深井中等稳定顶板沿空留巷锚注切顶支护技术研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 移动扫码阅读 范德源刘学生谭云亮等.深井中等稳定顶板沿空留巷锚注切顶支护技术研究.煤炭科学技术 . / . / 深井中等稳定顶板沿空留巷锚注切顶支护技术研究 范德源刘学生谭云亮徐 强王 军 山东科技大学 矿业与安全工程山东 青岛 摘 要为解决深井高应力沿空巷道围岩变形大、支护困难的问题以孙村煤矿 工作面地质和开采条 件为背景采用数值模拟软件 建立计算模型分析比较了采用普通锚索、普通锚索巷旁切顶和注浆 锚索巷旁切顶 种支护方案时深井高应力沿空巷道围岩应力和变形破坏规律 研究结果表明与前 种 支护方案相比采用注浆锚索巷旁切顶支护方案时顶底板及两帮变形量分别减小了.和.实体 煤和巷旁单体支柱受力分别降低了.和.控制围岩效果更好 现场试验验证表明 工作面回 风巷采用注浆锚索巷旁切顶方案进行改进支护后第 个工作面回采结束时顶底板和两帮最大移近量分 别为 和 下个工作面推进至测站位置时顶底板和两帮累计移近量分别为 和 围岩变形得到了有效控制可较好地解决该类巷道支护问题 关键词深井高应力沿空留巷围岩变形围岩控制锚注切顶 中图分类号 文献标志码 文章编号 . . . . . . . . . . . 收稿日期责任编辑朱恩光 基金项目国家重点研发计划资助项目国家自然科学基金资助项目山东省自然科学基金资助项目 作者简介范德源男山东泰安人硕士研究生 . 通信作者刘学生男山东德州人讲师 . 引 言 沿空留巷是沿采空区边缘将本工作面回采巷道 保留下来用于下区段回采的巷道布置方式和围岩控 制技术 沿空留巷取消了煤柱实现无煤柱连续开 采有效缓解了采掘接替紧张的局面消除了煤柱区 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 域的应力集中是煤矿开采及回采巷道围岩控制技术 的一项重大改革是我国煤炭资源开采的重要发展方 向 国内外学者围绕沿空留巷围岩变形破坏规 律、顶板控制、巷旁支护技术等方面开展了大量研究 如张农等利用现场实测和理论分析相结合的方 法提出了沿空巷道围岩变形失稳规律谢生荣 等采用应变软化模型研究了沿空留巷围岩偏应 力和塑性区演化规律陈勇等通过建立沿空留巷 上覆岩层结构力学模型分析了不同巷旁支护体宽度 时的沿空留巷维护效果确定了合理的巷旁支护体宽 度康红普等采用数值模拟分析沿空巷道围岩变 形与应力分布特征提出了深部沿空留巷支护的设计 原则柏建彪等分析了巷旁支护体受力变形特征 探讨了巷旁支护体作用机制提出膏体材料巷旁充填 沿空留巷技术李化敏根据充填体与顶板相互作 用原理建立了相应的支护阻力及合理压缩量数学模 型文献在分析坚硬顶板岩梁剧烈运动特征 的基础上提出了沿空巷旁支护适应性原理构建了 “柔强”组合巷旁支护力学结构模型孟庆彬等分 析了破裂岩样注浆加固前后的力学特性与微观结构 提出了“锚注加固体等效层”的概念上述研究为沿 空留巷技术的推广应用奠定了坚实基础 然而近年来我国煤炭资源开采逐渐转向深部 受深部“三高一扰动”恶劣环境影响煤岩石的 力学性质、工程响应等发生明显改变围岩变形量显 著增大使得沿空巷道维护变的异常困难大变形破 坏事故时有发生 因此以孙村煤矿 工作面 地质及开采条件为背景开展 种不同支护方案下深 部沿空巷道围岩应力及变形破坏规律的模拟研究确 定最优支护方案并采用现场试验进行验证 深井高应力中等稳定顶板沿空留巷数值 模拟 . 