薄煤層回采巷道支護(hù)技術(shù)研究

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薄煤層回采巷道支護(hù)技術(shù)研究

葉云生

(晉能煤運(yùn) 臨汾公司，山西臨汾041000 )

摘要晉能煤運(yùn)臨汾公司金源達(dá)煤業(yè)31118工作面下副巷為薄煤層回采巷道，當(dāng)采用工字鋼棚對(duì)棚支護(hù)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)頂梁破斷，棚腿扭曲這些典型的結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)現(xiàn)象，因此，提出了棚索耦合支護(hù)方式，并采用FLAC數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，棚索耦合支護(hù)能很好地改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，圍巖控制效果顯著。工業(yè)化試驗(yàn)結(jié)果表明：棚索耦合支護(hù)能夠有效地控制巷道圍巖變形，巷道支護(hù)效果良好。

關(guān)鍵詞薄煤層；對(duì)棚支護(hù)；數(shù)值模擬；棚索耦合

收稿日期：2014-12-12

作者簡(jiǎn)介：葉云生(1966—)，男，山西臨汾人，1989 年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事煤礦設(shè)計(jì)技術(shù)工作

中圖分類號(hào)：TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)01-0025-03

AbstractStructural instability phenomenons such as fracture of top beam and deformation of shelve legs usually occurres when H-shape steel shelve supporting is applied on thin seam mining roadway in Jinyuanda coal company 31118 working face auxiliary lane. Therefore, the supporting way of shed and cable coupling is put forward, and FLAC numerical simulation soft is adopted to simulate. The simulation results show that the supporting way of shed and cable coupling can improve the state of surrounding rock stress, and the effect of controlling surrounding rock is remarkable. The industrial test results also show that shed and cable coupling supporting can effectively control the deformation of surrounding rock, thus the effect of supporting roadway is satisfactory.

晉能煤運(yùn)臨汾公司金源達(dá)煤業(yè)2#煤層平均厚度1.23 m，為瓦斯礦井，為保障巷道實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，二3煤層31118工作面標(biāo)高約-195 m，實(shí)際埋深320 m左右，工作面地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單，切眼附近發(fā)育1條SF14正斷層，受斷層影響可能有次級(jí)斷層或褶曲發(fā)育，局部煤層底板起伏較大，回采巷道設(shè)計(jì)采用工字鋼棚進(jìn)行支護(hù)，巷道選用梯形斷面。

1巷道支護(hù)現(xiàn)狀

當(dāng)采用梯形支架時(shí)，若支架頂梁與柱腿搭接部位為剛性連接，則該處承受的彎曲應(yīng)力最大，是整個(gè)承載結(jié)構(gòu)變形破壞的突破口。在實(shí)際使用過程中，該部位采用“嵌入”形式進(jìn)行搭接，對(duì)支架頂梁、柱腿承受的彎曲應(yīng)力分布規(guī)律影響較小，雖從一定程度上降低了搭接部位承受的應(yīng)力，但梯形支架整體穩(wěn)定性大幅度降低，同時(shí)使得實(shí)際使用過程中支架頂梁和柱腿都容易成為支架失穩(wěn)、破壞的突破口(見圖1)。梯形斷面雖然是一種常用的斷面形式，但支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，實(shí)際使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)頂梁破斷，棚腿扭曲這些典型的結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，雖然二3煤層實(shí)際厚度不大且回采巷道多為半煤巖巷，但在支護(hù)設(shè)計(jì)中也必須考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性這一關(guān)鍵因素。

圖1　梯形工字鋼棚巷道破壞狀況圖

2 棚索耦合支護(hù)的提出

棚索耦合支護(hù)是將工字鋼棚與錨索兩種支護(hù)構(gòu)件耦合為一體的支護(hù)方式，在梯形巷道中采用的是工字鋼棚+錨索耦合支護(hù)，該支護(hù)方式以工字鋼棚作為基本支護(hù)，同時(shí)在巷道的合理位置安裝錨索，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工字鋼支架的結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，進(jìn)而提高支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，達(dá)到控制巷道圍巖變形的目的。

棚索耦合支護(hù)方式的優(yōu)點(diǎn)：1) 能充分利用工字鋼支架所提供的較高支護(hù)阻力，在巷道圍巖淺部形成可靠的承載結(jié)構(gòu)，有效改善巷道淺部圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境，提高破碎巖體的殘余強(qiáng)度。2) 通過錨索的主動(dòng)支護(hù)作用，充分發(fā)揮深部穩(wěn)定巖體的承載能力，并在合理位置實(shí)現(xiàn)對(duì)工字鋼支架的結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，使工字鋼支架支護(hù)和錨索支護(hù)二者耦合為一體，提高支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，從而有效控制巷道圍巖的變形。

