深井高应力巷道围岩大变形机理与控制技术研究.pdf

煤炭与化工 Co a l a n d Ch emica l In d ust r y 第43卷第6期 2020年6月 Vo l .43 No .6 Jun . 2020 采矿与井巷工程 深井高应力巷道围岩大变形机理与控制技术研究 张志兵 山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿，山西长治046200 摘要为解决深井高应力巷道围岩变形严重、支护困难的技术难题，本文采用数值模拟、 工业性试验等方法对五阳煤矿7608工作面运输巷围岩变形规律以及支护参数进行了分析与研 究。结果表明，随着采动影响的加剧，巷道围岩非连续变形及非对称变形均也逐步加剧，在 采用新支护方案后，巷道顶底板及两帮变形量最终稳定在240 mm、320 mm,说明采用锚网索 联合支护方案能够有效控制巷道围岩变形破坏。 关键词深井；高应力；数值模拟；支护优化 中图分类号TD353 文献标识码B 文章编号2095-5979 2020 06-0009-04 Study on large deation mechanism and control technology of surrounding rock of high stress roadway in deep shaft Zh a n g Zh ibin g Wuyang Min, Shanxi Lu an Environment al Energy Devel opment Corporat ion Lt d., Changzhi 046200, China Abst r a ct In o r d er t o so l ve t h e t ech n ica l pr o bl ems o f d eep sh a ft h ig hst r ess r o a d wa y d efo r ma t io n a n d ser io us suppo r t d ifficul t ies, t h e n umer ica l simul a t io n a n d in d ust r ia l t est s wer e used t o a n a l yze t h e d efo r ma t io n l a w a n d suppo r t pa r a met er s o f t h e sur r o un d in g r o a d wa y in 7608 wo r k in g fa ce o f Wuya n g Min e. Th e r esul t s sh o wed t h a t wit h t h e in t en sifica t io n o f min in g , t h e d isco n t in uo us d efo r ma t io n a n d a symmet r ic d efo r ma t io n o f t h e sur r o un d in g r o ck o f t h e r o a d wa y wer e a l so g r a d ua l l y in t en sified . Aft er a d o pt in g t h e n ew suppo r t sch eme, t h e d efo r ma t io n o f r o a d wa y r o o t fl o o r a n d t wo sid es fin a l l y st a bil ized a t 240mm a n d 320mm, it sh o wed t h a t t h e co mbin ed suppo r t sch eme o f a n ch o r , n et a n d ca bl e ca n effect ivel y co n t r o l t h e d efo r ma t io n a n d fa il ur e o f r o a d wa y sur r o un d in g r o ck . Key wo r d s d eep sh a ft ; h ig h st r ess; n umer ica l simul a t io n ; suppo r t o pt imiza t io n 0引 言 随着煤矿进入深部开采，出现了与浅部开采不 同的工程力学现象，在深井高应力作用下巷道围岩 多表现为非连续大变形破坏，严重影响了煤矿正常 安全生产。基于此，国内外学者进行了大量的研究 王高昂等旳为探索孤立煤体冲击地压失稳机理, 在建立失稳冲击力学模型的基础上提出了合理布置 巷道层位、间距等预防措施；高玉兵固基于红河煤 矿深部矿井围岩变形特征，提出了定向拉张爆破切 顶卸压技术，数值模拟及现场实践表明该技术能够 有效解决深部巷道围岩大变形问题；张广超等同通 过分析邢东矿变形破坏机制，确定了巷道围岩动态 破坏过程，并提出了 “多层次耦合支护系统”。本 文以五阳煤矿7608运输巷实际地质条件为工程背 景，对深井高应力巷道围岩变形破坏机理及围岩控 制技术进行系统的分析与研究。 1工程地质概况 五阳煤矿7608运输巷全长650 m,其北部为 7606工作面采空区，东部为76-2号区段准备巷 道，南部和西部均为实煤体，与7608工作面运输 责任编辑郭媛媛 DOI 10.19286/ k i.cci.2020.06.003 作者简介张志兵1970-,男，山西长治人，工程师。 引用格式张志兵.深井高应力巷道围岩大变形机理与控制技术研究[J].煤炭与化工，2020 , 43 6 9-12. 9 2020年第6期 煤炭与化工 第43卷 巷之间煤柱15 m, 7608工作面巷道布置如图1所 示。工作面位于600水平76采区，工作面标高为 463 517叫7608运输巷伪顶为炭质泥岩，节理 图1 7608 X作面巷道布置 Fig . 