厚层顶板沿空留巷致灾机理及控顶技术研究.pdf

充煤黑豹杯参评论文302023年第2 期煤矿支护厚层顶板沿空留巷致灾机理及控顶技术研究杜怀龙（国能神东煤炭集团大柳塔煤矿，陕西神木7 1 9 31 5）摘要要本文以神东煤炭集团大柳塔煤矿5 2 6 0 6 综采工作面为工程背景，通过FLAC3D模拟软件，对不同支护参数沿空留巷的稳定性进行了研究，研究结果为：基本顶的断裂位置对沿空留巷煤壁侧的垂直应力分布、巷旁充填体的应力应变、围岩“小”结构及覆岩“大”结构的力学环境，均会产生显著影响。随着锚索直径的增大，巷道顶部应力集中区域在扩大；随着锚索长度的增加，其顶板的锚固范围增加；随着锚索支护密度的增加，巷道顶部应力集中区域也在扩大，并在锚索自由端形成应力集中。加强留巷的锚固支护，提高巷道围岩及充填体的整体强度，有利于沿空留巷的稳定。关键词沿空留巷；FLAC3D；支护参数1引言沿空留巷作为一种无煤柱开采技术，其核心是利用支护和加固等技术手段对上区段巷道进行重新支护，留至下区段使用，这对生产矿井技术改造、缓和采掘关系、延长矿井寿命具有显著的现实意义，该项技术被认为是采煤技术的一大进步 。因此将沿空留巷技术应用于煤炭开采中具有较大的经济价值。沿空留巷的方式根据留巷方式分成两种 2 ：原位留巷与半原位留巷，其支护形式包含锚杆、锚索、金属网等加强支护的巷内支护及预留小煤柱、充填体、支柱等有效控制顶板下沉的巷旁支护，因为受到不同回采条件及工程地质条件影响，需要有针对性地设计合理的支护参数 3因此，本文以神东煤炭集团下大柳塔煤矿5 2 6 0 6 综采工作面为工程背景，利用FLAC3D模拟软件，分析不同支护参数时沿空留巷的垂直应力、塑性区及围岩变形量变化。通过研究得出合理的支护体宽度，以期在类似条件的沿空留巷矿井中提供借鉴意义。2工作面概况大柳塔煤矿5 2 6 0 6 工作面预计推进4193.5m，主采煤层5 2 煤为稳定煤层，平均煤厚4.3m。直接顶为粉砂岩，单轴抗压强度39.31 MPa，老顶为细砂岩，伪顶为泥岩，直接底为粉砂岩，单轴抗压强度45.6MP。开采煤层顶底板情况表如表1所示。52606运顺为机轨合一巷，靠近正帮侧依次布置带式输送机、移变列车；回采期间52605运顺更名为5 2 6 0 6 回顺，巷道副帮为52605工作面沿空留巷浇筑砼墙；工作面采用一次采全高综合机械化采煤方法。31煤矿支护2023年第2 期表1 开开采煤层顶底板情况表厚度(m)顶底板岩石名称岩性特征平均厚度（m)2.921.8m灰白色，分选中等，磨圆度好，成份以石英为主，老顶细砂岩13.8m泥质胶结，波状层理。02.8m浅灰色，水平微波状层理，中、上部含有植物化直接顶粉砂岩1.8m石，并有细粒砂岩薄层。00.25m灰白色，泥钙质胶结，上部微波状，波状层理，中伪顶泥岩0.1m下部块状层理。1.75.2m灰色，泥质胶结，水平层理发育，局部有泥岩、粗直接底粉砂岩2.991m砂岩薄层发育。3厚层顶板沿空留巷围岩结构分析深部厚层顶板沿空留巷，沿空留巷围岩一侧为工作面的实体煤，另一侧是临近采空区。由于岩石具有不耐剪的特性，在工作面推进过程中基本顶发生破断和回转，厚层顶板在回采期间发生挎落并将采空区充填，由于初次来压，覆岩基本顶会形成“X”破断，会形成更小的块体A、B，随着工作面继续推进，基本顶受到周期来压作用，形成留巷顶板的“弧三角块B”，“弧三角块B”的变形和运移会影响顶板的稳定性 门设空留赞采空区岩体A岩体B岩体C顶板覆岩弧形三角块日块体入沿空留巷图1沿空留巷弧三角块平剖面图随着工作面推进，弧三角块B的主要参数有：基本顶厚度h，沿推进方向上基本顶断裂长度（基本顶来压步距）LI，沿侧向断裂跨度L（基本顶破断步距），以及断裂线距煤体距离Lo。基本顶初次来压步距：2RL(1)q基本顶周期来压步距为：L=haR(2)式中：R为基本顶的抗拉强度，MPa；q为单位面积上时受到的载荷，MPa;h为基本顶厚度，m。破断跨度L为：2L1L2(102+102-10(3)171SS有相关学者 5 研究认为，长壁开采基本顶的侧向断裂跨度与基本顶周期来压步距近似相等，即L=L1，并且断裂位置Lo，是影响厚层顶板失稳的因素之一，基本顶的断裂位置对沿空留巷煤壁侧的垂直应力分布，巷旁充填体的应力应变，围岩“小”结构及覆岩“大”结构的力学环境，均会产生显著影响。因此，加强留巷的锚固支护，提高巷道围岩及充填体的整体强度，有利于沿空留巷的稳定。47不同支护参数的巷道围岩变形规律分析4.1模型建立建立长宽高=40 X25X40（m）的数值模型，采用摩尔一库伦屈服准则，对巷道开挖并进行支护 6 ，三维数值模型图如图2所示。