急倾斜临界煤层回采巷道支护优化设计模拟研究.pdf

急倾斜临界煤层回采巷道支护优化设计模拟研究 邵小平 西安科技大学能源学院 教育部西部矿山开采及灾害治理重点实验室,陕西 西安710054 [摘 要] 针对新疆乌鲁木齐矿区铁厂沟煤矿707m水平工作面回采巷道支护中存在的问题, 采用数值模拟的手段,分析了原支护设计存在的弊端,并对原支护设计进行了优化设计研究。模拟表 明经优化设计后回采巷道的塑性区范围明显减小,巷道的稳定性得到显著改善。该优化设计为铁厂 沟煤矿下一分段工作面及类似条件煤层开采的巷道支护设计提供了有益的借鉴。 [关键词] 急倾斜;回采巷道;塑性区;数值模拟;优化设计 [中图分类号] TD353 [文献标识码] A [文章编号] 100626225 2010 0320053204 Research on Optim ization Design for SupportingM in ing Roadway in Steeply Inclined Coal Seam SHAO Xiao2ping KeyLaboratory forWestMining and Disaster Prevention of Education Ministry, Xi’ an University of Science mining roadway; plastic zone; numerical simulation; optimization design [收稿日期] 2010 - 02 - 02 [基金项目]西安科技大学培育基金项目 No 1200801 ;西安科技大学博士启动金项目 No 1200801 [作者简介]邵小平1972 - ,男,甘肃兰州人,博士,讲师,主要从事采矿工艺、岩层控制方面研究及教学工作。 铁厂沟煤矿开采境界东西走向长约6km,南北 宽约1105km。煤层平均倾角45,属急倾斜下临界 角煤层开采。矿井原设计开采方式为露天开采,后 在原露天首采区对矿井实行技术改造,实现井工开 采,采用水平分段放顶煤开采 [1 - 5 ]。 矿井试生产前利用露天边坡布置721m水平45 号煤层平硐工作面,回采巷道采用梯形棚刚性支护 用11号矿用工字钢支架 , 棚间距1m。试生产 期间,刚性支架的弊病显现出来,准备工作量大, 回采时,支架回收安全条件差,劳动强度大,工序 复杂,占用生产时间较长,支架维修量巨大 [6 ]。 因此,在矿井707m水平首采面布置时,试验采用 锚网支护。与梯形棚刚性支护相比,其优点明显。 巷道断面积减小20 ,断面利用率提高,劳动强 度降低,掘进速度提高30以上,但局部地段仍 发生巷道高冒现象 [7 - 8 ] ,有必要对原有的支护设计 进行优化。 1 矿井概况 井田地层为陆相沉积地层,主要为侏罗系及第 四系地层,其中侏罗系分布最广,第四系次之。矿 井主采45号煤层,为稳定的巨厚煤层,煤层厚度 由西向东逐渐增厚,规律明显,结构由简单到复 杂,回采区域煤层厚度3312m,水平厚度54m,煤 层走向NW247,煤层倾角45,倾向NE157 。煤 层属单斜构造,煤层中有7～13层小于013m的夹 矸。回采范围内无大的褶曲和断层。 煤层顶底板岩性以粉砂岩为主,细砂岩浅部增 多,深部减少如泥岩、炭质泥岩 , 粗粒岩石深 部增多,浅部减少。伪顶为015～115m的炭质泥 岩,呈灰黑色、薄层状,夹有泥岩及煤线,易破 碎;直接顶为3～5m的粉砂岩,呈灰色,深灰色, 含薄层细砂岩,层理节理发育,泥钙质胶结;直接 底为5～10m的炭质泥岩及泥质粉砂岩,呈灰黑薄 层状,含46号煤,泥质胶结。 矿井707m水平首采面回采巷道采用锚网支 护,锚杆设计长度1600mm,采用端头锚固方式, 锚固长度大于300mm。首采面顶板巷道断面设计 如图1所示。 2 数值模型建立 根据45号煤层的赋存条件,借鉴现场巷道断 35 第15卷 第3期总第94期 2010年6月 煤 矿 开 采 Coalmining Technology Vo1115No13 SeriesNo1 94 June 2010 图1 顶板巷道支护设计 面形状与尺寸,利用FLAC2D程序建立数值模型如 图2所示。取模型尺寸为长 高110m42m,相 当于平面应变模型。模型共划分8820个单元, 18078个节点。模型左右边界固定约束,下部边界 垂直约束,上部边界为自由面。模型回采巷道顶部 为拱形,回采巷道开挖后如图3所示。 图2 模型网格剖分 图3 开挖巷道后的数值模型 3 计算结果与分析 311 无支护设计 原支护设计如不采取支护,即裸巷情况下顶板 与底板巷道周边的塑性区与最大主应力分布如图4 所示。模拟表明无支护条件下巷道开挖后煤层顶底 板侧回采巷道顶部塑性区在巷道顶部1161m范围 内,两帮塑性区范围在距帮壁1148m范围内。因 此,原支护设计中巷道顶部采用116m锚杆明显长 度不够,两帮选用116m锚杆在工作面来压时也存 在安全隐患。