回采工作面巷道围岩变形特征与支护技术研究.pdf

249 科学管理2023年第10期1 引言回采巷道的控制问题一直是煤矿生产中的重要问题，特别是在深部矿井，受高地应力及采动应力的影响，巷道围岩控制难度增加。国内外许多学者对工作面回采巷道控制进行了研究，得到了许多有益的结论。万威1分析了煤矿高地应力、软岩复合顶板回采巷道变形特点，提出了全断面高预紧力锚索支护技术。张旭清2分析了地应力对深部回采巷道布置方向的影响，并通过现场监测，分析了巷道受地应力影响的变形特征。上述研究对深部回采巷道的支护控制提供了重要参考，对镇城底矿而言，除了受高地应力影响外，工作面倾角超过20属典型的大倾角工作面，其回采巷道围岩控制难度进一步加大，因此，需根据工作面的采矿地质条件，进行工作面回采巷道支护优化设计。2 巷道支护优化计算模型镇城底矿位于山西古交西北处，井田面积16.63km2，年设计生产能力190万t。22213位于矿井三采区西北部，主要开采3#煤层，采区煤层的开采标高-750-1200m。22213工作面为该采区首采工作面，工作面走向长度1435m，倾向长度198.5m；煤层平均厚度5.20m，平均倾角23.5；煤层无伪顶发育，直接顶为砂质泥岩，平均4.70m；老顶为中砂岩，平均11.71m；底板以泥岩为主，灰黑色，含碳量较高，平均1.50m。根据22213工作面的采矿地质条件，建立计算模型尺寸为16010030m。计算区域的岩层破坏准则为莫尔库仑模型，固定模型底部边界，横向约束前后左右边界；工作面标高-760-863.61m，地表标高+30.4+33.7m，根据工作面埋深，巷道垂直（z轴方向）地应力施加应力分量16.00MPa，水平面上沿南北方向（x轴）应力分量10.67MPa；考虑到计算模型主要考察巷道围岩变形和破坏情况，同时也为了满足FLAC软件对网格单元尺寸的规定要求，共划分出89，742个长方体单元和87，675个网格点。3 巷道围岩破坏特征分析巷道断面布置在煤层中和部分掘底两种情况下巷道围岩塑性区。当巷道不对底板掘进时，巷道开挖导致上帮肩角方向与采空区两个塑型区域相互贯通，两帮煤体塑性区类型为剪切屈服，实体煤塑性破坏范围2.0m，巷道顶煤塑性范围1.5m左右，塑性区类型为受拉屈服；巷道部分掘进底板时，两帮煤体剪切屈服式塑性区，实体煤帮塑性区范围明显缩小，同时煤柱帮塑性破话范围大面积减小，巷道顶煤减小至不到1.0m，为受拉屈服塑式性破坏。对比巷道断面布置在煤层与部分掘底两种情况，巷道开挖支护后围岩发生塑性变形，引起围岩的应力重分布，在巷道断面角边出现应力集中现象，巷道断面采用部分掘底的方式能有效减缓主应力对巷道上帮的破坏，特别是对于巷道底臌变形控制具有明显优势，一定程度改善了围岩的应力状态，使巷道周边围岩的应力分布均匀，有利于巷道围岩维持稳定。巷道断面部分掘底增加了顶板留煤的厚度，一定程度提高了顶板煤体完整性。综和考虑上覆岩层厚度、锚杆锚固位置以及施工进度，巷道采用部分掘底的方式布置。4 巷道支护模拟计算4.1 数值模拟方案巷道断面整个支护结构的关键是围岩支护，而影响巷道断面稳定性的关键因素又是，锚杆支护参数因此设计合理可靠的锚杆长度和间排距是保障悬吊单轨吊巷道支护成功的基础。根据工程项目背景要求，基于地质条件分析结果和物理模回采工作面巷道围岩变形特征与支护技术研究叶社山西焦煤西山煤电镇城底矿 山西 太原 030053摘要：镇城底矿针对深部大倾角工作面回采巷道掘进中巷道变形较大、围岩难以控制的问题，结合采区地质条件，采用数值模拟方法对不同支护方案下的大倾角回采巷道支护效果进行分析。结果表明，模拟计算表明，围岩应力在该支护方案下有显著改善，最大水平主应力扩展区域增大明显，应力集中现象削弱；巷道帮部应力、顶板及上帮区域应力集中区域明显减小；支护方案对塑性区应变可以有效控制，特别是对煤柱受剪应力作用塑性区发育的控制作用效果提升明显。