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薄煤层回采巷道支护技术研究
叶云生
(晋能煤运 临汾公司,山西临汾041000 )
摘要晋能煤运临汾公司金源达煤业31118工作面下副巷为薄煤层回采巷道,当采用工字钢棚对棚支护时,经常出现顶梁破断,棚腿扭曲这些典型的结构性失稳现象,因此,提出了棚索耦合支护方式,并采用FLAC数值模拟软件进行模拟。结果表明,棚索耦合支护能很好地改善围岩应力状态,围岩控制效果显著。工业化试验结果表明:棚索耦合支护能够有效地控制巷道围岩变形,巷道支护效果良好。
关键词薄煤层;对棚支护;数值模拟;棚索耦合
收稿日期:2014-12-12
作者简介:叶云生(1966—),男,山西临汾人,1989 年毕业于山西矿业学院,工程师,主要从事煤矿设计技术工作
中图分类号:TD353
文献标识码:B
文章编号: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.
晋能煤运临汾公司金源达煤业2#煤层平均厚度1.23 m,为瓦斯矿井,为保障巷道实现快速掘进,二3煤层31118工作面标高约-195 m,实际埋深320 m左右,工作面地质条件较为简单,切眼附近发育1条SF14正断层,受断层影响可能有次级断层或褶曲发育,局部煤层底板起伏较大,回采巷道设计采用工字钢棚进行支护,巷道选用梯形断面。
1巷道支护现状
当采用梯形支架时,若支架顶梁与柱腿搭接部位为刚性连接,则该处承受的弯曲应力最大,是整个承载结构变形破坏的突破口。在实际使用过程中,该部位采用“嵌入”形式进行搭接,对支架顶梁、柱腿承受的弯曲应力分布规律影响较小,虽从一定程度上降低了搭接部位承受的应力,但梯形支架整体稳定性大幅度降低,同时使得实际使用过程中支架顶梁和柱腿都容易成为支架失稳、破坏的突破口(见图1)。梯形断面虽然是一种常用的断面形式,但支护结构稳定性较差,实际使用过程中经常出现顶梁破断,棚腿扭曲这些典型的结构性失稳现象。因此,虽然二3煤层实际厚度不大且回采巷道多为半煤岩巷,但在支护设计中也必须考虑支护结构稳定性这一关键因素。
图1 梯形工字钢棚巷道破坏状况图
2 棚索耦合支护的提出
棚索耦合支护是将工字钢棚与锚索两种支护构件耦合为一体的支护方式,在梯形巷道中采用的是工字钢棚+锚索耦合支护,该支护方式以工字钢棚作为基本支护,同时在巷道的合理位置安装锚索,以实现对工字钢支架的结构补偿,进而提高支护承载结构的整体稳定性,达到控制巷道围岩变形的目的。
棚索耦合支护方式的优点:1) 能充分利用工字钢支架所提供的较高支护阻力,在巷道围岩浅部形成可靠的承载结构,有效改善巷道浅部围岩所处的应力环境,提高破碎岩体的残余强度。2) 通过锚索的主动支护作用,充分发挥深部稳定岩体的承载能力,并在合理位置实现对工字钢支架的结构补偿,使工字钢支架支护和锚索支护二者耦合为一体,提高支护承载结构的整体稳定性,从而有效控制巷道围岩的变形。
从巷道快速掘进方面来考虑,相比工字钢棚支护,棚索支护仅仅多了1道锚索施工工序,虽然锚索的施工难度较大,且耗费时间较多,如果将锚索支护时间也放入掘进循环中,掘进速度必然受到极大的影响,但是由于掘进机切割后的巷道已经进行了工字钢棚支护,很大程度地提高了顶板的稳定性,施工过程中基本不会出现顶板煤岩垮落伤人的情况。因此,锚索支护可以安排到后期掘进循环中掘进机割煤的时间里进行,支护作业可由当班辅助工来完成,这样,采用棚索耦合支护时一个掘进循环的时间实际上与工字钢棚支护相同,实现了锚索支护与掘进机割煤共同作业。与锚网支护相比,其掘进速度得到较大提高,保证了巷道快速掘进。与此同时,巷道围岩变形也得到了有效控制。由此可见,采用棚索耦合支护实现巷道快速掘进其优点非常明显。
3棚索耦合支护数值模拟研究
根据晋能煤运临汾公司金源达煤业31118工作面下副巷实际地质采矿条件及模拟分析的重点,综合考虑相关因素,建立FLAC2D数值模型尺寸为60 m×40 m,共划分240×160个单元格,模型网格总数为38 400,31118工作面下副巷实际埋深约320 m,取上覆岩层容重26 kN·m-3,计算可得垂直应力等于8.3 MPa.本次模拟设定模型左右边界为支承边界,下边界为固定边界,上边界为应力边界,施加8.3 MPa的垂直应力,等效上覆320 m厚岩层压力。本次模拟主要研究薄煤层回采巷道,分别在无支护、巷道工字钢棚支护、锚网支护以及棚索耦合支护4种条件下的巷道围岩稳定性。巷道围岩塑性区分布状况示意图见图2.