顶底板岩层力学参数如表2 所示。322023年第2 期煤矿支护表2部分煤岩力学参数岩性体积模量/GPa剪切模量/GPa质量密度/kg.m-3内摩擦角/内聚力/MPa粗粒砂岩2.161.692600302.85粉砂岩10.488.192800292.55煤层0.830.382500321.2细粒砂岩2.552.782700362.55巷道粗粒砂岩粉砂岩煤层细粒砂岩x-倾向长度(m)图2三维数值模型图4.2模拟结果分析为了探究锚索参数变化与巷道应力分布的内在关系，选取不同直径、不同长度和不同支护密度的锚索进行模拟分析。首先选取直径为1 8 mm、2 1.6 m m 和32 mm的锚索进行模拟分析，其受力分布云图如下图3所示。由图3可知：随着锚索直径的增大，巷道顶部应力集中区域也在扩大。锚索直径为18mm时，巷道中部围岩应力为1 2 3kPa，此时锚索最大拉力为8 6 kN，巷道左帮和柔模砼墙受力在1 0 2 9 kPa；锚索直径为21.6mm时，在巷道顶板中部块体间形成小的局部应力集中，最大应力为1 1 6 kPa，此时锚索自由段和锚固段处产生最大拉应力，为7 8 kN；当锚索直径增加到32 mm时，巷道中部围岩应力为9 6 kPa，此时锚索最大拉力为5 8 kN，巷道左帮和柔模砼墙受力在1 024kPa。进一步分析锚索长度和受力之间的关系，选取长度为4m、6.5 m 和8 m的锚索进行模拟分析，其受力分布云图如下图4锚杆力围岩应力(N)(Pa)8.6063E+048.5000E+042.9694E+048.0000E+042.0000E+047.5000E+041.0000E+047.0000E+040.0000E+006.5000E+04-1.0000E+046.0000E+04-2.0000E+045.5000E+04-3.0000E+045.0000E+04-4.0000E+044.5000E+04-5.0000E+044.0000E+04-6.0000E+043.5000E+04-7.0000E+043.0000E+04-8.0000E+042.5000E+04-9.0000E+042.0000E+04-1.0000E+051.5000E+04-1.1000E+051.0000E+04-1.2000E+055.0000E+03-1.2314E+051.7129E+03(a)锚索直径1 8 mm锚杆力围岩应力(N)(Pa)7.8373E+042.8212E+047.5000E+042.0000E+047.0000E+041.0000E+046.5000E+040.0000E+006.0000E+04-1.0000E+045.5000E+04-2.0000E+045.0000E+04-3.0000E+044.5000E+04-4.0000E+044.0000E+04-5.0000E+043.5000E+04-6.0000E+043.0000E+04-7.0000E+042.5000E+04-8.0000E+042.0000E+04-9.0000E+041.5000E+04-1.0000E+051.0000E+04-1.1000E+055.0000E+03-1.1577E+051.7129E+03(b）锚索直径2 1.6 mm围岩应力锚杆力(Pa)(N)2.4425E+045.8117E+042.0000E+045.5000E+041.0000E+045.0000E+040.0000E+004.5000E+04-1.0000E+044.0000E+04-2.0000E+043.5000E+04-3.0000E+04-4.0000E+043.0000E+04-5.0000E+042.5000E+04-6.0000E+042.0000E+04-7.0000E+041.5000E+04-8.0000E+041.0000E+04-9.0000E+045.0000E+03-9.6009E+041.7047E+03(c）锚索直径32 mm图3不同锚索直径受力分布云图所示。