急傾斜煤層沿空留巷支護(hù)數(shù)值模擬

1、急傾斜煤層沿空留巷支護(hù)數(shù)值模擬     【摘要】目前急傾斜煤層沿空留巷存在破壞嚴(yán)重、支護(hù)困難及支護(hù)方式不合理等問(wèn)題。結(jié)合某礦實(shí)際開采條件，首先提出了四種不同的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式，然后采用離散單元法，對(duì)四種不同條件下的急傾斜煤層沿空留巷變形進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究獲得了急傾斜煤層大范圍開采過(guò)程的巷道變形規(guī)律，揭示了巷道的基本破壞特點(diǎn)是非對(duì)稱的變形，主要表現(xiàn)為頂板下沉和底板底鼓，支護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域是采空區(qū)側(cè)巷道頂板。根據(jù)巷道的變形特點(diǎn)，確定采用內(nèi)強(qiáng)式錨桿和巷旁充填混凝土的支護(hù)方法。根據(jù)采空側(cè)頂板變形特點(diǎn)，提出了優(yōu)化巷旁混凝土充填斷面和錨網(wǎng)索支護(hù)相結(jié)合的支護(hù)

2、設(shè)計(jì)的方法，為類似地質(zhì)條件的急傾斜煤層沿空留巷提供了設(shè)計(jì)依據(jù)?！娟P(guān)健詞】急傾斜煤層；沿空留巷；離散單元法；數(shù)值模擬；混凝土充填煤層傾角對(duì)煤層巷道的開拓部署，巷道的布置和支護(hù)的參數(shù)、巷道煤柱的留設(shè)和回收以及防滅火等許多重要技術(shù)問(wèn)題影響極大2。由于急傾斜煤層開采的特殊性，巷道圍巖變形和破壞特點(diǎn)，支護(hù)方式將發(fā)生較大的變化，長(zhǎng)期以來(lái)，關(guān)于急傾斜近距離煤層回采巷道沿空留巷方面的研究極少，無(wú)成熟的經(jīng)驗(yàn)和理論可供借鑒3-4。本文結(jié)合某礦急傾斜煤層的實(shí)際，首先提出了四種不同的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式，采用離散元軟件UDEC，對(duì)不同條件下的急傾斜煤層沿空留巷變形進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析巷道支護(hù)形式、充填體寬度、充填方式和

3、充填體強(qiáng)度等技術(shù)因素對(duì)沿空留巷變形的影響，探討煤層巷道圍巖變形與破壞的一般規(guī)律及合理支護(hù)方式，得到最優(yōu)化的急斜煤層沿空留巷支護(hù)方式，為賦存有類似急斜煤層的礦井生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)沿空留巷充填體的工業(yè)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。1 礦井煤系地層及開采條件某礦開采的煤層屬上三疊系須家河組的煤層，煤系含煤3層，K2為主采煤層，煤層平均厚度1.5m，直接頂為泥巖，厚2.5m，直接底為粉砂巖厚3.5m，老頂為細(xì)粒砂巖，厚6.0m，老底為細(xì)粒砂巖，厚6.0m，煤層傾角3050°，采空區(qū)處理方法為自然垮落法。煤層之間的巖性分布見表1。 表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parame

4、ters of coal and rockmass巖層彈性模量/GPa泊松比容重/kNm-3黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/()抗壓強(qiáng)度/MPa細(xì)粒砂巖2.580.1532.003.8363泥巖2.040.1823.041.3291.2煤1.700.3018.500.6200.6粉砂巖1.960.1228.303.1311.62數(shù)值模擬2.1支護(hù)方案工作面機(jī)巷原設(shè)計(jì)斷面為梯形，采用工字鋼支護(hù)，密度0.6 m/架。最初的小斷面尺寸為：頂寬為2.4 m，底寬為2.8 m，高為2.0 m。巷旁支護(hù)采用泵送普通混凝土支護(hù)已在綜采緩斜煤層沿空留巷取得了成功6。此次急傾斜煤層實(shí)行沿空留巷設(shè)計(jì)在巷旁用混凝土充填、巷