工作面概况 孙村煤矿 工作面位于 水平二层 煤二采区第亚阶段 东邻 工作面采空区西 邻 断层南邻 工作面采空区北部未开采 工作面巷道埋深为 .. 工作面煤 层稳定平均煤厚 工作面直接顶为砂质泥岩 平均厚度为 之上有厚 .. 的泥质页岩 为中等稳定顶板 基本顶为粉砂岩灰色、层理不发 育致密坚硬平均厚度为 直接底为粉砂岩 平均厚度. 工作面采用单巷布置方式 条平巷分别 为运输巷和回风巷其中回风巷兼顾辅助运输的功 能 工作面开采后将回风巷保留下来作为下一工 作面 运 输 巷 使 用 巷 道 断 面 为 矩 形 巷 道 宽 高 采用普通锚索按照间排距 配合钢梁进行顶板支护留巷侧采 用单体支柱进行支护如图 所示 由于受到高地 应力和工作面开采扰动等影响 工作面沿空巷 道围岩变形破坏十分严重给矿井安全生产和高产 高效造成严重影响 图 回风巷沿空巷道断面 . . . 模型建立及模拟方案 模型建立 根据孙村煤矿 工作面及沿 空巷道实际条件建立 计算模型计算模型 长 宽 高 模型共划分 个单元 个节点 模型底部边界 固定顶部为应力边界应力值为上部岩层自重其 余面均施加水平位移约束 模型中各岩层采用摩尔 库伦本构模型通过室内岩石力学试验和岩体结 构面现场地质调查相结合的方式确定 工作面 煤岩石物理力学参数见表 表 煤岩石物理力学参数 名称 密度/ 黏聚 力/ 内摩 擦角/ 抗拉 强度/ 体积 模量/ 剪切 模量/ 粉砂岩 .... 中粒砂岩 .... 细粒砂岩 .... 泥质页岩 .... 砂质泥岩 .... 煤 .... 锚索采用结构单元 来模拟 单元主要 承受轴向载荷 将锚索分成 个常应力锚索单元每 个单元长. 锚固段 个单元通过采用弹簧元件 和摩擦元件串联与锚索孔壁的单元相作用自由段 个单元采用弹簧元件模拟轴力预紧力最外端的 个单元与顶板长方体单元节点刚性连接 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 范德源等深井中等稳定顶板沿空留巷锚注切顶支护技术研究 年第 期 图 沿空留巷数值计算模型 . 模拟方案 针对孙村煤矿深井中等稳定顶板沿 空留巷支护困难问题提出了如下 种支护方案 方案 普通锚索支护 巷道顶板采用普通预应 力锚索支护预应力锚索规格为 间排距 巷旁布置 排单体支柱支护 顶板间距 计算模型如图 所示 方案 普通锚索巷旁切顶支护 巷道顶板采 用普通预应力锚索支护预应力锚索规格为 间排距 巷旁布置 排 单体支柱支护顶板间距 巷旁切顶眼深 水平仰角 计算模型如图 所示 方案 注浆锚索巷旁切顶支护 巷道顶板采 用中空注浆锚索支护中空注浆锚索规格为 间排距 巷旁布置 排 单体支柱支护顶板间距 巷旁切顶眼深 水平仰角 计算模型如图 所示 数值模拟计算过程为原岩应力初始平衡沿 空巷道开挖施加支护结构巷旁切顶工作 面回采计算结果及分析 图 支护计算模型 . . 数值模拟结果及分析 .. 普通锚索支护方案结果及分析 采用方案 普通锚索支护方案时工作面开采 后模型垂直应力、垂直位移、水平位移以及塑性区分 布如图 所示由图 可知沿空巷道煤壁侧出现 明显的应力集中巷旁单体支柱受到压应力应力峰 值分别为 .、. 巷道围岩变形较大顶 底板相对移近量为 两帮相对移近量为 巷旁单体支柱压缩量为 巷道顶板 破坏深度为 . 左右实体煤侧的破坏深度为 . 左右巷道底板的破坏深度为 . 围岩破坏范 围大巷道围岩的破坏形式以剪切破坏为主 图 方案 数值计算结果 . .. 普通锚索巷旁切顶支护方案结果及分析 采用方案 普通锚索巷旁切顶支护方案时 工作面开采后模型垂直应力、垂直位移、水平位移以 及塑性区分布如图 所示由图 可知沿空巷道 煤壁侧出现明显的应力集中巷旁单体支柱受到压 应力应力峰值分别为 .