深井工作面巷道围岩控制技术研究.pdf

收稿日期:2022 12 09作者简介:张向荣(1979-),男,山西晋城人,工程师,从事生产技术管理工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.09.011深井工作面巷道围岩控制技术研究张向荣(潞安化工集团 常村煤矿,山西 长治 046000)摘 要:针对 2701 工作面回风巷围岩变形较大,原支护方案无法有效控制的情况,基于矿井地质条件,提出基于锚杆(索)的“串群体结构”岩层锚固研究,即通过各个锚固体串联组合形成形梁实拱支护体结构,并设计两种不同的支护方案,利用数值模拟与原支护方案对比,通过位移场和应力场的模拟对比,确定第二种支护方案更为合理,因此基于组合梁理论设计优化的锚杆支护方案能够有效控制深井工作面巷道围岩变形,尤其在顶板和两帮围岩变形控制及巷道围岩应力改善方面效果突出。关键词:组合梁;串群体结构;围岩控制;深井工作面中图分类号:TD315 文献标识码:A 文章编号:1005 2798(2023)09 0040 04 随着我国社会经济的快速发展,国家对能源需求日益增长。我国存在“煤多油少”的情况,因此煤炭资源开采量及开采速度逐渐增长,且随着多年开采,浅部煤层开采基本殆尽,矿井逐渐转入深部开采时代1-2。深部开采条件下,巷道围岩变形更加剧烈,传统支护方式已经无法有效控制深部巷道围岩的变形,再加上采动扰动等影响,深部巷道围岩变形控制所面临的形势更加严峻3-5,因此基于矿井实际地质条件,提出一种高效使用的巷道支护方案对矿井安全高效生产十分重要6。国内众多学者针对深部矿井支护进行了广泛研究,并取得重要的研究成果。王博等7针对高地应力软岩巷道,提出锚网索拱耦合支护方式进行巷道围岩控制,利用钻孔监测,理论计算和数值模拟等方法对巷道关键部位进行分析研究,确定在方案的实际应用中,巷道围岩得到有效控制,其中顶板最大变形 14.7 mm,两帮最大变形 57.3 mm;马新世等8针对深部矿井大断面巷道围岩变形量大等情况进行研究分析,基于莫尔-库伦等监理锚杆注浆改性力学分析,并利用数值模拟等方法对多种工况条件下的围岩塑性区、应力场和位移场等进行分析对比,确定“分层掘进+滞后高压注浆+强力锚索支护”的巷道围岩控制方案,实际应用后巷道塑性区破坏范围明显降低;江成玉等9针对深部条件下运输巷道软岩变形大难于支护等问题,通过现场调研、室内试验等多种方法确定巷道破坏机理,并针对性地提出“锚杆/索+钢筋网+注浆+U 型钢棚”等支护方案,利用理论分析、数值模拟和现场试验等多种方法进行方案验证,确定优化支护方案能够有效控制巷道围岩变形,改善围岩应力状况;邓广哲等10基于室内试验和现场实测等方法对金川煤矿 8202 工作面回风巷道软岩控制问题研究,通过揭示围岩变形破坏因素,并利用数值模拟等进行多方案下的支护模拟对比,提出浅部注浆支护封堵围岩裂隙、锚杆锚索支护配合锚索梁形成多层组合拱的联合支护方式,通过方案的实施实现巷道围岩变形较原方案降低约72.8%的效果。上述学者对矿井巷道围岩支护进行深入研究,但是不同矿井地质条件也不同,因此研究结论无法直接应用于矿井生产,本文借鉴前人研究方法,对常村煤矿 2701 工作面进行支护参数优化研究,确定最佳支护方案。1 工程背景1.1 地质条件2701 工作面回风巷道井下位置位于 3 号煤层,煤层厚度 6.136.18 m,平均厚度为 6.16 m,含夹矸 01 层,平均厚度为 0.05 m,煤层呈近水平分布,巷道埋深 523.03 546.4 m.矿井顶底板岩性,如图 1 所示。