從巷道快速掘進(jìn)方面來考慮，相比工字鋼棚支護(hù)，棚索支護(hù)僅僅多了1道錨索施工工序，雖然錨索的施工難度較大，且耗費(fèi)時(shí)間較多，如果將錨索支護(hù)時(shí)間也放入掘進(jìn)循環(huán)中，掘進(jìn)速度必然受到極大的影響，但是由于掘進(jìn)機(jī)切割后的巷道已經(jīng)進(jìn)行了工字鋼棚支護(hù)，很大程度地提高了頂板的穩(wěn)定性，施工過程中基本不會(huì)出現(xiàn)頂板煤巖垮落傷人的情況。因此，錨索支護(hù)可以安排到后期掘進(jìn)循環(huán)中掘進(jìn)機(jī)割煤的時(shí)間里進(jìn)行，支護(hù)作業(yè)可由當(dāng)班輔助工來完成，這樣，采用棚索耦合支護(hù)時(shí)一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)的時(shí)間實(shí)際上與工字鋼棚支護(hù)相同，實(shí)現(xiàn)了錨索支護(hù)與掘進(jìn)機(jī)割煤共同作業(yè)。與錨網(wǎng)支護(hù)相比，其掘進(jìn)速度得到較大提高，保證了巷道快速掘進(jìn)。與此同時(shí)，巷道圍巖變形也得到了有效控制。由此可見，采用棚索耦合支護(hù)實(shí)現(xiàn)巷道快速掘進(jìn)其優(yōu)點(diǎn)非常明顯。

3棚索耦合支護(hù)數(shù)值模擬研究

根據(jù)晉能煤運(yùn)臨汾公司金源達(dá)煤業(yè)31118工作面下副巷實(shí)際地質(zhì)采礦條件及模擬分析的重點(diǎn)，綜合考慮相關(guān)因素，建立FLAC2D數(shù)值模型尺寸為60 m×40 m，共劃分240×160個(gè)單元格，模型網(wǎng)格總數(shù)為38 400，31118工作面下副巷實(shí)際埋深約320 m，取上覆巖層容重26 kN·m-3，計(jì)算可得垂直應(yīng)力等于8.3 MPa.本次模擬設(shè)定模型左右邊界為支承邊界，下邊界為固定邊界，上邊界為應(yīng)力邊界，施加8.3 MPa的垂直應(yīng)力，等效上覆320 m厚巖層壓力。本次模擬主要研究薄煤層回采巷道，分別在無(wú)支護(hù)、巷道工字鋼棚支護(hù)、錨網(wǎng)支護(hù)以及棚索耦合支護(hù)4種條件下的巷道圍巖穩(wěn)定性。巷道圍巖塑性區(qū)分布狀況示意圖見圖2.

從圖2a)可以看出，無(wú)支護(hù)狀態(tài)下，巷道掘出后，原本處于穩(wěn)定狀態(tài)的巖體受到擾動(dòng)，巷道圍巖體由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，兩幫、頂板以及底板的塑性區(qū)發(fā)育范圍分別達(dá)到2 m、2.5 m、3 m，塑性區(qū)發(fā)育范圍較大；巷道周圍巖體出現(xiàn)了不同程度的剪應(yīng)力破壞，且剪應(yīng)力破壞區(qū)范圍較大，造成巷道圍巖出現(xiàn)不同程度的剪脹變形，同時(shí)圍巖原有節(jié)理裂隙更加發(fā)育，促使巖體強(qiáng)度進(jìn)一步降低；巷道兩幫和頂板淺部圍巖出現(xiàn)了拉應(yīng)力破壞，由于巖體抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，巖體中一旦出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，該區(qū)域往往會(huì)最先破壞，成為巷道變形最嚴(yán)重的區(qū)域，這使得巷道幫部和頂部圍巖最先發(fā)生變形，并最終導(dǎo)致巷道整體出現(xiàn)變形破壞。

a) 無(wú)支護(hù)

b) 工字鋼棚支護(hù)

c) 錨桿支護(hù)

d) 棚索耦合支護(hù)

采用工字鋼棚支護(hù)后，巷道圍巖剪應(yīng)力破壞區(qū)范圍有所減小，其中底板和頂部縮小尤為明顯，但巷道兩幫圍巖的剪應(yīng)力破壞區(qū)范圍仍然較大；錨網(wǎng)支護(hù)時(shí)，巷道圍巖的剪應(yīng)力破壞區(qū)縮小明顯，但是底板靠近兩幫位置剪應(yīng)力破壞區(qū)仍然較大，而幫部和頂板圍巖的剪應(yīng)力破壞區(qū)主要集中在淺部圍巖體；棚索耦合支護(hù)巷道圍巖的剪應(yīng)力破壞區(qū)分布與工字鋼支護(hù)時(shí)較為相似，但兩幫中部剪應(yīng)力破壞區(qū)范圍相對(duì)較大，同時(shí)頂?shù)装鍘r體基本不存在剪應(yīng)力破壞。