如图4所示，随着锚索长度的增加，其顶板的锚固范围增加，巷道顶部集中应力增33煤矿支护2023年第2 期围岩应力锚杆力(Pa)(N)2.3409E+045.9691E+042.0000E+045.5000E+041.0000E+045.0000E+040.0000E+004.5000E+04-1.0000E+044.0000E+04-2.0000E+043.0000E+043.5000E+04-4.0000E+043.0000E+04-5.0000E+042.5000E+04-6.0000E+042.0000E+04-7.0000E+041.5000E+04-8.0000E+041.0000E+04-9.0000E+045.0000E+03-9.7634E+041.7130E+03(a）锚索长度4m锚杆力围岩应力(N)(Pa)7.8373E+042.8212E+047.5000E+042.0000E+047.0000E+041.0000E+046.5000E+040.0000E+006.0000E+04-1.0000E+045.5000E+04-2.0000E+045.0000E+04-3.0000E+044.5000E+04-4.0000E+044.0000E+04-5.0000E+043.5000E+04-6.0000E+043.0000E+04-7.0000E+042.5000E+04-8.0000E+042.0000E+04-9.0000E+041.5000E+04-1.0000E+051.0000E+04-1.1000E+055.0000E+03-1.1577E+051.7129E+03(b）锚索长度6.5 m罐杆力围岩应力(N)(Pa)8.9213E+043.1291E+048.5000E+043.0000E+048.0000E+042.0000E+047.5000E+041.0000E+047.0000E+040.0000E+006.5000E+04-1.0000E+046.0000E+04-2.0000E+045.5000E+04-3.0000E+045.0000E+04-4.0000E+044.5000E+04-5.0000E+044.0000E+04-6.0000E+043.5000E+04-7.0000E+043.0000E+04-8.0000E+042.5000E+04-9.0000E+042.0000E+04-1.0000E+051.5000E+04-1.1000E+051.0000E+04-1.2000E+055.0000E+03-1.2630E+051.7129E+03(c）锚索长度8 m图4不同锚索长度受力分布云图大，锚索长度由4m增加至6.5 m时，巷道顶部应力由9 7 kPa增大至1 1 5.8 kPa，增幅约1 6.2%，此时锚索自由端的拉应力由59.7kN增长至7 8.4kN，增幅约2 3.9%；锚索长度由6.5 m增加至8 m时，巷道顶部应力由1 1 5.8 kPa增大至1 2 6.3kPa，增幅约8.3%，此时锚索自由端的拉应力由78.4kN增长至8 9.2 kN，增幅约1 2.1%。由此可以得知，锚索的长度并非越长越好，虽然锚索长度的增加可以锚固更高层位的岩体，形成更大范围的锚固体，但是锚索长度的增加，锚固效果增长速率明显变慢，也受巷道断面积、施工难易程度和经济等因素的影响，最中确定了采用长度为6.5 m的锚索进行施工。最后分析锚索支护密度和受力之间的关系，选取2 根、4根和6 根锚索支护进行模拟分析，其受力分布云图如下图5 所示。锚杆力(N)7.8368E+04围岩应力7.5000E+04(Pa)7.0000E+046.5000E+042.3538E+046.0000E+042.0000E+045.5000E+041.0000E+045.0000E+040.0000E+004.5000E+04-1.0000E+044.0000E+04-2.0000E+043.5000E+04-3.0000E+043.0000E+04-4.0000E+042.5000E+04-5.0000E+042.0000E+04-6.0000E+041.5000E+04-7.0000E+041.0000E+04-8.0000E+045.0000E+03-8.9856E+041.7132E+03(a)2根锚索支护锚杆力围岩应力(N)(Pa)7.8373E+042.8212E+047.5000E+042.0000E+047.0000E+041.0000E+046.5000E+040.0000E+006.0000E+04-1.0000E+045.5000E+04-2.0000E+045.0000E+04-3.0000E+044.5000E+04-4.0000E+044.0000E+04-5.0000E+043.5000E+04-6.0000E+043.0000E+04-7.0000E+042.5000E+04-8.0000E+042.0000E+04-9.0000E+041.5000E+04-1.0000E+051,000E+04-1.1000E+055