最大主应力在巷道顶部及底板两侧直 角处较集中,特别是向煤层底板侧角部的应力集中 现象较向煤层顶板侧角部明显。 312 优化设计之一 锚杆间排距与原支护设计一致,参照无支护情 a底板巷道塑性区 b顶板巷道塑性区 c底板侧最大主应力 d顶板侧最大主应力 图4 无支护巷道数值计算结果 况下巷道周边塑性区分布情况,将锚杆长度加长至 212m。工作面顶板与底板巷道周边塑性区与最大 主应力分布如图5。 45 第15卷 第3期总第94期 2010年6月 煤 矿 开 采 Coalmining Technology Vo1115No13 SeriesNo1 94 June 2010 a底板巷道塑性区 b顶板巷道塑性区 c底板侧最大主应力 d顶板侧最大主应力 图5 优化方案一巷道数值计算结果 模拟结果表明优化设计后,巷道顶部沿中心轴 方向塑性区范围减小至1115m左右,效果较明显, 但顶底板巷道朝煤层底板侧巷道顶部的优化效果可 进一步改进,以避免巷道顶部应力分布不均匀。两 帮塑性区范围减小至1112m左右,优化设计达到 了预期效果。 从最大主应力分布情况看,顶底板巷道顶部的 最大主应力显现明显的区域范围缩小,而且该区域 向巷道顶部边壁处下移,使巷道顶板靠中心轴区域 可取得较好的优化支护效果。 213 优化设计之二 新疆乌鲁木齐矿区铁厂沟煤矿原巷道支护方案 中,打入巷道顶部的锚杆角度变化较大,增加了支 护工艺的复杂程度。而且数值模拟研究过程表明, 按照优化设计之一的锚杆支护设计,巷道顶部的塑 性区分布不均匀。顶底板巷道朝煤层底板侧巷道顶 部的塑性区域较其他部分要大,本文提出另一种优 化设计方案。 锚杆长度保持不变,均采用212m长锚杆。巷 道两帮锚杆布置方式不变,巷道顶部锚杆设计中为 简化加锚工艺,以巷道中心线为界,顶部两侧锚杆 对称布置,且中部两锚杆垂直布置,锚杆长度为 212m,如图6所示。 图6 优化设计二方案支护设计 工作面顶板与底板巷道周边的塑性区与最大主 应力分布如图7所示。 模拟结果表明,顶底板巷道顶部塑性区范围在 1115m左右,两帮塑性区范围在1112m左右,这 与优化方案一是一致的。巷道顶部塑性区范围分布 均匀,有利于巷道的稳定性,与优化方案一相比有 明显改善。 顶底板巷道最大主应力分布与方案一相比基本 一致,同时鉴于两个方案中巷道底板角部应力集中 现象较明显,可在进一步优化中在巷道底板角部处 打入底锚。 55 邵小平急倾斜临界煤层回采巷道支护优化设计模拟研究2010年第3期 a底板巷道塑性区 b顶板巷道塑性区 c底板侧最大主应力 d顶板侧最大主应力 图7 优化方案二巷道数值计算结果 4 结论 1无支护条件下回采巷道顶部的塑性区范 围在1161m范围内,原支护设计方案中采用116m 的锚杆长度不足以维护顶底板巷道顶部的稳定性, 将锚杆长度加长至212m经优化设计方案一和方案 二验证是可行的,且方案二可以保证巷道顶板塑性 区分布的均匀性,有利于巷道顶部的稳定性。 2无支护条件下回采巷道两帮的塑性区范 围在1148m范围内,优化设计方案一和二采用 212m锚杆后塑性区范围在1112m范围内,可将两 帮的锚杆长度进一步优化减小至210m。 3优化设计后方案一和方案二均存在巷道 朝煤层顶板侧一帮较朝煤层底板侧一帮应力集中明 显的现象,且两方案中底板角部应力较集中,后期 优化中可进一步考虑加强靠煤层顶板侧一帮的支 护,并在底板角部打入底锚进行加强支护。 4现场支护可采用优化设计方案一和方案 二进行支护设计,并最终经现场工业性试验后确定 适合现场围岩条件的最优化设计方案。 [参考文献] [1 ]李栖凤 1急倾斜煤层开采[M ]1 北京煤炭工业出版社, 19841 [2 ]吴 健 1 我国综放开采技术15年回顾[ J ]1 中国煤炭, 1999, 25 1 9 - 161 [3 ]王颍泓,李 前 1急倾斜特厚煤层水平分层综采放顶煤开采 [J ]1煤炭科学技术, 1995, 23 6 26 - 281 [4 ]石平五,高召宁 1急斜特厚煤层开采围岩与覆盖层破坏规律 [J ]1煤炭学报, 2003, 28 1 13 - 161 [5 ]于海湧 1放顶煤开采基础理论[M ]1 北京煤炭工业出版 社, 19951 [6 ]陈建强 1铁厂沟矿急倾斜下临界角煤层综放开采高产高效关 键技术研究[D ]1陕西西安科技大学, 20061 [7 ]王卫军,侯朝炯 1急倾斜煤层放顶煤顶煤破碎与放煤巷道变 形机理分析[J ]1岩土工程学报, 2001, 23 5 623 - 6261 [8 ]邵小平,石平五 1急斜放顶煤开采围岩破坏规律立体模拟研 究[J ]1采矿与安全工程学报, 2006, 23 1 107 - 1101 [9 ]陈炎光,陆士良 1中国煤矿巷道围岩控制[M ]1徐州中国 矿业大学出版社, 19961 [10]陈炎光,钱鸣高 1中国煤矿采场围岩控制[M ]1徐州中 国矿业大学出版社, 19941[责任编辑周景林] 欢迎订阅 欢迎赐稿 欢迎惠登广告 65 总第94期煤 矿 开 采2010年第3期