大断面煤巷顶板稳定机理分析与控制技术

大断面煤巷顶板稳定机理分析与控制技术

张永杰1

,郝云新2

,柏建彪1

,王襄禹1

,周 贤3

,张科学

1

(1.中国矿业大学矿业工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州221008;

2.内蒙古煤炭科学研究院有限责任公司,内蒙古呼和浩特010010;

3.彬县煤炭有限责任公司,陕西咸阳713500)

摘 要:随着煤层巷道宽度、高度的增大,顶板及两帮的拉应力及拉应力区增大、两肩角处易受剪切破坏、巷道顶板易离层,因此大断面煤巷维护更加困难。针对某矿生产地质条件和大断面巷

道的维护特征,应用理论分析、数值计算和工程实践的方法,提出了大断面煤巷稳定机理与控制技术。

关键词:大断面煤巷;围岩稳定;控制技术

中图分类号:TD353+

.6 文献标志码:B 文章编号:1003-496X(2011)01-0050-04

基金项目:国家自然科学基金项目(50774077);煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题资助项目(SKLCRS M 08X04);全国博士学位论文作者专项资金资助项目(200760);教育部新世纪优秀

人才支持计划资助项目(NCET -06-0475)

1 工程概况

某矿23盘区南轨道下山布置在9#

煤层中,埋深410m,9#

煤层平均厚度为4.6m,倾角2 ~4 ,局部有宽缓伏,岩石普氏系数f =1.5,煤层节理发育。直接顶为泥岩及砂质泥岩,厚度为5.7m;老顶为细砂岩,厚度为3m;直接底为泥岩或细中砂岩,厚度为40m 。

南轨道下山沿9#

煤层顶板掘进,断面20m 2

,采用锚杆支护,顶板采用 22mm 2500mm 左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆,加长锚固,螺母安装扭矩100N !m;两帮采用 16mm 1600mm 圆钢锚杆,树脂药卷锚固,安装螺母扭矩60N !m 。锚杆间排距800mm 800mm,钢筋梯子梁采用 14mm 圆钢焊接。采用 17.8mm 8000mm 锚索,加长锚固,锚索预拉力70k N,每排2根,排距1600mm 。

在该支护系统下,大断面煤巷围岩收敛剧烈,两帮破碎,顶板下沉和离层量大,甚至发生了一次冒顶事故,巷道安全隐患多,维护困难。2 大断面煤巷顶板稳定机理分析

对于实体煤巷道,由于其长度远大于宽度,可将巷道顶板视为两端由煤壁支撑的固定端支座模型,此时,上覆岩层的重量将通过岩层∀梁#传递至两端固定端支座上,即煤体上

∃1%

。假设∀梁#上受均布载

荷q ,巷道宽L,根据弹性梁理论可知道,巷道顶板所

受剪力最大值处于两肩角处,且与L 成正比,大小为

q L

2

;巷道中央挠度最大,与巷道跨度L 的4次方成正比,其值为v m ax =q L

4

384E I ,大断面煤巷由于跨度L 大,

顶板在两肩角处所受剪力和中部所受拉力较普通巷道更大,更易在这些区域分别受剪破坏和拉破坏。

根据弹性梁理论分析结果,采用有限元数值计算软件FLAC 进一步分析大断面煤巷顶板破坏过程与机理。2.1 FLAC 数值计算模型

依据地质柱状图,建立有限元数值分析模型,如图1。模型尺寸100m 50m,模拟条件:巷道断面5m 4m ,埋深为410m,煤层厚度为4.6m,直接顶为5.7m 厚泥岩,老顶为3.0m 厚细砂岩,直接底为4.0m 厚泥岩,老底为6.0m 厚砂质泥岩。模型先加载后开挖。各岩层力学参数见表1。

图1 FLA C 数值计算模型

表1 岩层力学参数

煤

泥岩砂质泥岩

细粒砂岩

C /M Pa 0.8 1.01.223E /M Pa 6506120912020000 /( )17.5283442 0.280.290.260.21!/kg !m