.0000E+03-1.1577E+051.7129E+03(b)4根锚索支护围岩应力锚杆力(Pa)(N)3.4701E+047.8363E+043.0000E+047.5000E+042.0000E+047.0000E+041.0000E+046.5000E+040.0000E+006.0000E+04-1.0000E+045.5000E+04-2.0000E+045.0000E+04-3.0000E+044.5000E+044.0000E+04-5.0000E+044.0000E+04-6.0000E+043.5000E+04-7.0000E+043.0000E+04-8.0000E+042.5000E+04-9.0000E+042.0000E+04-1.0000E+051.5000E+04-1.1000E+051.0000E+04-1.2000E+055.0000E+03-1.2003E+051.7127E+03(c）6 根锚索支护图5不同锚索支护密度受力分布云图由图5 可知：随着锚索支护密度的增加，巷道顶部应力集中区域也在扩大，并在锚索自由端形成应力集中。在靠近巷帮侧打两根锚索时，巷道在锚索自由端产生的应力为8 9 kPa，此时锚索最大拉力为7 8 kN，巷道中部应力在40 6 0 kPa；当巷道断面锚索支护密度增加到6 根时，巷道中部围岩应力呈现拱形，最大围岩应力为1 2 0 kPa，此时锚索最大拉力为7 8 kN，锚索支护密度的增加对锚索自身受力变化影响不大，但巷道顶板围岩应力增加约2 5.8%。综上研究了锚（杆）索直径、长度和支护密度对巷道支护效果的影响，分析了不同锚（杆）索参数影响下巷道围岩应力及锚索拉应力变化趋势，并结合现场施工条件、施（收稿日期：2 0 2 3年0 3月2 2 日；责任编辑：杨向民）34煤矿支护2023年第2 期工难易程度和经济影响等方面，最终确定了采用21.66500mm参数的锚索，巷道断面锚索支护密度为4根。5沿空留巷支护方案设计52606运顺断面为矩形，断面规格为5.4X3.6m，断面积1 9.44m，设计柔模砼墙厚度1.2 m，留巷宽度4.2 m，留巷后作为下一工作面回顺使用。如图6 所示，顶板：在原来钢带空眼内施工21.6X6500mm锚索，间排距34m。在原有横向支护基础上，并在纵向上进行补强支护。纵向方向上支护两排4.2 m的W钢带，距副帮9 0 0 mm、2 5 0 0 m m 位置分别打一排28.68000mm锚索，每排锚索间距均为1 8 0 0 mm。锚索$21.66500锚杆18X2100700180040018007003009009001200900900800锚杆0000000000000000000000000006000000000000000000000009182100OOTT000OO008OOOOOO图652606运顺补强支护示意图6结论受初次来压影响，覆岩基本顶会形成“X”破断，随着工作面继续推进，基本顶受到周期来压作用，留巷顶板会形成弧三角块，弧三角块的变形和运移会影响顶板的稳定性。在巷道支护时，锚杆（索）具有极其重要的作用。随着锚杆（索）直径的增大，巷道顶部应力集中区域在扩大；随着锚杆（索）长度的增加，其顶板的锚固范围增加；随着锚杆（索）支护密度的增加，巷道顶部应力集中区域也在扩大，并在其自由端形成应力集中。因此，加强留巷的锚固支护，提高巷道围岩及充填体的整体强度，有利于沿空留巷的稳定。参考文献：1张农，韩昌良，阙甲广，郑西贵沿空留巷围岩控制理论与实践煤炭学报，2 0 1 4，39（0 8）：1 6 35-1641.2杨俊彩，王文，张广杰柔模砼墙沿空留巷围岩变形规律及控制技术研究J 煤炭科学技术，2 0 2 2，5 0(S1):89-99.3胡涛，李柱和，侯公羽，陈建鹏，崔永科，李子祥，坚硬厚顶厚煤层条件下沿空留巷工艺研究煤炭技术，2 0 1 9，38（0 3)：1 4.4吕情绪，赵小兵沿空留巷顶板下沉变形规律及补强支护控制机理J。煤炭技术，2 0 2 2，41（0 5）：38-41.5康志鹏，段昌瑞，余国锋，赵靖厚煤层软底沿空留巷围岩变形特征分析及顶帮强化支护技术工矿自动化，2 0 2 2，48（1 1）：1 0 1 1 0 9.DOI:10.13272/j.issn.1671251x.2022060003.6朱治刚，李迎富，陈涛，阮学云，王国玮坚硬厚层顶板破断规律与围岩控制研究J/OL：煤炭技术：16.作者简介杜怀龙（1 9 8 8 一），男，甘肃省庆阳市人，毕业于山东科技大学，研究生学历。现在神东大柳塔煤矿从事采掘管理工作，工程师。