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厚煤层反复损伤的大巷矿压规律及支护研究 第六图书馆 通过对王洼煤矿1380大巷受工作面反复损伤影响的软岩巷道现场矿压观测的分析和数值模拟计算,提出了软岩巷道相应的支护对策。 通过对王洼煤矿1380大巷受工作面反复损伤影响的软岩巷道现场矿压观测的分析和数值模拟计算,提出了软岩巷道相应的支护对策。 软岩 反复损伤 矿压规律 模拟计算 煤矿 厚煤层西安矿业学院学报柴敬 薛光明 [1]西安矿业学院采矿工程系 [2]宁夏王洼煤矿1998第六图书馆 第六图书馆 第 1 8卷第 4期 址 一 ； 西安矿业学院学报 v 0 1． 1 8 N 。 ． 4 耋 篓 TD 353 TP 312 ／ ，， 关 键 词 兰 兰 墨 担 盐 竺 苎 苎 墨 ／ 、 ／ ／ j 中 围 分 类 号 f ，， ／ 本文通过对现场矿压显现特征的观测和分析， 结合王洼煤矿的实际 ， 提出对软岩巷道 进行支护的对策。 王洼煤矿地处宁夏西海固的彭阳县， 属贫 困地区， 是 当地最大的一个煤炭工业企业 。 现开采的 5 煤层直接顶为灰 白泥岩， 厚 1 5 ～2 O m， 直接底为 1 ． 4 ～2 ． 4 m 灰白泥岩。 泥岩 抗压强度小于 4 0MP a ， 遇水膨胀 。5 煤厚 8 ～1 2m， 分 4 ～6个分层开采， 矿井 I 3 8 0大巷 留护巷煤柱 2 5 ～2 7 m， 受到 8 ～1 0次采动后反复损伤影响。 由于设计不合理 ， 5 煤第 2 分 层开采后相 当一部分支架压坏 ， 巷道倒蹋 ， 而这条巷道还要为开采下面 3 ～4个分层和相 邻的新采 区服务 ， 所 以， 该巷道的稳定状况将直接影 响到矿井的正常开采和经济效益。 1 1 3 8 0大巷概况及矿山压力观测 1 3 8 0大巷位于井 11 3 8 0水平 ， 沿 5 煤层顶板走向布置 。断面为半 圆拱形 ， 净断面 高度 3 ．0m， 拱半径 1 ． 8m， 混凝土砌碹 支护。 砌块单向抗压强度 2 4 MP a 。 5 煤 层层理不 明显 ， 节理 发育， 多呈 x 型节 理 ，f一 1 ． 5 ～2 ． 3 ， 倾 角 l 8 。 ， 埋 深 3 4 4 m。矿井地质及水文条件简单。1 3 8 0大 巷 在工作 面回采 时用半 圆拱剐 性金属 棚子加强支护， 棚腿为 1 1 工字钢， 拱顶 为 1 4 槽钢 ， 拱半径 R一1 ． 6 5 m， 弦撑 为 9 工字钢， 其余均由 5 0的钢管制 成 矿压观 测的 0 5 2 1 工作 面是 5 煤 层 的第 2个分层 ， 工作面长度 4 O m， 沿 G E A B C 图 1 金属 棚子变形观测点布置 F i g ． 1 De f o r ma t i o n o b s e r v a t i o n p o i n t s o f s u p p o r t o n t h e s c r e e n s u r f a c e 倾斜布置走向推进 。工作面与 1 3 8 0大巷之间留 2 7 m 煤柱。其上第 1 分层工作面与大巷 收稿 H期i 9 9 8 0 6 2 4 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 2 8 8 西安矿业学院学报 之问留2 5 m 煤柱， 已回采 ， 回采中对大巷几乎无影响。 观测时沿 1 3 8 0大巷布置 I、Ⅱ 两个 测站， 共 4 个观测断面， 观测顶底板和两帮移近量， I 测站观测工作面推进 9 6 ． 7 m， Ⅱ 测 站观测工作面推进 6 5 ． 8 m。同时观测半圆拱刚性金属棚子 的变形 图 1 。 2 巷道矿压观测结果 2 ． 1 围岩移近■及其移近速度 在 1 3 8 0大巷 1号测站围岩移近量的观测期问， 顶板移近量为 1 1 7 ～1 2 j mi l l ， 平 均为 1 2 1 m m， 其最大移近速度为2 3 m m／ a ； 两帮移近量为 5 5 6 4 f il m， 平均为 5 9 - 5 1T i m， 其最 大移近速度为 1 3 mm ／ d 。1 测站 1 断面顶底板、 两帮移近量和移近速度随工作面的推进 距离变化曲线如图 2 。