直应力和水平应力，塑性破坏比较严重。 垂直应力在巷道顶底板成不对称分布，两侧集中区 域偏巷道下部，巷道顶板的垂直应力降低区域大于 巷道底板; 水平应力在巷道顶底板基本对称分布， 巷道底板的应力集中程度及范围大于巷道顶板，水 平应力降低区域在巷道两侧对称分布，但在巷道上 部应力降低区域明显扩大 煤层范围内 。 图 2厚煤层沿底掘进巷道围岩应力分布 2. 2围岩变形与破坏特征 对巷道开挖过程中掘进工作面的位移及塑性破 坏区分布分别进行了模拟，计算结果如图 3 所示。 从图 3 可以看出，当巷道沿煤层底板布置时，巷道 垂直方向位移在巷道顶底板成不对称分布，巷道顶 板的位移量也明显大于巷道底板; 巷道围岩水平方 向位移在巷道两侧基本对称分布，但巷道左右斜上 部的位移明显大于下部的位移; 从总体位移看，两 帮及顶板变形的分布范围及变形量相对较大。 图 3巷道围岩位移分布 综合图 2 和图 3，厚煤层巷道沿底掘进时，煤 层顶板作为相对软弱层，其承载性能较岩层差，下 部岩层承受较大的集中应力，导致两帮煤体及顶煤 变形量和破碎带相对较大。 09 总第 125 期煤矿开采2015 年第 4 期 ChaoXing 3厚煤层巷道沿底掘进支护方案 根据数值模拟结果，厚煤层巷道掘进支护的关 键是控制承载性能相对软弱的煤顶及煤帮。选择佳 瑞煤业 15101 工作面轨道巷为试验对象，对其进行 高强预应力锚杆锚索组合支护计算和设计 ［2 ］。 1煤顶采用锚索网配钢筋梯梁支护锚杆 选用 335 号、20mm 左旋无纵筋螺纹钢，长度 2. 4m，间排距 1. 1m1. 1m，采用 2 支树脂锚固剂 MSK2335MSZ2360加长锚固，设计锚固力不低 于 105kN，锚杆拧紧力矩应达到 300Nm，但禁止 超过 450Nm。锚索选用 18. 9mm，17 股高强 度 低 松 弛 预 应 力 钢 绞 线，破 断 强 度 不 低 于 1860MPa，延伸率 4，长度 6. 3m，间排距 1. 6m 2. 2m，采用 3 支树脂锚固剂 1 MSK2335 2 MSZ2360锚固，锚索张拉预紧力不低于 250kN。 护顶构件采用菱形金 属 网，网 孔 规 格 50mm 50mm，网片尺寸 4. 4m1. 2m，网间搭接 100mm。 钢筋梯梁选用直径 14mm，长度 3500mm 的钢筋焊 接而成，焊接宽度 80mm。 2左右两煤帮均采用锚网梁组合支护锚 杆规格和间排距同顶板，锚杆长 2. 0m，采用 1 支 树脂锚固剂 MSZ2360加长锚固。护帮构件同样 采用菱形金属网和钢筋梯梁，网片尺寸 2. 8m 1. 2m，梯梁长度 2. 6m。 巷道支护布置如图 4 所示。 图 4 15101 轨道巷支护布置示意 4支护效果 在 15101 轨道巷采用上述支护方案施工 100m 后，在巷道内设置了 2 个测站，在整个掘进期间分 别对顶板离层和巷道表面位移进行连续监测，结果 如图 5、图 6 所示。 图 5试验巷道掘进期间顶板离层变化曲线 图 6试验巷道掘进期间表面位移变化曲线 顶板离层监测结果显示 巷道开挖，顶板浅部 和深部持续发生离层;开挖 30m 后，离层不再持 续。15101 轨道巷浅部离层最终稳定在 4. 6mm，深 部离层最终稳定在 2. 9mm，总离层值为 7. 5mm。 顶板离层低于安全值，表明高强预应力锚杆锚索组 合支护体系对顶板离层具有明显的约束作用。 由表面位移监测结果可以看出 巷道一开口， 两帮和顶底板就产生变形;变形要持续相当长时 间，最终在距迎头约 65m 以后趋于稳定。15101 轨 道巷两帮移近量最终为 24. 9mm，为巷道初始宽度 的 0. 62; 顶底板移近量最终为 16. 8mm，为初始 高度的 0. 54。巷道表面位移较小，表明高强应 力锚杆锚索支护很好地控制住了围岩变形，巷道两 帮和顶底板保持稳定，支护效果理想。 5结论 1采用 FLAC3D对佳瑞煤业 15101 工作面轨 道巷进行模拟，分析得出厚煤层巷道沿底掘进 时，煤层顶板作为相对软弱层，其承载性能较岩层 差，下部岩层承受较大的集中应力，导致两帮煤体 下转 72 页 19 张震等 厚煤层巷道沿底掘进围岩变形特征与支护技术研究2015 年第 4 期 ChaoXing 大，支护效果一般，导致矿上采掘衔接紧张; 地质 构造段巷道支护效果差，掘进期间巷道不得不 “前方掘进、后方起底” ，回采期间巷道不得不起 底、刷帮。 