、. 巷道围岩 变形较大顶底板相对移近量为 两帮相对 移近量为 巷旁单体支柱压缩量为 巷道顶板破坏深度为 . 左右实体煤侧的破 坏深度为 . 左右巷道底板的破坏深度为 . 围岩破坏范围减小且破坏多集中于巷旁切顶处 巷道围岩的破坏形式以剪切破坏为主 图 方案 数值计算结果 . 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 .. 注浆锚索巷旁切顶支护结果及分析 采用方案 注浆锚索巷旁切顶支护方案时 工作面开采后模型垂直应力、垂直位移、水平位移以 及塑性区分布如图 所示由图 可知沿空巷道 煤壁侧出现明显的应力集中巷旁单体支柱受到压 应力应力峰值分别为 .、. 巷道围岩 变形较大顶底板相对移近量为 两帮相对 移近量为 巷旁单体支柱压缩量为 巷道顶板破坏深度为 . 左右实体煤侧的破 坏深度为 . 左右巷道底板的破坏深度为 . 巷道周围主要是压剪破坏而且巷道基本顶塑性 区基本以切顶线为界沿空侧塑性破坏区范围大巷 道上方塑性破坏区小 图 方案 数值计算结果 . .. 最优支护方案确定 上述 种支护方案的模拟结果见表 表 沿空留巷数值模拟结果 方案 单体支 柱应力/ 实体煤 处应力/ 巷道顶 底板位 移/ 单体支 柱压缩 量/ 两帮移 近量/ 方案 .. 方案 .. 方案 .. 由表 可知采用方案 普通锚索支护方案时 巷道煤壁侧以及巷旁单体支柱应力大沿空巷道围 岩变形明显巷旁单体支柱压缩量大围岩维护 困难 相比于方案 采用方案 普通锚索巷旁切顶 支护方案时巷道煤壁侧垂直应力峰值减小了 .单体支柱垂直应力峰值减小了 .顶底 板移近量与巷旁单体支柱压缩量均下降了 .两 帮相对移近量减小了 .顶板塑性区破坏范围减 小了 . 左右且破坏多集中于巷旁切顶处 由 此可见采用巷旁切顶后顶底板以及巷旁单体支柱 受力、变形都发生了不同程度的减小 相比于方案 采用方案 注浆锚索巷旁切顶 支护方案时巷道煤壁侧垂直应力峰值减小了 .单体支柱垂直应力峰值减小了 .顶底 板移近量与巷旁单体支柱压缩量均下降了 两 帮相对移近量减小了 .顶板塑性区破坏范围 明显减小且多以切顶线为界 由此可见采用注浆 锚索有效的降低了巷旁单体支柱的受力大幅减小 了单体支柱的压缩量 因此确定方案 注浆锚索巷旁切顶支护方 案为最优支护方案 锚注与切顶相互配合不仅能 充分发挥锚注支护的主动加固作用提高了直接顶 岩层整体性而且由于巷旁悬顶的切落使巷旁单体 支柱上方需要支撑的顶板厚度减小降低了单体支 柱的受力使得单体支柱的压缩量明显减小 深井高应力沿空留巷锚注切顶支护工程 实践 . 锚注切顶支护方案 基于上述模拟结果分析将 工作面沿空巷 道支护方案改为注浆锚索巷旁切顶支护方案所采 用的主要支护材料有金属铰接顶梁、单体液压支柱、 锚索、注浆浆液等 具体支护参数为使用 中空注浆锚索并配合 / 金属铰 接顶梁按照间排距 设置 排注浆 锚索进行锁边切顶支护沿空巷道内使用 中空注浆锚索按间排距 设置 排注浆锚索进行顶板支护单体液压支柱选用 / 型单体液压支柱按照间距. 设 置 排做为巷旁支护注浆浆液选用改性后的浆液 其水灰比为 .添加剂掺量为 具体施工工艺为首先在工作面超前支承压力 影响范围外打巷旁切顶钻孔随后在工作面超前支 承压力影响范围内沿切顶线内侧打注浆锚索并在 巷旁进行单体支柱支护巷内根据围岩破坏情况适 当补打注浆锚索根据巷旁切顶情况确定是否需要 进行辅助爆破 . 