优化后的支护方案提高了围岩支护强度，显著提高了巷道围岩结构稳定性，能够适应和满足深部大倾角工作面的工程需求。关键词：回采巷道 支护技术 效果分析科学管理 250 2023年第10期拟研究结论，本节采用动态设计法调整锚杆间排距和锚杆长度等参数，模拟分析不同支护方案，设计5组，合计15组数值计算方案。对于所有模拟方案，锚杆参数和巷道锚索支护条件统一如下：顶板锚索：规格为直径17.8mm；间排距16002400mm，每排布置3根锚索；顶板锚杆：采用直径22mm的高强螺纹钢锚杆；锚杆长度和间排距由模拟方案确定；两帮锚杆：采用22mm高强螺纹钢锚杆；锚杆长度和间排距由模拟方案确定。4.2 模拟结果分析（1）顶锚杆间距。图1为不同顶板锚杆间距与巷道围岩变形和锚杆支护受力的变化关系。对比模拟分析结果，顶板锚杆间距对巷道顶板锚杆受力和断面围岩变形影响较大，而对两帮锚杆受力变化影响较小。顶板变形量较两帮变形大约60mm，巷道上帮锚杆较下帮锚杆受力稍大，结合巷道断面宽度，围岩在锚杆锚固作用下形成的受力结构需相互交叉，因此顶板锚杆间距宜小于850mm，距设计为800mm，布置6根锚杆较为适宜。图1 不同间距顶板锚杆模拟结果（2）帮锚杆间距。帮部锚杆间距对锚杆受力、围岩变形产生较大的影响较大，对顶板锚杆受力、顶板变形产生的影响则不大。巷道锚杆受力、围岩变形产生较大变形时，巷道帮锚杆间距为850900mm，结合考虑巷道断面高度、现场施工便利性、单轨吊运行影响以及后期存在沿空掘巷的情况，材料道两帮布置5课锚杆，间距宜小于850mm，使得锚杆锚固体形成的应力三角可以连成一个整体。（3）锚杆排距。巷道锚杆受力、围岩断面变形对锚杆排距变化较为敏感，特别是顶板围岩变形和顶板锚杆受力，当模拟方案中800、700mm锚杆排距时，顶板变形量有较大的差别；两支护方案为900、800mm锚杆排距时，为巷道锚杆受力、断面变形相差不大，考虑到目前巷道都为实体煤巷道，锚杆排距可设为900mm。（4）顶锚杆长度。巷道顶板锚杆长度增加充分发挥高强螺纹钢锚杆承载能力，有效控制了顶板下沉量。此外，考虑到巷道顶板需要悬吊单轨吊辅助运输，运输液压支架对断面高度具有严格要求，顶板锚杆2200mm长时，顶板岩层结构稳定性可进一步提高，因此选用2200mm，更加符合工程需求。（5）帮锚杆长度计算方案选用长度为2000、2200mm两种帮锚杆时，断面变形量较小，结果相差不大。考虑到顶板悬吊单轨吊，帮部采用长2200mm锚杆能一定程度减小顶板锚杆受力，因此帮锚杆长度选用2200mm，可满足帮部围岩变形控制。综上结果，首采面回采巷道支护参数：顶板锚杆间排距选用800900mm，2200mm长锚杆；帮锚杆间排距选用750900mm，2200mm长锚杆。图2 巷道围岩塑性区图2为材料道两种支护方案下，巷道塑性区发育情况对比。在该支护方案下围岩应力显著改善，最大水平主应力扩展区域增大明显，巷道帮部应力、顶板及上帮区域应力集中区域明显减小，巷道围岩应力集中现象较小，可以看出，由计算分析所优选的支护方案对塑性区应变可有效控制，特别是对煤柱受剪塑性破坏，控制效果明显提升。5 结论（1）模拟计算表明，围岩应力在该支护方案下有显著改善，最大水平主应力扩展区域增大明显，应力集中现象削弱；巷道帮部应力、顶板及上帮区域应力集中区域明显减小。（2）优化后的巷道支护方案提高了围岩支护强度，改善了围岩受力状态，显著提高了巷道围岩结构稳定性，更能适应和满足深部大倾角工作面的工程需求参考文献1 万威.大倾角孤岛面回采巷道支护技术研究及应用 J.煤炭科技，2020，41（6）:5.2 张旭清.大倾角综采工作面回采巷道支护技术实践 J.江西煤炭科技，2014（2）:2.