松软破碎复合顶板回采巷道支护技术研究与应用

李云豪 张文军 王 东

(1.山西焦煤西山煤电集团有限责任公司,山西省太原市,030053;2.辽宁工程技术大学,辽宁省阜新市,123000)

松软破碎复合顶板回采巷道支护技术研究与应用

李云豪1张文军2王 东2

(1.山西焦煤西山煤电集团有限责任公司,山西省太原市,030053;2.辽宁工程技术大学,辽宁省阜新市,123000)

提出一种针对松软破碎复合顶板回采巷道支护的设计理念与方法。在分析设计巷道地质资料基础上,利用先进的数值模拟软件对不同地质条件的不同支护条件巷道进行分析,得到巷道在受不同采动应力和不同类型顶底板条件下,锚杆锚索支护巷道的围岩应力场、位移量及破裂区分布状况,并将模拟得到的各参量作为计算锚杆锚索支护计算的依据。

松软岩层 复合顶板 巷道支护 数值模拟 围岩破裂区

西山煤电集团公司镇城底矿主采2#-3#煤层,煤层直接顶岩层中夹有两层厚0.3～0.5m极软煤层,属复合顶板。巷道围岩稳定性差,变形破坏强烈。该矿同类巷道原采用传统的架棚支护,存在巷道围岩变形量大、支护效果差、维护费用高等问题。针对这些问题,西山煤电集团与国内高校合作立项进行研究。项目结合该矿22409工作面实际条件,采用理论分析与计算、数值模拟及矿山压力观测相结合的研究方法,应用高强度锚杆、金属网、钢筋梁,并辅以锚索对巷道进行联合支护。经过3年多的实际应用,实现了煤巷安全高效掘进,取得了显著的技术经济效益和社会效益。

1 试验巷道支护设计

根据锚杆—锚索联合支护作用的互补原理及其对支护工艺的要求,初始设计采用以数值模拟为主,结合理论分析和工程类比相结合的方法。用数值计算定量给出了各种支护方案的巷道围岩变形和破裂区分布,对于确定和优化锚杆锚索支护主要参数提供了依据。

1.1 复合顶板锚杆与锚索联合支护原则

(1)共同加固围岩提高锚岩支护体的承载能力。

柔性锚杆锚固区应处于围岩破裂区之外,即锚杆锚固区深度大于围岩破裂区深度,使锚杆充分起到加固浅部围岩的作用。刚性预应力锚索与锚杆相匹配,增加锚岩支护承载层厚度,共同提高锚岩支护体承载能力。

顶板锚索的承载能力应大于顶板破裂区内的岩重,即锚索工程破断力大于锚索悬吊载荷,使锚索充分起到悬吊松散危岩、防止冒顶的作用。

数值模拟显示,顶板破裂区形状近似抛物线型,拱高为最大破裂区深度,拱跨度约为巷道宽度的1.5倍。由于每米巷道顶板破裂区的岩重和锚索工程破断力为已知参量,则按悬吊顶板破裂区岩重要求,每米巷道所需的锚索根数为最大破裂区深度与巷道半宽之积的0.19倍。

锚杆长度应大于等于锚杆紧固长度和围岩破裂区深度。

(2)顶板锚索工程延伸量应适应悬吊区内的围岩变形量。

取锚索工程延伸率1.8%,锚索长度为:

式中:LDS——锚索长度,m;

FY——锚索预紧力,kN;

U——顶板下沉量,mm;

L1——锚索内锚固段长度,m;

L2——锚索外露长度,m。

1.2 基本支护形式和主要支护参数确定

应用岩层破裂过程分析系统RFPA2D计算软件进行了多个支护方案对比,选择最优方案的基本支护形式为锚杆+钢筋梁+金属网,锚索补强。遵循锚杆、锚索联合支护原则,进行了主要支护参数计算和选择。

巷道围岩变形和破裂区分布的模型结果见表1。

表1 巷道围岩变形和破裂区分布的模拟结果

将表1模拟结果代入相应计算公式,得出顶板锚杆长度2.0m,间排距800mm×900mm;锚索长度6.5m,排距2.4m,每排布置2根;巷帮锚杆长度1.8m,间排距800mm×1000mm。

2 复合破碎顶板围岩变形与破坏的特征数值模拟

针对复合顶板围岩变形与破坏的特征,分别建立了采深250m和采深400m情况下不同类型的巷道对比模型。这些模型分别以一般顶板和复合顶板为对比条件,建立了巷道两侧均为煤体模型(煤体—煤体)和巷道一侧为煤体、另一侧为煤柱模型(煤体—煤柱)。

模拟结果表明,与一般中等稳定顶板的回采巷道相比,复合顶板的回采巷道的顶板下沉量增大了20%～34%,顶板破裂区深度增大了23%～83%。

3 锚杆锚索支护效果的数值模拟

按采深250m和400m各2种类型、回采巷道共4种条件进行模拟,以巷道围岩变形和围岩破裂区深度为指标,探讨支护布置的合理性和支护效果。

3.1 采深250m,煤体—煤体巷道模拟结果

图1 采深250m,煤体—煤体巷道有、无支护时,破裂区及围岩位移对比

(1)支护对巷道围岩变形的控制。当顶板分别为3根、5根锚杆和1根锚索控制时,顶板下沉量分别减小了37%、45%和7%;巷帮分别为2根锚杆和3根锚杆控制时,巷帮移近量分别减小了62%和66%。