5、內(nèi)采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)維護(hù)巷道穩(wěn)定，進(jìn)行模擬研究，為了研究采用普通混凝土巷旁充填的急傾斜煤層沿空留巷的技術(shù)，根據(jù)充填體的形狀和巷道內(nèi)錨網(wǎng)索支護(hù)的位置，提出以下4種支護(hù)方式。方式：留巷為梯形斷面，頂寬2.4m，底寬2.8m，巷高2.0m，巷道頂板打4根錨桿，2根錨索，錨桿長(zhǎng)2m，錨索長(zhǎng)6m，泵送混凝土充填體為梯形斷面，頂寬0.60m，底寬3.4m，高1.5m。混凝土內(nèi)1根錨索，長(zhǎng)6m，混凝土斷面面積3.00784。充填體巷內(nèi)側(cè)采用單排單體液壓支柱進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，支柱間距1m，距工作面后方約40m回撤，充填體靠采空區(qū)側(cè)混凝土體底部打一排木支柱。工作面日推進(jìn)度為5m，工作面超前20m，采用單體液壓支柱配

6、工字鋼架設(shè)一梁三柱抬棚加強(qiáng)支護(hù)，巷道支護(hù)方式設(shè)計(jì)如圖1所示。方案：除對(duì)左側(cè)邊幫增加3根錨桿，混凝土內(nèi)側(cè)加一液壓支柱，其他與方案一相同；方案：對(duì)混凝土充填體寬度進(jìn)行調(diào)整，充填為頂寬1m、底寬2m、高1.5m的梯形斷面，面積2.26712，其他與方案一相同。方案：在方案三的基礎(chǔ)上對(duì)左側(cè)邊幫增加3根錨桿，混凝土內(nèi)側(cè)加一液壓支柱，其他與方案三相同。   （a）方案一               （b）方案二   （c）方案一

7、               （d）方案二圖1  沿空留巷巷旁支護(hù)方式設(shè)計(jì)圖（單位m）2.2  數(shù)值模型的建立為分析急傾斜煤層開采沿空留巷圍巖移動(dòng)規(guī)律及變形特征，采用數(shù)值分析軟件UDEC，并根據(jù)某礦急傾斜煤層綜采沿空留巷的現(xiàn)場(chǎng)條件建立相應(yīng)模型，模型尺寸為100m×100m，共分5個(gè)巖層，中間巖層為煤層厚1.5m，直接頂為泥巖，厚2.5m，直接底為粉砂巖厚3.5m，老頂厚6.0m，老底為厚6.0m，煤層傾斜40°，約束

8、條件為兩邊x方向固定，底部x方向和y方向固定，頂部施加埋深為300m的自重應(yīng)力，見圖2。     （a）數(shù)值模型一          （b）數(shù)值模型二   （c）數(shù)值模型三         （d）數(shù)值模型四圖2  沿空留巷支護(hù)方式數(shù)值模型2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析通過(guò)急傾斜沿空留巷數(shù)值模擬，得到了以上四種方案的巷道頂板位移量、底板位移量、左右兩幫的位移量，如圖3圖6所

9、示。（a）底板下沉情況          （b）底板上升情況(c) 巷道左幫變化情況       (d) 巷道左幫變化情況圖3  四種支護(hù)方案模擬比較（1） 留巷的變形特點(diǎn)從圖4(a)可知，工作面頂板主要表現(xiàn)為巷道頂板下沉，頂板下沉量從煤幫到采空側(cè)成線性增加，在距頂板中心0.7m靠近采空區(qū)側(cè)頂板下沉達(dá)到最大值，約120mm。在四種支護(hù)方案中，在方案二支護(hù)條件下距頂板中心0.71.2m范圍靠采空區(qū)側(cè)下沉量最大，方案四下沉量最小。巷道變形主