可以看出， 工作面采动影响在工作面前方 8 m左右， 最大影响处在 工作面后方 2 0 m左右， 到工作面后方 3 5 m左右大巷采动影响明显减少。 2 ． 2 巷道底鼓及其速度 1 3 8 0大巷 l号测站底鼓量为 9 3mm， 最大底鼓速度为 8mm／ d 。l测站 1 ， z 断面底 鼓量随着工作面的推进变化曲线如图 3 ， 大巷底鼓在工作面前方 8 m 左右开始发生。 与图 2的围岩移近量相比， 在工作面推进过程 中， 底鼓占围岩移近量 的 6 5 ～8 O ， 顶板下沉 量仅占 2 o ～3 5 ， 为顶底板移近量的 1 ／ 8 ～1 ／ 3 。 l 童 崮 漳 量 i 告 彗 照 lo 。 ／⋯ ／ ～ 图 謦 图 3 I 测 站 巷 道 底 鼓 变 化 曲 线 移 近 速 度 变 化 曲 线 ⋯ ⋯ ⋯一 ⋯一 o f th e isp l v e lo c it． c o f o ． f u r r o u n ．d i n g 。 r o ll 。 a t t h e a e c o n d s u r v e y in g lin e 1 t he 。 d y’ 眦l l r l e 一 0一l W i N “ 一 口一2 断面 一 0一 顶底板一口 两帮 2 ． 3 金属棚子变形 1 3 8 0 大巷加强金属棚子的变形量观测见表 1 和表 2 ， 变形量大小依次为C， B ， D， F ， E 点。表 1中最大的变形量为 4 1 mm， 拱顶 E点变形量最小为 6 1 T i m。即支架受力后在各点 收缩变形过程中， 拱顶基本未变化， 支架整体向左侧倾斜。 表 2中金 属棚子 的变形相对于 A 点， 支架上 B， C， D三点的位移最大， 工作面停采 时 累计位移量在 8 5 ～ 1 1 6 mr f l ， 而 E， F两点相对 较小， F点的位移量 为 1 2 mm， 是 D 点的 l 4 ， 就是说巷道拱顶右侧肩部的位移量大于左肩部的位移量， 支架整体向左侧倾斜。 2 ． 4 金属棚子插底 惦性恤86 4 0如柏∞∞叩如帅帅 ． ． 圭至 霉} j } } 薄 E暑『 兽封 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 ● I 第 4期 柴敬 等厚渫层反复损 伤的 太巷矿压规律厦 支护研 究 2 8 9 插底量观测平均值 2 5 ． 0mm， 工作面推过测站 3 0m后基本稳定 ， 随工作面推进 Ⅱ测 站 1 ， 2 断面插底量变化 曲线如 图 4所示。插底量主要在工作面推进前后各 l Om， 即 2 0 m 的范围内影响。 表 1 Ⅱ测站 1 金属棚子 变形 ■ Ta b 1 De f or ma t i on o f No．1 s t e e l s uppo r t a t t he s e c ol l d s u r v e y i ng l i n e 期 ㈣ A C㈣ m 叭⋯ c㈥ B F 3 4 6 0 B E 。 ⋯。 期 s ㈨ ㈣ 耻 Ⅲ 帅c㈣ 一 s ㈣ ㈣一 s 7 ． 3 1 9 - 5 7 8 6 0 3 2 1 1 6 5 3 2 O 3 8 2 2 4 8 ． 3 5 1 1 5 1 1 6 8 5 4 2 6 5 4 1 2 4 7 9 1 9 1 2 9 1 4 0 1 1 0 5 6 1 2 6 7 24 4 4 0 3 O 2 0 E 量 ■ 鬟 0 O _ 4 0 - 3 O - 20 1 0 0 1 0 2 D 3 0 推避埘 】 离 图 4 I测站支架柱腿插底量变化曲线 Fi g ． 4 Cu r v e s o f s u p p o t r i n s e r t i o n c h a n g e a t t h e s e c o n d s u r v e y i n g l i n e 一 0 1 断面一 口一2 断面一△一 平均值 2 ． 5 观测结果分析 1 采动对巷道变形的影响。工作面前方较明显影响范围为 8 ～1 7 m、 而后方影响范 围为 3 5 ～4 0m， 最大影响处 在后方 1 0 2 0 r r l 处 ， 可见前方支承压力的影 响范围较小 ， 这 主要是顶板软弱和开采第 2分层顶板破坏垮落所致 。 