-3

1500

2100

2300

2700

2.2 大断面煤巷顶板失稳过程

巷道开挖后,围岩应力重新分布,巷道围岩初期变形破坏状态如图2。大断面煤巷两帮煤体较顶板

强度小,在两帮中部出现拉破坏区域,两帮塑性区范围达到3m,明显大于顶板1.5m 塑性区范围,巷道顶板两肩角处仍处于弹性区。计算至巷道稳定后围岩破坏状态如图3所示,两帮塑性区范围达到11m,两帮中部拉破坏区域达到1m 范围,随着两帮煤体塑性区范围的扩展,其整体承载能力降低,相当于巷道跨度进一步增大,直接顶弯曲下沉,在顶板中部出现拉破坏区。顶板塑性区范围向两帮方向扩展,巷道两肩角应力集中处也遭到破坏,巷道顶板塑性区扩展到老顶处,

在直接顶与老顶交界处出现离层。

-塑性区;o-拉破坏区

图2

掘巷初期围岩塑性区分布

-塑性区;o-拉破坏区

图3 掘巷稳定后围岩塑性区分布

可见大断面煤巷随着开挖后,两帮首先破坏,塑

性区范围大,减小了对顶板的支撑作用,两肩角处围岩破碎失稳,顶板弯曲下沉,锚固区外出现离层,顶板中部受拉破坏,直至顶板失稳。3 大断面煤巷顶板稳定控制技术3.1 增大顶板锚杆预紧力

随着顶板锚杆预紧力的提高,顶板中部拉应力区减小甚至消除,同时两个肩角的剪切应力集中程度减弱。当锚杆预紧力达到一定值后,顶板岩层在不同的层位会出现一定的正应变和负应变,其累计值还不足以造成明显的顶板下沉,即当顶板处于预应力状态时,可以做到不出现横向弯曲变形,只有纵向的微小的膨胀和压缩变形

∃2%

。

高预紧力实现锚杆快速增阻,尽早发挥锚杆对顶板支护作用,有效减小了顶板初期松动和下沉量,保持顶板围岩的整体完整性。同时,锚杆提供的高预紧力将顶板松动岩体与更上部挤压在一起,改善锚固区岩层受力状态,使其具有一定的承载能力,对锚固区外岩层起到支撑作用,从而保证大断面煤巷顶板稳定。

3.2 增大两帮支护强度

煤巷两帮煤体强度一般小于顶底板岩层强度是巷道围岩承载结构中的薄弱部位,最易破坏而丧失支撑能力

∃3%

。大断面煤巷两帮变形对顶板稳定有

较大影响,两帮强烈相对移动、破坏后,大范围的破坏区、塑性区煤体降低甚至失去对顶板的支撑,进一步加大了巷道的跨度,引起两帮煤体破坏区顶板破坏,顶板岩层承载能力降低,导致顶板失稳。因此,

控制两帮煤体变形、破坏是保证大断面煤巷顶板稳定的必要手段。

通过使用高强度锚杆和增大预紧力,增加了煤岩体的峰值强度和残余强度∃4%

,增加巷道表面围岩的围压,改善两帮应力状态,阻止围岩塑性区的进一步发展,提高其承载能力,并使破坏区围岩再次形成承载结构,有效地对顶板起到支撑作用,避免大断面煤巷跨度进一步变大,从而控制顶板失稳、冒落。3.3 优化肩角锚杆布置

对于矩形巷道,巷道肩角处易出现应力集中现象,易出现破坏失稳导致冒顶事故。

顶板角锚杆角度过大,角锚杆形成的有效压应力区与中部锚杆形成的有效压应力区分离,叠加区域较小或者没有,导致角锚杆与中部锚杆成为独立

的支护单元,锚杆支护整体作用受到严重影响

∃5%

。