(2)支护对巷道围岩破裂区深度的控制。顶板安装5根锚杆和1根锚索时,顶板破裂区深度减小了10%～64%;巷帮安装3根锚杆时,巷帮破裂区深度减小了59%。图1为采深250m煤体—煤体巷道无支护和有锚杆锚索支护时,巷道围岩破裂区和位移等值线对比。

3.2 采深400m,煤体—煤体巷道模拟结果

(1)支护对巷道围岩变形的控制。顶板分别安装3根、5根锚杆和1根锚索时,顶板下沉量分别减小了30%、39%和6%;巷帮分别安装2根锚杆和3根锚杆时,巷帮移近量分别减小了65%和71%。

(2)支护对巷道围岩破裂区深度的控制。顶板安装5根锚杆和1根锚索时,顶板破裂区深度减小了25%～75%;巷帮安装了3根锚杆时,巷帮破裂区深度减小了57%。图2为采深400m,煤体—煤体巷道无支护和有锚杆锚索支护时,巷道围岩破裂区和位移等值线对比。

图2 采深400m,煤体—煤体巷道有、无支护时,破裂区及围岩位移对比

3.3 采深250m,煤体—煤柱巷道模拟结果

(1)支护对巷道围岩变形的控制。顶板分别安装3根、5根锚杆和1根锚索时,顶板下沉量分别减小了36%、39%和5%;煤柱侧巷帮分别安装2根锚杆和3根锚杆控制巷帮时,移近量分别减小了54%和74%;煤体侧巷帮分别安装2根锚杆和3根锚杆控制巷帮时,移近量分别减小了46%和72%。煤柱侧巷帮位移量是煤体侧巷帮位移量的1.4倍。

(2)支护对巷道围岩破裂区深度的控制。顶板安装5根锚杆和1根锚索控制顶板时,破裂区深度减小了14%～57%;煤体侧巷帮3根锚杆控制巷帮时,破裂区深度减小了41%。

3.4 采深400m,煤体—煤柱巷道模拟结果

(1)支护对巷道围岩变形的控制。顶板分别安装3根、5根锚杆和2根锚索时,顶板下沉量分别减小了28%、36%和9%;煤柱侧巷帮分别安装2根锚杆和3根锚杆控制巷帮时,移近量分别减小了55%和73%;煤体侧巷帮分别安装2根锚杆和3根锚杆控制巷帮时,移近量分别减小了49%和74%。

(2)支护对巷道围岩破裂区深度的控制。顶板安装5根锚杆和2根锚索控制顶板时,破裂区深度减小了12%～56%;煤体侧巷帮安装3根锚杆控制巷帮时,破裂区深度减小了27%。

综合4类巷道模拟结果,将不同采深和类型的巷道进行分类。采深250m,煤体—煤体巷道为Ⅰ型,煤体—煤柱巷道为Ⅱ型;采深400m,煤体—煤体巷道为Ⅲ型,煤体—煤柱巷道为Ⅳ型。根据不同的巷道分类,提出了不同的支护建议,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类型复合顶板回采巷道的基本支护形式为锚杆+W钢带+金属网,用锚索补强。

4 技术效果与应用情况

镇城底矿应用锚杆+钢筋梁+金属网+锚索补强的支护方式支护巷道约3000m。3年多来在回采巷道(包括尾巷)中推广应用,支护效果良好,大幅度降低了巷道维修费用,巷道维修费比原来降低20%,使全矿回采巷道锚杆支护率由2004年的34.1%提高到2007年的94.4%,同时也加快了工作面推进速度,提高单产10%,每米巷道可节省支护成本527.4元,巷道维修费降低80%,每米巷道节省维修费240元,取得了良好的技术效果与经济效益,对类似条件的煤巷支护具有重要的推广价值。

5 结论

数值模拟结果表明,对于采深 增加或窄煤柱护巷布置的复合顶板回采巷道,只要支护参数选择合理,锚杆、锚索联合支护技术是可行的。

合理计算和利用锚索的工程破断力和利用延伸量进行锚索补强设计是提高巷道支护安全性的重要手段。依据提出的复合顶板锚杆、锚索联合支护原理,回采巷道围岩破裂区分布和位移分布是锚杆、锚索协调支护设计的关键依据,本研究的数值计算方法为解决这一问题提供了有效途径,可推广应用于各种条件的各类回采巷道支护初步设计。

Research and application of friable and crushed componentroof mining roadway supporting technology

Li Yunhao1,Zhang Wenjun2,Wang Dong2
(1.Xishan Coal Electricity Group Co.,Ltd,Shanxi Coking Coal Group Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030053,China;2.Liaoning Technical University,Fuxin,Liaoning 123000,China)

A concept and method has been provided to friable and crushed composite roofmining roadway support in this paper,that is on the basis on detailed analysis of the geologicaldata of mining gateway,the roadway supporting under different geological conditions or differentsupporting conditions has been analyzed by advanced numerical simulation software,it may ob-tain adjacent rock stress,displacement,distribution of rupture areas in supported roadway withanchor arm or anchor wire in the condition of different mining stress and roof type.Each parame-ter from numerical simulation analysis may be as basis of anchor arm or anchor wire supportingcalculation.

friable and crushed,composite roof,shaft and drift supporting,numerical simu-lation,adjacent rock rupture areas

TD353

A

李云豪(1964-),男,山西平遥人,采煤高级工程师,现任西山煤电集团矿建公司总工程师,主要从事煤矿采矿工程技术管理工作。

(责任编辑 张毅玲)