沿空巷道锚注切顶支护效果分析 为了检验孙村煤矿 工作面沿空巷道锚注切 顶支护效果采用十字交叉法对围岩表面位移进行监 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 范德源等深井中等稳定顶板沿空留巷锚注切顶支护技术研究 年第 期 测共布置 个测点在 工作面沿空巷巷内距工作 面、、 处设置号测站待工作面推进到 测点位置时开始监测测站布置如图 所示 图 测站布置 . 沿空巷道围岩变形监测结果如图 所示由图 可知第 个工作面回采时巷道围岩变形量总体 呈先增大后趋于稳定的变化规律第 个工作面推 过测站 后围岩变形量开始增大工作面推 过测站约 后围岩变形量趋于稳定顶底 板最大移近量为 两帮最大收敛量为 当第 个工作面回采结束后进行下一个工作 面回采时受超前支承压力的影响围岩变形在原来 的基础上继续增加直至工作面推进至测站位置此 时顶底板累计移近量为 两帮累计收敛量为 沿空留巷顶底板及两帮完整性较好可以 满足巷道的正常使用 由此可知锚注切顶支护方 案可以较好的控制围岩变形围岩稳定性好支护效 果明显优于原有支护方案 图 沿空巷道围岩变形监测结果 . 另外综合对比支护和维修费用可知与原有支 护方案相比采用注浆锚索巷旁切顶支护方案具 有显著的经济效益费用降低约 元/ 由此 在深井高应力条件下采用注浆锚索巷旁切顶支护 沿空巷道时不仅可以有效控制巷道围岩变形为实 现同煤层的连续开采提供强有力的安全保障而且 经济效益也十分显著推广应用前景广阔 结 论 采用注浆锚索巷旁切顶支护方案时顶底 板及两帮变形量分别减小了 .和 .实体 煤和巷旁单体支 柱 受 力 分 别 降 低 了 . 和 .充分发挥并提高了围岩自身的承载能力巷 旁单体支柱的受力明显降低巷道围岩变形得到了 有效控制 采用注浆锚索巷旁切顶支护方案进行改进 后沿空巷道围岩变形量显著减少当第 个工作面 回采结束后顶底板最大移近量为 两帮最 大收敛量为 之后在下个工作面推进至测 站位置时顶底板累计移近量为 两帮累计 收敛量为 顶底板及两帮完整性较好留巷 效果改善明显 注浆锚索巷旁切顶支护方案具有较好的切 顶效果能够加固破碎围岩发挥其自承能力技术 优势明显而且成本较低经济和社会效益显著具 有广阔的推广应用前景 参考文献 宋振骐崔增娣夏洪春等.无煤柱矸石充填绿色安全高效开 采模式及其工程理论基础研究.煤炭学报 . . . . 何东升刘旦龙张洋.复合顶板中厚煤层切顶卸压留巷无 煤柱开采技术.煤炭科学技术. . . . 朱 珍袁红平张科学等.切顶卸压无煤柱自成巷顶板下沉 分析及控制技术.煤炭科学技术. . . . 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 张 农韩昌良阚甲广等.沿空留巷围岩控制理论与实践 .煤炭学报. . . . 张 农张志义吴 海等.深井沿空留巷扩刷修复技术及应 用.岩石力学与工程学报. . . . 张农陈红陈瑶.千米深井高地压软岩巷道沿空留巷 工程案例.煤炭学报. . . . 谢生荣张广超何尚森等.深部大采高充填开采沿空留巷围 岩控制机理及应用.煤炭学报. . . . 谢生荣岳帅帅陈冬冬等.深部充填开采留巷围岩偏应力演 化规律与控制.煤炭学报. . . . 陈 勇柏建彪王襄禹等.沿空留巷巷内支护技术研究与应 用.煤炭学报. . . . 陈 勇柏建彪朱涛垒等.沿空留巷巷旁支护体作用机制及 工程应用.岩土力学. . . . 康红普牛多龙张 镇.深部沿空留巷围岩变形特征与支护 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