特厚煤層大斷面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及分析

張向東 呂金偉 周新勍 高 飛

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院,遼寧 阜新 123000;2.同煤集團(tuán)朔州煤電鐵峰煤業(yè)有限公司,山西 朔州 037200)

特厚煤層大斷面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及分析

張向東1呂金偉1周新勍1高 飛2

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院,遼寧 阜新 123000;2.同煤集團(tuán)朔州煤電鐵峰煤業(yè)有限公司,山西 朔州 037200)

在特厚煤層中掘進(jìn)的巷道，巷道周?chē)鷩鷰r均是煤巖。為了進(jìn)一步研究特厚煤層中巷道周?chē)后w的變形和破壞特征，確定合理有效的支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)，保證煤礦的安全順利生產(chǎn)，選取南陽(yáng)坡5#煤層中的1條巷道為研究對(duì)象，巷道斷面形式為圓弧拱形，寬4.3 m，弧頂高度3.4 m，為大斷面巷道。在確定巷道斷面形狀和尺寸的基礎(chǔ)上，對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬方法，確定了錨-網(wǎng)-索支護(hù)方案。工程實(shí)踐表明：該方法能夠有效的控制巷道周?chē)簬r的變形，支護(hù)效果好，兩幫和頂板的位移得到了有效的控制，巷道變形短期內(nèi)即趨于平穩(wěn)。且支護(hù)成本大大降低，支護(hù)采用錨桿錨索，減少了支護(hù)所用時(shí)間。該支護(hù)方法具有較高的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)積極推廣應(yīng)用于生產(chǎn)。

大斷面煤巷 支護(hù) 監(jiān)測(cè) 數(shù)值分析

煤作為重要能源之一，大部分均深埋于地下，許多國(guó)家展開(kāi)了對(duì)深埋地下煤炭資源的力學(xué)、熱力學(xué)、滲流、化學(xué)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[1]，許多室內(nèi)三軸試驗(yàn)證實(shí)，煤的彈性模量和黏聚力要明顯小于相鄰上下層的巖石[2-5]。巷道開(kāi)挖后在巷道周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致巷道周?chē)鷩鷰r產(chǎn)生損傷而破壞[6]。在國(guó)內(nèi)，許多學(xué)者對(duì)煤巷進(jìn)行了大量的研究，康紅普、王金華等[7]提出高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)，配合注漿可以有效控制圍巖的大變形。黃萬(wàn)鵬[8]將巖石流變及其擾動(dòng)效應(yīng)理論應(yīng)用于深井巷道工程實(shí)踐中，推導(dǎo)出了巷道圍巖保持長(zhǎng)期穩(wěn)定所需要的支護(hù)反力的計(jì)算公式。

南陽(yáng)坡5#煤層為特厚煤層，平均厚度達(dá)11 m，極易發(fā)生頂板離層和冒頂。因此優(yōu)化巷道的設(shè)計(jì)對(duì)南陽(yáng)坡礦的生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在厚煤層中掘進(jìn)大斷面巷道，解決巷道變形大、整體穩(wěn)定性差的問(wèn)題顯得尤為重要。

1 巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)

5#煤層408-2巷道，深度270 m左右，巷道周?chē)鷩鷰r全部是煤炭。煤層上下層以泥巖為主，圍巖強(qiáng)度較弱，地應(yīng)力不大。所以綜合考慮巷道的服務(wù)年限和用途及巷道圍巖性質(zhì)和地應(yīng)力，選取巷道斷面形式為圓弧拱形。取408-2掘進(jìn)工作面的煤塊試樣，并對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，得到其物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 煤物理力學(xué)指標(biāo)

依據(jù)煤的物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)南陽(yáng)坡礦408-2掘進(jìn)面巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，巷道支護(hù)設(shè)計(jì)如圖1所示。頂部錨桿沿圓弧形間距為1 m，幫部錨桿間距為1 m，第一道錨桿距離底板1.15 m。錨桿均采用螺紋鋼錨桿，排距為1 m，直徑22 mm，長(zhǎng)度2 200 mm。錨桿托盤(pán)為150 mm×150 mm×10 mm的鋼托盤(pán)。頂板錨索布置如圖1所示，平面采用1-2-1布置形式，錨索斷面與相鄰錨桿斷面間距0.5 m，錨索排距為1 m，錨索直徑15.7 mm，長(zhǎng)度5 000 mm，錨索用托盤(pán)為350 mm×350 mm×20 mm的大托盤(pán)。錨桿錨索端部均采用CK2370快速錨固劑錨固。金屬網(wǎng)由直徑6 mm鋼筋制作，網(wǎng)格尺寸為10 mm×10 mm，鋼帶由直徑為12 mm的圓鋼自制而成。

