大采高小煤柱回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)值模擬研究

楊金貴

(西山煤電股份有限公司 西銘礦，山西　太原　030052)

·試驗(yàn)研究·

大采高小煤柱回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)值模擬研究

楊金貴

(西山煤電股份有限公司 西銘礦，山西太原030052)

摘要通過(guò)優(yōu)化大采高小煤柱回采巷道的支護(hù)方案，可以改善巷道圍巖的應(yīng)力分布，減小巷道圍巖的變形，使巷道圍巖保持穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)建設(shè)高產(chǎn)高效礦井的目的。本文以王莊煤礦3045工作面為工程背景，通過(guò)數(shù)值模擬的研究方法選擇5個(gè)因素，4個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，對(duì)各支護(hù)方案進(jìn)行比選研究，確定了大采高小煤柱回采巷道的合理支護(hù)方案，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)取得了較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。

關(guān)鍵詞大采高；小煤柱；回采巷道；數(shù)值模擬；支護(hù)

山西三元煤業(yè)股份有限公司王莊煤礦3號(hào)煤層大采高綜采工作面通過(guò)留設(shè)區(qū)段小煤柱進(jìn)行護(hù)巷，由于在巷道掘進(jìn)期間位于采空區(qū)一側(cè)的巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，甚至某些區(qū)域的錨桿托盤(pán)出現(xiàn)了壓裂損壞并導(dǎo)致錨桿失去錨固作用的現(xiàn)象，因此，需要在原支護(hù)的基礎(chǔ)上對(duì)巷道圍巖進(jìn)行二次加固。尤其是在工作面回采階段，巷道圍巖由于受到采動(dòng)影響而產(chǎn)生嚴(yán)重的變形，因此，還需要多次進(jìn)行巷道的擴(kuò)幫和起底作業(yè)。此外回采巷道承擔(dān)著運(yùn)輸、行人、通風(fēng)等重要作用，還應(yīng)采取技術(shù)措施使巷道在服務(wù)期間維持在穩(wěn)定狀態(tài)。

本文以王莊煤礦3045工作面回風(fēng)巷為工程背景，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)大采高小煤柱回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

13045工作面概況

山西三元煤業(yè)股份有限公司王莊煤礦3045工作面位于井田東部，其北部同304采區(qū)相鄰，其南部同舊礦的采空區(qū)相鄰，其東部與井田邊界相鄰，其西部與3043工作面采空區(qū)相鄰。3045工作面位置示意圖見(jiàn)圖1.

圖1　3045工作面位置示意圖

3045工作面采用大采高一次采全厚綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)對(duì)3號(hào)煤層進(jìn)行開(kāi)采，采用全部垮落法對(duì)頂板進(jìn)行管理，工作面長(zhǎng)度為260 m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為1 710 m，最大和最小控頂距分別為5.53 m和4.73 m，工作面循環(huán)進(jìn)度為0.8 m，并且采用四六制作業(yè)。

3045工作面3號(hào)煤層平均厚度為5.0 m，傾角為2°～7°，并且含有0～1層夾矸，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。3045工作面直接頂主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖，巖體的強(qiáng)度比較低；基本頂主要為細(xì)砂巖和粉砂巖，巖體的強(qiáng)度比較高；直接底主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖，巖體的強(qiáng)度比較低；基本底主要為細(xì)砂巖和粉砂巖，巖體的強(qiáng)度比較高。3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1.

表1　3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2數(shù)值模擬支護(hù)方案的設(shè)計(jì)

綜合考慮影響大采高小煤柱回采巷道圍巖變形破壞的各個(gè)支護(hù)參數(shù)以及每個(gè)參數(shù)的各個(gè)水平，并運(yùn)用正交試驗(yàn)方法制定支護(hù)方案，通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)取得最優(yōu)的試驗(yàn)結(jié)果[1-3].

錨桿支護(hù)主要包括每排錨桿個(gè)數(shù)、錨桿直徑、錨桿長(zhǎng)度、錨桿排距、錨索個(gè)數(shù)等5個(gè)因素，分別取頂板、底板、煤柱幫、實(shí)體煤幫等4個(gè)水平。本次相似模擬試驗(yàn)研究共選擇了5個(gè)因素、4個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)的具體方案見(jiàn)表2[4-5].

表2　正交試驗(yàn)的具體方案表

通過(guò)對(duì)表2中的16個(gè)數(shù)值模擬方案條件下回采巷道的頂板下沉量、底板底鼓量和兩幫移近量等試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究得出錨桿支護(hù)的合理參數(shù)[6].

掘巷期間數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表3.

表3　掘巷期間數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)情況表

采用直觀分析法對(duì)本次數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，通過(guò)計(jì)算各個(gè)因素的平均極差來(lái)分析選取不同的水平對(duì)該所選擇因素的影響程度。

根據(jù)表3計(jì)算得出掘巷期間回采巷道的頂板下沉量、底板底鼓量、實(shí)體煤幫變形量以及煤柱幫變形量的各個(gè)因素、各個(gè)水平的均值和極差的結(jié)果統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表4～7.