工字鋼棚支護(hù)時(shí)，巷道圍巖拉應(yīng)力破壞區(qū)主要集中在巷道底板靠近兩幫位置，頂板和兩幫則基本沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞區(qū)；采用錨桿支護(hù)時(shí)，拉應(yīng)力破壞區(qū)主要出現(xiàn)在幫中上部；而在棚索耦合支護(hù)條件下，巷道圍巖基本不存在拉應(yīng)力破壞。

通過以上分析可以看出，與工字鋼棚支護(hù)相比，棚索耦合支護(hù)對(duì)控制圍巖塑性區(qū)發(fā)育的效果較好；相比錨桿支護(hù)，在減小巷道圍巖剪切屈服和拉應(yīng)力破壞范圍方面，棚索耦合支護(hù)效果較好。

4支護(hù)方案及支護(hù)效果

快速掘進(jìn)巷道，不僅要保證最大的進(jìn)尺，更為重要的是確定合理的支護(hù)形式，保證巷道后期的正常使用。如果只追求進(jìn)度，一旦后期巷道變形較大，則很可能陷入“前掘后修”的惡性循環(huán)中，不僅浪費(fèi)大量的人力財(cái)力，而且影響煤礦正常的安全生產(chǎn)。通過采用有效的支護(hù)技術(shù)，合理安排支護(hù)工序，保證巷道的快速掘進(jìn)，即在提高巷道掘進(jìn)速度的同時(shí)，采用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定型支護(hù)技術(shù)，有效控制巷道圍巖變形。31118工作面下副巷快速掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)方案如下：

以12#礦工鋼棚作為基本支護(hù)，在巷道圍巖表面形成可靠的承載結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用帶梁錨索進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償以提高支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使巷道的支護(hù)強(qiáng)度大大提高，從而有效控制巷道圍巖變形。斷面支護(hù)參數(shù)為：首先以礦工鋼棚作為基本支護(hù)，頂梁長(zhǎng)度為3 200 mm，棚腿長(zhǎng)度為2 800 mm，棚距為1 000 mm，鋼筋網(wǎng)與網(wǎng)搭接100 mm，每隔300 mm用鐵絲扎牢。然后實(shí)施結(jié)構(gòu)補(bǔ)償錨索，錨索采用d17.8 mm×6 000 mm1860 鋼絞線，為相對(duì)減少支護(hù)作業(yè)時(shí)間，錨索布置采用A、B兩種斷面相間布置，其中斷面A布置3根，頂板中部1根，兩幫距巷道底板1 300 mm處各布置1根，斷面B共布置4根，頂板2根，間距1 600 mm，兩幫距巷道底板300 mm處各布置1根。

巷道采用棚索耦合支護(hù)方式后，巷幫和巷頂圍巖變形均得到有效控制，兩幫最大位移量?jī)H為62 mm，且頂?shù)装逡平恳矁H為19 mm，這說明棚索耦合支護(hù)能夠有效地控制巷道圍巖變形，巷道支護(hù)效果良好。

5結(jié)論

梯形斷面雖然是一種常用的斷面形式，但支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，實(shí)際使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)頂梁破斷，棚腿扭曲這些典型的結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，雖然二3煤層實(shí)際厚度不大且回采巷道多為半煤巖巷，在支護(hù)設(shè)計(jì)中也必須考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性這一關(guān)鍵因素。數(shù)值模擬結(jié)果表明：與工字鋼棚支護(hù)相比，棚索耦合支護(hù)對(duì)控制圍巖塑性區(qū)發(fā)育的效果較好；相比錨桿支護(hù)，在減小巷道圍巖剪切屈服和拉應(yīng)力破壞范圍方面，棚索耦合支護(hù)效果較好。31118工作面下副巷采用棚索耦合支護(hù)后，巷幫和巷頂圍巖變形均得到有效控制，兩幫最大位移量?jī)H為62 mm，且頂?shù)装逡平恳矁H為19 mm，這說明棚索耦合支護(hù)能夠有效地控制巷道圍巖變形，巷道支護(hù)效果良好。

參考文獻(xiàn)

[1]荊升國(guó).高應(yīng)力破碎軟巖巷道棚-索協(xié)同支護(hù)圍巖控制機(jī)制研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.

Study on Supporting Technology of Mining Roadway in Thin Seam

YE Yunsheng

Key wordsThin seam; Shelve supporting; Numerical simulation; Shed and cable coupling

·試驗(yàn)研究·