10、要在靠底板側(cè)的煤幫,底鼓不明顯。沿空留巷后，巷道兩幫變形主要表現(xiàn)為左幫移近約55mm，右?guī)图s50 mm的變形，兩幫總變形量約為105mm，頂?shù)滓平考s為135mcm。由圖3（b）可知，而底板也有底鼓現(xiàn)象，底板向上隆起變化量與頂板中心距兩側(cè)下沉有類似的現(xiàn)象，形成相互錯(cuò)動(dòng)式變形破壞，即巷道頂?shù)鬃冃瘟坎煽諅?cè)大于煤幫側(cè)。由圖3（a）、（b）的頂板和底板的位移變化的可知，變形量最大發(fā)生在巷道頂幫和頂幫角，底幫和底幫角，變形量呈現(xiàn)對(duì)角式分布，所以巷道支護(hù)的重點(diǎn)是頂幫和底幫。從圖3（c）可知，在左幫（煤幫）加打三根錨桿的頂板下沉量減少10mm，底板向上隆起量減少5mm，兩幫變形量相應(yīng)減少，錨桿支護(hù)特別適合于

11、巷道的大變形特點(diǎn)，既能夠加固圍巖，又能夠?qū)鷰r變形具有一定適應(yīng)能力。從巷旁充填斷面分析，針對(duì)巷道的非對(duì)稱變形，結(jié)合煤層和圍巖條件，巷旁充填斷面設(shè)計(jì)成為既能適應(yīng)頂?shù)装褰诲e(cuò)變形，又具有穩(wěn)定的拱狀效應(yīng)的斷面形式，直角梯形充填方式更為可取，如圖3（c）、（d）所示，直角梯形巷旁充填的兩幫移近量減少5mm，此外還為采空區(qū)頂板加固留出了空間，加打錨索或打木支柱支護(hù)。3留巷支護(hù)選取及斷面優(yōu)化根據(jù)數(shù)值模擬，巷道變形破壞主要集中于靠采空區(qū)側(cè)頂板和底板，及其上頂幫角和下底幫角。巷道開挖卸載造成的剪切和拉伸破壞。巷道支護(hù)的重點(diǎn)是頂幫和底幫上部、頂煤。支護(hù)的作用是消除受拉區(qū)和增強(qiáng)煤層抗剪性能，支護(hù)方式應(yīng)當(dāng)選擇強(qiáng)化圍巖

12、的錨網(wǎng)索支護(hù)。從上面四種方案對(duì)比圖可以看出，方案四比較合理，現(xiàn)去除方案四混凝土內(nèi)的錨索進(jìn)行模擬，并與方案四進(jìn)行對(duì)比如圖4所示。（a）頂板下沉情況      （b）底板上升情況（c）左幫變化情況       （d）右?guī)妥兓闆r圖4 方案四和五模擬比較方案四與方案五比較，錨索起到一定的作用，方案四比方案五在左幫位移小35mm，最終選擇方案四進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)沿空留巷。 4結(jié)  語(yǔ)(1) 在工作面開采的巖層移動(dòng)影響作用下，急傾斜回采巷道的變形和破壞具有非對(duì)稱性。研究急傾斜煤層回采巷道的支護(hù)，必須首先研究工作面開采后的巷道變形特點(diǎn)。(2) 巷道破壞的主要機(jī)理是急傾斜煤層頂板下沉和底板底鼓運(yùn)動(dòng)。對(duì)于梯形斷面，變形破壞主要集中在采空側(cè)頂板和底板，及其上頂幫角和下底板角附近。(3) 對(duì)于非對(duì)稱變形的急傾斜沿空巷道的支護(hù)，提出了在巷旁充填混凝土和巷內(nèi)錨網(wǎng)索支護(hù)相結(jié)合的支護(hù)設(shè)計(jì)的方法，根據(jù)采礦地質(zhì)條件和頂板變形特點(diǎn)合理優(yōu)化支護(hù)斷面形狀。(4) 急傾斜煤層沿空留巷的合理支護(hù)對(duì)于提高煤炭回收率、合理銜接回采工作面、減少巷道掘進(jìn)率和解決采掘接替緊張等具有重要意義?！緟⒖嘉墨I(xiàn)