表4　頂板下沉量直觀分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表5　底板底鼓量直觀分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表6　實(shí)體煤幫變形量直觀分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表7　煤柱幫變形量直觀分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表4～7繪制得到掘巷期間各個(gè)因素對(duì)回采巷道變形量影響的直觀分析圖，見(jiàn)圖2～6.

圖2　錨桿根數(shù)對(duì)巷道變形的影響示意圖

圖3　錨桿排距對(duì)巷道變形的影響示意圖

圖4　錨桿直徑對(duì)巷道變形的影響示意圖

圖5　錨桿長(zhǎng)度對(duì)巷道變形的影響示意圖

圖6　錨索根數(shù)對(duì)巷道變形的影響示意圖

根據(jù)對(duì)圖2～6掘巷期間大采高小煤柱回采巷道的數(shù)值模擬結(jié)果分析可以得出：

1) 錨桿根數(shù)對(duì)回采巷道支護(hù)效果的影響。

回采巷道圍巖的完整性隨著每排錨桿根數(shù)的增多而越好，而巷道圍巖變形量則隨之呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。根據(jù)圖2的數(shù)值模擬結(jié)果并綜合考慮王莊煤礦的實(shí)際工程地質(zhì)條件，確定每排頂板錨桿根數(shù)為6根，每排單側(cè)幫錨桿根數(shù)為5根較合理。

2) 錨桿排距對(duì)回采巷道支護(hù)效果的影響。

回采巷道頂板下沉量、底板底鼓量與兩幫變形量均隨著錨桿排距的增大而呈現(xiàn)出迅速增大的趨勢(shì)。根據(jù)圖3的數(shù)值模擬結(jié)果并綜合考慮王莊煤礦的實(shí)際工程地質(zhì)條件，確定錨桿排距為900 mm較合理。

3) 錨桿直徑對(duì)回采巷道支護(hù)效果的影響。

回采巷道頂板下沉量、底板底鼓量與兩幫變形量均隨著錨桿直徑的增大而呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。根據(jù)圖4的數(shù)值模擬結(jié)果并綜合考慮王莊煤礦的實(shí)際工程地質(zhì)條件，確定采用d22 mm的高強(qiáng)左旋螺紋鋼筋較合理。

4) 錨桿長(zhǎng)度對(duì)回采巷道支護(hù)效果的影響。

回采巷道頂板下沉量、底板底鼓量與兩幫變形量均隨著錨桿長(zhǎng)度的增加而呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。根據(jù)圖5的數(shù)值模擬結(jié)果并綜合考慮王莊煤礦的實(shí)際工程地質(zhì)條件，確定采用錨桿長(zhǎng)度為2 400 mm較合理。

5) 錨索根數(shù)對(duì)回采巷道支護(hù)效果的影響。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，是否在回采巷道頂板布置錨索會(huì)對(duì)回采巷道圍巖變形產(chǎn)生很大的影響，回采巷道頂板下沉量、底板底鼓量與兩幫變形量在回采巷道頂板沒(méi)有布置錨索的條件將會(huì)顯著增大。根據(jù)圖6的數(shù)值模擬結(jié)果并綜合考慮王莊煤礦的實(shí)際工程地質(zhì)條件，確定在回采巷道頂板采用每隔1排錨桿布置2根錨索較合理。

3結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果并綜合考慮王莊煤礦的實(shí)際工程地質(zhì)條件，確定每排頂板錨桿根數(shù)為6根，每排單側(cè)幫錨桿根數(shù)為5根；錨桿排距為900 mm；采用d22 mm的高強(qiáng)左旋螺紋鋼筋；錨桿長(zhǎng)度為2 400 mm；在回采巷道頂板采用每隔1排錨桿布置2根錨索。綜合采用“錨桿+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)+錨索+噴射混凝土+滯后注漿加固煤柱”的聯(lián)合加固支護(hù)方案對(duì)大采高小煤柱回采巷道進(jìn)行支護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果，實(shí)現(xiàn)了礦井的安全高效生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

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Numerical Simulation Research on the Supporting Design of Extraction Roadway with Large Mining Height and Small Coal Pillar

YANG Jingui

AbstractThrough optimizing the supporting scheme of large mining height and small coal pillar mining roadway, can improve the stress distribution of roadway surrounding rock, reduce the deformation of roadway surrounding rock, the wall rock of tunnel can remain in a stable condition, so as to achieve the purpose of construction of high yield and high efficiency coal mine. In this paper takes 3045 working face of Wangzhuang coal mine as engineering background, through numerical simulation research methods choose five factors, four levels carry out orthogonal test. Various supporting schemes are compared, selected and study. The rational support scheme of large mining height and small coal pillar mining roadway is determined. Good economic and technical effects are achieved by field observation.

Key wordsLarge mining height; Small coal pillar; Extraction roadway; Numerical simulation; Supporting

中圖分類號(hào)：TD355

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)12-0004-04

作者簡(jiǎn)介：楊金貴(1965—)，男，山西太原人，1999年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)管理工作(E-mail)307358717@qq.com

收稿日期：2015-10-24