1.2 巷道支护形式2701 回风巷设计净宽 6 m,净高 3.7 m,净断面22.2 m2,巷道顶支护为锚杆+金属网+锚索支护;锚杆矩形布置,间排距为 1 000 mm1 100 mm,锚杆规格为 D18 mm1 800 mm;锚索间排距 1 根/3 m,锚索规格为 D15.24 mm6 500 mm.巷道两帮局部破碎处进行帮网支护,巷道实体煤帮玻璃钢锚杆+塑料网支护,玻璃钢锚杆 D20 mm1 800 mm,2.5 m 宽实实用用技技术术 第第 3 32 2 卷卷 第第 9 9 期期 2 20 02 23 3 年年 9 9 月月塑料网。巷道煤柱靠顶板1 500 mm 范围采用锚杆+金属网支护+皮钢带,锚杆间排距为 1 000 mm1 000 mm,锚杆规格为 D18 mm1 800 mm,金属网用 10 号铅丝制成,网格 60 mm 60 mm,每卷长10 m,宽为 1.5 m.巷道在原支护方案下巷道变形较大,且在相邻工作面采动影响下,巷道断面收缩率最高达到35%,其中巷道顶板浅部围岩及两帮变形较大。图 1 煤层顶底板岩性图2 巷道围岩锚固机理基于矿井地质条件,顶板条件属于基本稳定,虽然稳定岩层与巷道顶板距离超出锚杆长度,但顶板极限跨距大于巷道的宽度,有一定承载能力,见图 2,通过锚杆支护形成一种连续的锚固串群体,生成块体梁,将稳定岩层下各个岩层保持稳定状态即可。图 2 岩层锚固结构图2.1 锚固串群体的形成锚杆支护将周围的岩块结合,并改变岩块的单向或双向应力状态至三向应力状态,使岩块与锚杆形成了力学性质增强一个整体,此结构整体即为锚固串群体。“串群体结构”如图 3 所示。图 3“串群体结构”示意2.2 锚固串群体生成块体梁结构的形成机理锚杆支护形成锚固串群体结构自稳能力大于其应力水平,则顶板处于稳定状态;当自稳能力小于其应力时,串群体结构发生破坏导致顶板冒落。锚固串群体形成的是形似梁实为拱的挤压块体梁结构。图 4 为锚固串群体形成的形梁实拱结构示意图。块体梁的厚度由锚固串群体的两个铰接点之间的距离决定。图 4 锚固串群体形成的形梁实拱结构示意3 围岩控制模拟研究本文主要采用 FLAC3D软件进行原支护与优化支护位移场和应力场围岩控制模拟,因为巷道断面尺寸远小于巷道长度,巷道围岩中的应力分布与巷道轴线的位置无关,且沿轴线方向不允许变形,所以是一个平面变形问题。因此模型尺寸 40 m9 m50 m,模型除顶部外,其余各面均固定,模型顶部施加 14.45 MPa.模型参数如表 1 所示。14第 9 期 张向荣:深井工作面巷道围岩控制技术研究 表 1 模型岩层参数岩性密度/(kgm-3)体积模量/Pa剪切模量/Pa内聚力/Pa内摩擦角/()拉伸模量/Pa细粒砂岩2 9324.17E+92.63E+95.52E+640.328.12E+6砂质泥岩2 0003.77E+92.26E+94.00E+636.044.44E+6煤1 4016.51E+85.30E+84.50E+532.211.21E+6砂质泥岩2 0003.77E+92.26E+94.00E+636.044.44E+6细粒砂岩2 9324.17E+92.63E+95.52E+640.328.12E+63.1 模拟方案基于矿井地质条件及组合梁相关理论,设计计算如下支护方案:顶板支护:D18 mm1 800 mm等强度圆钢锚杆,顶板钢带,锚杆间排距 1 000 mm1 000 mm,靠近巷帮的顶板锚杆安设角度与水平方向夹角呈 60.锚索:单根钢绞线 D15.24 mm,长度6.5 m.巷帮支护:D18 mm1 800 mm 等强度圆钢锚杆,靠近顶、底板的锚杆安设角度与水平方向夹角呈 20.