圖1 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

2 巷道的模擬分析

2.1 模型建立

采用Midas GTS軟件對(duì)巷道的開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程進(jìn)行模擬，并對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)。巷道周?chē)鷩鷰r全部是煤體，煤層平均厚度達(dá)11 m，上下層以砂質(zhì)泥巖為主，層中局部夾有砂巖，模型中采用的泥巖與煤的主要力學(xué)參數(shù)如表2所示，支護(hù)主要材料參數(shù)如表3所示。模型尺寸取60 m×70 m×80 m，上下2部分為砂巖，中間為煤層，巷道埋深270 m左右，所以在模型上部施加5 MPa的壓應(yīng)力。每步施工步驟開(kāi)挖為4 m，每步挖完即進(jìn)行支護(hù)。模型中錨桿、錨索采用直線單元模擬，金屬網(wǎng)采用面單元模擬。模型共29 172個(gè)節(jié)點(diǎn)，25 840個(gè)單元，模型網(wǎng)格圖如圖2所示。

表2 煤巖體數(shù)值計(jì)算參數(shù)

表3 支護(hù)材料數(shù)值計(jì)算參數(shù)

圖2 三維模型

2.2 模型分析

在計(jì)算中記錄兩幫節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2和頂板節(jié)點(diǎn)3的位移值，分別計(jì)算巷道在支護(hù)前和支護(hù)后頂板及兩幫的位移值，以此來(lái)檢驗(yàn)方案的可行性，具體見(jiàn)表4。結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)方案可以有效地控制巷道圍巖的變形，保證巷道的穩(wěn)定性。

表4 支護(hù)前后圍巖變形

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

巷道圍巖的變形監(jiān)測(cè)是評(píng)價(jià)巷道支護(hù)是否有效的重要方式，巷道變形監(jiān)測(cè)可以有效地反映在巷道實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中圍巖的演變規(guī)律，煤巷周?chē)后w在應(yīng)力重分布作用下會(huì)表現(xiàn)出變形和塑性區(qū)煤體裂縫的持續(xù)發(fā)展。因此要通過(guò)監(jiān)測(cè)來(lái)完善和改進(jìn)支護(hù)參數(shù)，保證巷道的安全性和穩(wěn)定性。

3.1 變形監(jiān)測(cè)

3.1.1 監(jiān)測(cè)方案

本工程巷道的變形監(jiān)測(cè)共選取2個(gè)監(jiān)測(cè)測(cè)站，測(cè)站1距離輔助運(yùn)輸大巷50 m，測(cè)站2距離輔助運(yùn)輸大巷100 m。采用JSS30A型數(shù)顯式收斂計(jì)。測(cè)點(diǎn)布置為3點(diǎn)式，即兩幫中點(diǎn)和頂板中點(diǎn)設(shè)置測(cè)點(diǎn)觀測(cè)兩幫和頂板的變形量[9-10]，變形曲線見(jiàn)圖3、圖4所示。

圖3 測(cè)站1變形曲線

圖4 測(cè)站2變形曲線

3.1.2 結(jié)果分析

測(cè)站1的數(shù)據(jù)顯示巷道頂板下沉在11 d后趨于穩(wěn)定，累計(jì)下沉量為19.3 mm，巷道幫部變形在9 d后趨于穩(wěn)定，兩幫累計(jì)向內(nèi)收斂量為6.1 mm。測(cè)站2的數(shù)據(jù)顯示巷道頂板在監(jiān)測(cè)期間持續(xù)下沉，在11 d后趨于穩(wěn)定，累計(jì)下沉量為18.6 mm，而幫部變形也在11 d后趨于穩(wěn)定，兩幫累計(jì)向內(nèi)收斂量為5.9 mm。