从图2a)可以看出,无支护状态下,巷道掘出后,原本处于稳定状态的岩体受到扰动,巷道围岩体由弹性状态转变为塑性状态,两帮、顶板以及底板的塑性区发育范围分别达到2 m、2.5 m、3 m,塑性区发育范围较大;巷道周围岩体出现了不同程度的剪应力破坏,且剪应力破坏区范围较大,造成巷道围岩出现不同程度的剪胀变形,同时围岩原有节理裂隙更加发育,促使岩体强度进一步降低;巷道两帮和顶板浅部围岩出现了拉应力破坏,由于岩体抗拉强度远小于抗压强度,岩体中一旦出现拉应力区,该区域往往会最先破坏,成为巷道变形最严重的区域,这使得巷道帮部和顶部围岩最先发生变形,并最终导致巷道整体出现变形破坏。
a) 无支护
b) 工字钢棚支护
c) 锚杆支护
d) 棚索耦合支护
采用工字钢棚支护后,巷道围岩剪应力破坏区范围有所减小,其中底板和顶部缩小尤为明显,但巷道两帮围岩的剪应力破坏区范围仍然较大;锚网支护时,巷道围岩的剪应力破坏区缩小明显,但是底板靠近两帮位置剪应力破坏区仍然较大,而帮部和顶板围岩的剪应力破坏区主要集中在浅部围岩体;棚索耦合支护巷道围岩的剪应力破坏区分布与工字钢支护时较为相似,但两帮中部剪应力破坏区范围相对较大,同时顶底板岩体基本不存在剪应力破坏。
工字钢棚支护时,巷道围岩拉应力破坏区主要集中在巷道底板靠近两帮位置,顶板和两帮则基本没有出现拉应力破坏区;采用锚杆支护时,拉应力破坏区主要出现在帮中上部;而在棚索耦合支护条件下,巷道围岩基本不存在拉应力破坏。
通过以上分析可以看出,与工字钢棚支护相比,棚索耦合支护对控制围岩塑性区发育的效果较好;相比锚杆支护,在减小巷道围岩剪切屈服和拉应力破坏范围方面,棚索耦合支护效果较好。
4支护方案及支护效果
快速掘进巷道,不仅要保证最大的进尺,更为重要的是确定合理的支护形式,保证巷道后期的正常使用。如果只追求进度,一旦后期巷道变形较大,则很可能陷入“前掘后修”的恶性循环中,不仅浪费大量的人力财力,而且影响煤矿正常的安全生产。通过采用有效的支护技术,合理安排支护工序,保证巷道的快速掘进,即在提高巷道掘进速度的同时,采用结构稳定型支护技术,有效控制巷道围岩变形。31118工作面下副巷快速掘进支护技术方案如下:
以12#矿工钢棚作为基本支护,在巷道围岩表面形成可靠的承载结构,同时采用带梁锚索进行结构补偿以提高支护承载结构的稳定性,使巷道的支护强度大大提高,从而有效控制巷道围岩变形。断面支护参数为:首先以矿工钢棚作为基本支护,顶梁长度为3 200 mm,棚腿长度为2 800 mm,棚距为1 000 mm,钢筋网与网搭接100 mm,每隔300 mm用铁丝扎牢。然后实施结构补偿锚索,锚索采用d17.8 mm×6 000 mm1860 钢绞线,为相对减少支护作业时间,锚索布置采用A、B两种断面相间布置,其中断面A布置3根,顶板中部1根,两帮距巷道底板1 300 mm处各布置1根,断面B共布置4根,顶板2根,间距1 600 mm,两帮距巷道底板300 mm处各布置1根。
巷道采用棚索耦合支护方式后,巷帮和巷顶围岩变形均得到有效控制,两帮最大位移量仅为62 mm,且顶底板移近量也仅为19 mm,这说明棚索耦合支护能够有效地控制巷道围岩变形,巷道支护效果良好。
5结论
梯形断面虽然是一种常用的断面形式,但支护结构稳定性较差,实际使用过程中经常出现顶梁破断,棚腿扭曲这些典型的结构性失稳现象。因此,虽然二3煤层实际厚度不大且回采巷道多为半煤岩巷,在支护设计中也必须考虑支护结构稳定性这一关键因素。数值模拟结果表明:与工字钢棚支护相比,棚索耦合支护对控制围岩塑性区发育的效果较好;相比锚杆支护,在减小巷道围岩剪切屈服和拉应力破坏范围方面,棚索耦合支护效果较好。31118工作面下副巷采用棚索耦合支护后,巷帮和巷顶围岩变形均得到有效控制,两帮最大位移量仅为62 mm,且顶底板移近量也仅为19 mm,这说明棚索耦合支护能够有效地控制巷道围岩变形,巷道支护效果良好。
参考文献
[1]荆升国.高应力破碎软岩巷道棚-索协同支护围岩控制机制研究[D].徐州:中国矿业大学,2009.
Study on Supporting Technology of Mining Roadway in Thin Seam
YE Yunsheng
Key wordsThin seam; Shelve supporting; Numerical simulation; Shed and cable coupling
·试验研究·