五花眼布置。3.2 模拟分析通过方案模拟获得如图 5 图 7 所示位移场模拟示意。图 5 原支护方案图 6 优化支护方案 分析图 5 和图 6 可知:在原支护条件下,巷道围岩浅部变形区分布范围大,即 250300 mm 位移区分布范围较优化支护面积高约 21%,同时巷道底板深部分布一定的零位移变形区,即围岩未发生变形,在原支护条件下零位移区距离底板距离较优化方案深约 34%,即原支护方案条件下原岩应力向底板深处转移,造成底板零位移区向深部转移。在原支护条件下,巷道浅部围岩平均位移 286 mm,优化支护方案后平均位移 162 mm.上述情况说明,通过支护方案优化后,不仅有效控制了浅部围岩变形,同时改善了原岩应力向深部转移的程度,降低了底板变形量。通过模拟获得如图 7图 8 所示应力场方案:图 7 原支护方案24 第 32 卷图 8 优化支护方案 分析图 7图 8 可知:两种支护方案下巷道围岩应力分布相似,对比两种支护方案,其中在围岩水平应力条件下,优化支护方案有效减小了顶板深部围岩集中应力分布范围,其中原支护条件下,巷道顶板深处分别出现两处集中应力区,而优化支护方案只存在一处,且距离巷道顶板更远;两帮围岩应力在支护方案优化后,集中应力区减小,且其中原支护方案条件下巷道两帮集中应力平均 8.4 MPa,优化方案则为 6.2 MPa.垂直应力条件下,原支护方案条件下,巷道顶板围岩平均应力 4.2 MPa,底板平均应力3.2 MPa,优化支护方案下,顶底板围岩平均应力分别为 2.8 MPa 和 1.6 MPa,该结果与图 5 和图 6 位移变形原理相一致。基于巷道整体的围岩控制效果,优化方案较原支护方案,不仅改善了巷道顶板和两帮围岩应力情况,同时减缓了原岩应力向底板的传递,实现了巷道浅部位移变形的控制。基于上述位移场和应力场模拟研究,优化支护方案对于巷道围岩控制更加有利。4 结 语1)基于矿井地质条件,提出基于锚杆(索)的“串群体结构”岩层锚固机理,即通过各个锚固体串联组合形成形梁实拱支护体结构。2)通过优化支护方案与原支护方案对比,通过位移场和应力场的模拟对比,确定优化支护方案设计在顶板和两帮围岩变形控制及围岩应力改善作用更佳。参考文献:1 刘 洁.我国煤炭国内贸易格局、影响因素及与经济增长关联研究D.北京:中国地质大学,2020.2 孙万鑫.我国煤炭产能对经济增长的影响:基于煤炭产量与 GDP 的协整分析J.中国煤炭,2017,43(8):18-22.3 任华友.煤矿开采深度现状及发展趋势J.内蒙古煤炭经济,2017(7):10-11.4 冯培荣.浅谈煤矿深部开采中存在的问题与对策J.能源与节能,2018(2):40-41.5 王怀伟,张鹏冲.深部高地应力软岩巷道支护技术研究J.煤炭工程,2019,51(1):44-46.6 张 宇,陈占清.深部巷道蠕变大变形失稳机理与控制技术研究D.北京:中国矿业大学,2019.7 王 博,王晓燕,党林航.高地应力软岩巷道锚网索拱协同耦合支护技术研究J.有色金属(矿山部分),2021,73(1):5-10.8 马新世,弓培林,李 超.深部大断面巷道围岩注浆加固技术研究与应用J.矿业安全与环保,2021,48(3):62-67.9 江成玉,刘勇,韩连昌,等.深部高应力软岩巷道变形特征及支护技术研究J.煤炭工程,2021,53(1):47-51.10 邓广哲,刘 华.深部软岩大变形巷道锚注一体化支护技术及应用J.西安:西安科技大学学报,2021,41(2):262-273.本期编辑:王伟瑾欢迎订阅 2024 年煤杂志34第 9 期 张向荣:深井工作面巷道围岩控制技术研究