綜上，巷道在開(kāi)挖后開(kāi)始變形，從初期開(kāi)始變形逐漸加大，然后經(jīng)過(guò)幾天變形加速期后，巷道變形趨于穩(wěn)定。巷道變形趨于穩(wěn)定約需要11 d左右。頂板累計(jì)下沉最大位移量為19.3 mm，兩幫累計(jì)向內(nèi)最大收斂量為6.1 mm。因此，針對(duì)此巷道設(shè)計(jì)的錨-網(wǎng)-索的支護(hù)方法對(duì)巷道變形的控制非常有效。

3.2 錨桿錨索監(jiān)測(cè)

3.2.1 監(jiān)測(cè)方案

錨桿錨索監(jiān)測(cè)測(cè)站位置設(shè)在距離輔助運(yùn)輸大巷200 m左右處，對(duì)頂板的錨索和錨桿共設(shè)置4個(gè)MCS-400型錨索錨桿測(cè)力計(jì)。錨桿錨索測(cè)力計(jì)布置如圖5所示。錨索錨桿受力曲線如圖6所示。

圖5 錨桿錨索測(cè)力計(jì)布置

圖6 錨桿錨索受力曲線

3.2.2 結(jié)果分析

錨索錨桿受力監(jiān)測(cè)曲線顯示，布置在頂板中間的錨索①最大工作阻力為36.4 kN，在支護(hù)初期應(yīng)力增長(zhǎng)速率較快，在7 d后進(jìn)入穩(wěn)定增長(zhǎng)期間，一直到19 d后趨于穩(wěn)定。錨桿②最大工作阻力8.2 kN，錨桿③和錨桿④因?yàn)橐皂敯逯虚g對(duì)稱(chēng)布置，所以受力非常接近。錨桿③最大工作阻力6.4 kN，錨桿④最大工作阻力6.1 kN。錨桿的應(yīng)力增長(zhǎng)速率較慢，在應(yīng)力逐漸增長(zhǎng)13 d左右后趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

(1)厚煤層巷道周?chē)鷩鷰r全部是煤體，一般煤炭力學(xué)參數(shù)要比其他種類(lèi)的巖石弱，經(jīng)常出現(xiàn)大變形或開(kāi)裂松動(dòng)，此類(lèi)巷道應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，保證巷道穩(wěn)定和安全。

(2)錨-網(wǎng)-索的支護(hù)方法可以有效地控制圍巖的變形，是非常有效的支護(hù)方法。但是對(duì)于斷層帶的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，應(yīng)該通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定巖石力學(xué)參數(shù)后進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

(4)采用數(shù)值方法模擬的巷道，可以用來(lái)對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行預(yù)評(píng)價(jià)，模擬的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相近，有一定的參考價(jià)值。

(4)巷道監(jiān)測(cè)是評(píng)價(jià)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)是否成功的主要方法，應(yīng)注重監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證生產(chǎn)的安全順利進(jìn)行。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Support Design and Analysis of Large Section Roadway in Extremely Thick Coal Seam

Zhang Xiangdong1Lu Jinwei1Zhou Xinqin1Gao Fei2

(1.InstituteofCivilEngineeringandTransportation，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China; 2.TiefengCoalIndustryCo.，Ltd.ofDatongCoalMineGroupShuozhouCoalElectricity，Shuozhou037200，China)

For roadway driven in extremely thick coal seam，there are all coal seam around surrounding rock.In order to further study the deformation and failure characteristics of coal mass in extremely thick coal seam，to determine the effective support forms and parameters and ensure the safety in production，a roadway at Nanyangpo No.5 coal seam is chosen as a research object.It is a large section roadway with cross section form of circular arch 4.3 m wide and roof 3.4 m high.On the basis of determination of the roadway shape and size，roadway supporting design is made.Combining with the field monitoring and numerical simulation，an anchor-mesh-cable support is proposed.Engineering practice shows that：this method can effectively control the deformation of coal rocks around the roadway with good supporting effect.The two-side and roof displacements of roadway have been effectively controlled.The roadway deformation is leveled off in the short term.As well，the supporting cost is greatly reduced and the support period is reduced with anchor rod and anchor cable.This support method owns a high practical value and should be actively popularized in production.

Large section roadway，Support，Monitoring，Numerical analysis

2014-04-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51174268)。

張向東(1962—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師。

TD353

A

1001-1250(2014)-08-029-04