受第二分层 采动影响 ， 大巷顶底板移 近量为 1 2 0 ～1 6 8 mm， 两帮移近量 6 0 ～7 8 mm， 均 占不到采高的 1 0 ， 据现场调查， 第 1 分层开采时对半 圆拱砌碹巷道影响不大。第一次采动， 包括第 1 分层 开采的采动影响， 都 使岩体和刚性支护为主的砌碹支护结构受到损伤， 强度 明显 降低 ， 随着每一分层开采 ， 造 成的破坏都比前一次严重。 2 底鼓是巷道变形的主要成分 实测 的顶底板移近量 中底鼓约占到 6 5 ～8 0 ， 顶 板下沉量仅为 z o ％～3 5 ， 巷道变形 以底鼓为主， 说明在第 2分层开采 时， 支护阻力基本 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 2 9 0 西安矿业学院学报 上 已与变形压力相适应 ， 造成破坏影响的是底鼓 。 3 支架柱腿均有插底 ， 且插 底量在 2 5 4 0 mm， 插底使支架起到 了让压的作用， 有利 于软岩巷道的支护 。观测期间顶板下沉 3 0 ～6 0 mm， 与插底量基本相同。 4 支架变形特征。 ① 从整体看， 支架 向左侧倾斜 ， 支架右侧变形大于左侧。 反映出开 采工作面位于 1 3 8 0大巷右侧， 右侧采动引起的围岩运动整个趋向是朝左侧发展； ② 砌碹 支护拱顶的变形特征有两种 一是两个肩部变形大于拱顶 ， 形成“ 尖挑状” 变形 ， 二是拱顶 部变形大于两个肩部 ， 形成“ 平顶” 变形。 出现这种情况的原 因是成巷时支护结构物与围岩 接触不均 ； ③ I 测站的 2 金属棚子的变形量为其他 3个观测断面的变形量的 2 ～3 倍 ， 两 腿相对移近量为 1 1 5 mm， 大于该断面两帮移近量 ， 说明这一断面的加强棚子变形破坏严 重。由此导致的砌碹垮塌是巷道破坏的一种主要形式。 另外， 这一断面的支护比其他的3 个断面的支护壁后充填好 ， 金属棚子与砌碹结合好。 可见采动引起的动压直接 由砌体传递 到金属棚子上， 造成 了棚子和砌碹各个击破。 进一步说明 在反复采动影响下 ， 巷道的支护 必须合理地处理“ 让” 和“ 支” 的关系 ， “ 加固” 和“ 支撑” 的关系， 并且从时序上充分注意。 3 有限元模拟计算 采用平 面应变有限元法 ， 运 用增量应变法求解 ， 屈服准则用 D r u c k e r P r a g e r 公式。巷 道掘进后变形对称， 最大主应力 区分别分布于巷道正顶部和巷道两帮的局部 最大拉应力 分布于巷道 正顶 部和正底 部， 即巷道 可能在拱顶 出现破 坏， 但 拉应力仅 为 0 0 5 5 5 5 MP a ， 巷道拱顶不会破 坏。 0 5 2 1 工作面开采后， 巷道变形有 对称趋势 ， 剪应力 比未采动时大了 2 ～ 3 MP a 。巷道周边拉应力向开采侧偏 移， 其值为0 ． 0 4 3 8 MP a 。因此第 1 分 层开采后巷道顶部不会 出现破坏。 0 5 2 1 工作 面开采后巷 道周边拉 应 力 区发展如 图 5所示 的阴影部分 ， 其值为 0 ． 6 MP a ， 比第 1 分层开采时 增大了 1 3 ． 9倍。巷道可能在顶部偏 向 开采侧 出现拉破坏。 图 5 第二 分层开采后巷道周边应力分布 Fi g ． 5 S t r e s s d i s t r i b u t i o n o f s u r r o u n d i n g r o c k a r ou n d s l i c e mi n e d r o a d wa y 这与实测 中开采一侧支架结构件变形大相 一致。 4 大巷支护对策 从巷 道支护分析， 棚子、 砌碹支护为被动支护， 它不能改变围岩变形中的应力状态， 而 锚杆支护是一种加固和强化围岩强度的支护形式， 可以改变围岩变形中的应力状态。 针对 王洼煤矿 1 3 8 0软岩大巷变形 ， 提 出采用锚杆和梯形底泄让压式可缩金属棚子联台支护。 锚杆用树脂药卷， 锚杆长度 2 ． 1 m， 杆体直径 1 6 mm， 锚杆间距 1 ． 2 m， 排距 0 ． 8 m。 下转第 2 9 5 ． 页 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