李雅庄矿井下进行了 3 根锚杆的拉拔试验，锚 固力均能达到要求，还进行过 W 钢护板试验，试 验效果较好。采用高预应力强力锚杆锚索和 W 钢 护板支护，锚杆、锚索间排距比原来放大 0. 2m， 提高单根锚杆强度，提高预紧力，这样巷道支护材 料成本与原支护方式支护材料成本相差不大; 巷道 支护效果明显改善，巷道在掘进期间表面位移如图 6 所示，变形很小，保证了围岩的完整性，在巷道 表面形成了一个稳定的承载结构，将来能够抵御回 采产生的超前集中应力影响，实现巷道的一次支 护，并且巷道掘进速度每月提高约 20m，掘进速度 得到大幅度提高。 图 6巷道表面位移 目前，W 钢护板支护效果已经得到矿上高度 认可，该矿已开始自己加工 W 钢护板，在所有掘 进的回采巷道中使用，大幅度提高了支护效果与掘 进速度，锚杆排距由 800 ～ 900mm 放到 1000mm， 极大地缓解了该矿采掘衔接紧张的状况。 4结论 1对于 3 种类型的巷道，当巷道轴线方向 与最大水平主应力呈 47夹角时，巷道围岩变形破 坏较为严重，特别是顶、底板; 当巷道轴线方向与 最大水平主应力呈 59夹角时，巷道顶、底板变形 破坏范围最小，与两帮破坏程度和夹角为 32时相 当。 2巷道围岩中最大水平主应力大于垂直主 应力时，要特别关注巷道顶、底板的破坏; 在支护 设计时，首先要控制顶板和两帮围岩的稳定性，在 此基础上尽量减小底鼓，争取做到不起底。 3井下实践表明，采用高预应力强力锚杆 锚索和钢护板支护，巷道支护效果明显改善，巷道 基本上没有变形，保证了围岩的完整性，在巷道表 面形成了一个稳定的承载结构，将来能够抵御回采 产生的超前集中应力影响，同时提高了掘进速度。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 倪兴华 . 地应力研究与应用 ［M］ . 北京煤炭工业出版社， 2007. ［ 2］ 李宝珠 . 矿井地质力学测试在巷道支护中的应用 ［J］ . 煤炭 科学技术，2006，34 8 46－50. ［ 3］ 孙玉福 . 水平应力对巷道稳定性的影响 ［J］ . 煤炭学报， 2010，35 6 892－893. ［ 4］ 康红普，王金华，等 . 煤巷锚杆支护理论与成套技术 ［M］ . 北京 煤炭工业出版社，2007. ［ 5］ 康红普 . 煤巷锚杆支护成套技术研究与实践 ［J］ . 岩石力学 与工程学报，2005，24 21 3959－3964. ［责任编辑 王兴库］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 91 页 及顶煤变形量和破碎带相对较大。 2根据围岩受力、变形特征，提出厚煤层 巷道掘进支护的关键是控制承载性能相对软弱的煤 顶及煤帮，对厚煤层沿底掘进全煤巷道设计了高强 预应力锚杆锚索组合支护方案。 3巷道表面位移及顶板离层观测结果表明， 高强预应力锚杆锚索组合支护技术在佳瑞煤业 15101 工作面轨道巷取得了良好的支护效果，该支 护形式可以在类似厚煤层巷道中推广应用。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 王家臣 . 我国厚煤层开采技术新进展 ［ A］ . 第七次煤炭科学 技术大会文集 ［ C］ . 北京 煤炭工业出版社，2011. ［ 2］ 康红普，王金华 . 煤巷锚杆支护理论与成套技术 ［M］ . 北 京 煤炭工业出版社，2007. ［ 3］ 张占涛 . 大断面煤层巷道围岩变形特征与支护参数研究 ［ D］ . 北京 煤炭科学研究总院，2009. ［ 4］ 曹虎斌 . 特厚煤层沿底全煤巷道锚杆支护技术可行性研究 ［ J］ . 华北科技学院学报，2013，10 1 56－59. ［ 5］ 路聚堂，刘建军，王斌，等 . 厚煤层软煤巷道围岩活动规 律及支护数值分析 ［J］ . 西安科技大学学报，2010，30 3 275－279. ［ 6］ 赵华山，吕广辉 . 厚煤层沿底掘进全煤巷道锚网索联合支护 设计探讨与应用 ［ J］ . 中国西部科技，2009，8 5. ［ 7］ 彭文斌 . 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