1 7608 wo r k in g fa ce r o a d wa y l a yo ut 2巷道围岩大变形破坏机理研究 根据五阳煤矿7608工作面运输巷实际地质情 况，建立数值计算模型，模拟中煤层厚度为6 m, 老顶为5.5 m厚粉砂岩及中粒石英砂岩，直接顶为 5.46 m厚的泥岩及砂质泥岩，直接底为8.65 m厚 的细粒长石砂岩及砂质泥岩，老底为7.58 m厚的 砂质泥岩及细粒石英砂岩。巷道埋深369 429 此处取400 m,该模型的规格设置为150 m X 120 m x50 m 长x宽x高，模型上部为应力边界 g Sy10 MPa ,四周国定位移边界条件，它由 276 800个单元和295 407个节点组成，数值模型 如图2所示。 泥岩平均5.46 m,老顶为粉砂岩及中粒石英砂岩, 灰白色，平均5.5 m,直接底为细粒长石砂岩及砂 质泥岩平均8.65 m,老底为砂质泥岩及细粒石英砂 由图3可知①随着采动影响的加剧，巷道围 岩非连续变形及非对称变形均也逐步加剧；②在巷 道掘进过程中巷道围岩变形主要发生在掘进面距测 点前方20 m至后方20 m处，此阶段由于巷道开 挖，应力得到释放，其顶板下沉量、底鼓量、煤柱 帮变形量、底鼓量分别由1.48、0.33、0.98、0.97 mm 增加至 42.1、9.23、29.65、19.79 mm,而在掘 进面距测点后方50 60m时，巷道围岩变形量基 本趋于稳定；③在工作面回采过程中，巷道围岩变 形量急剧增加，直至工作面回采至距测点0处时, 顶板下沉量、底鼓量、煤柱帮变形量、回采帮变形 量分别可达 341.2、108.5、216.3、157.2 mm。 图2数值模型 Fig . 2 Numer ica l mo d el 2.1巷道围岩变形特征研究 巷道围岩变形规律如图3所示。 60 50 40 30 20 10 60 50 40 30 20 10 S t e f f i s S t e f f i s 滅量量 下珍形 板量变麴 底尊帮 -50-40-30 -20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 o 掘进工作面距测点的距离/m a 巷道掘进 10 张志兵深井高应力巷道围岩大变形机理与控制技术研究2020年第6期 工作面距测点的距离/m b工作面回采 图3巷道围岩变形规律 Fig . 3 Defo r ma t io n l a w o f sur r o un d in g r o ck o f r o a d wa y 2.2巷道围岩支护方案的确定 方案一采用规格为/22 mm x 2 400 mm的 左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，巷道顶板为7根锚 杆，间距800 mm;两帮各4根锚杆，间距1 000 mm,锚杆规格与顶板相同，锚杆排距均为800 mm;顶板锚索规格为直径22 mm, 1 x 19股高强 度低松弛预应力钢绞线，长度为6.3 m,采用 “3-2-3”布置，即每两排打设5根锚索，第一排 打设3根锚索，第二排打设2根锚索；巷道煤柱帮 增加锚索数量，锚索规格为022 mm, 1X19股高 强度低松弛预应力钢绞线，长度为5.3 m,巷道右 侧帮靠近采空区侧打设采用方式 布置，即第一排打设2根锚索，顶1 000 mm打设 1根，间距1 100 mm,第二排打设1根锚索；顶板 锚索以及煤柱帮锚索预张力均为300 k No 方案二与方案一相比，巷道两帮支护参数不 变，为防止顶板出现较大的变形，重点改变巷道顶 板锚杆索参数，其中顶板仍布置7根锚杆，但改为 采用规格为022 mm x 2 400 mm的左旋无纵筋螺 纹钢高强锚杆，间排距仍为800 mm x 800 mm;锚 索材料不变仍为为022 mm, 1x19股高强度低松 弛预应力钢绞线，长度改为8.3 m,采用“4_3_4” 布置，即每两排打设7根锚索，第一排打设4根锚 索，第二排打设3根锚索；顶板锚索以及煤柱帮锚 索预张力不变，仍为300 k N0 不同支护方案断面如图4所示。不同支护方案 巷道围岩塑性对比分析如图5所示。 锚索22-1 x 19股 a 支护方案_断面b支护方案二断面 图4不同支护方案断面 Fig . 4 Sect io n s o f d iffer en t suppo r t sch emes 图5不同支护方案巷道围岩塑性对比分析 Fig . 5 Pl a st ic co mpa r a t ive a n a l ysis o f sur r o un d in g r o ck o f r o a d wa y wit h d ifier en t suppo r t sch emes 11 2020年第6期 煤炭与化工 第43卷 由图5可知①巷道围岩塑性破坏仍主要以剪 切破坏为主，仅在巷道两帮表面以及底板小范围内 存在部分拉伸破坏；②相较方案一而言，方二塑性 破坏单元有明显下降的趋势，以巷道顶板为例，在 方案一支护条件下其塑性破坏单元为389,方案二 则为205,减小量为184,降低率为47；③由于 受到7606工作面开采的影响，在方案一支护条件 下，其巷道右帮几乎全为塑性破坏区，而在方案二 支护条件下则存在部分非破坏单元。综上可知, 方案二对于控制巷道围岩变形破坏情况具有良好 的效果。 3工业性试验 为检验新支护的安全可靠性，在试验巷道掘进 段布置一系列测站，对巷道变化量进行为期35 d 的观测，如图6所示。 夷 曹炎 E 黑 O O O O O O O O O O O O O O O O 5 0 5 0 5 0 5 5 0 5 0 5 0 5 3 3 2 2 1 1 3 3 2 2 1 1 亠两帮收敛量 T-顶底板移近量/ 5 10 15 20 25 30 35 观测时间/d 0 5 10 15 20 25 30 35 观测时间/d a 测站1b测站2 图6不同测站围岩位移监测 Fig . 6 Displ a cemen t mo n it o r in g o f sur r o un d in g r o ck a t d iffer en t st a t io n s 由图6可知，两测站巷道围岩变形趋势大致相 同，均在巷道掘进初期，巷道围岩变形速率较大, 顶底板移近速率量以及两帮收敛速率最大分别可达 16.5 mm/d、18 mm/d ;而在观测第25 d左右，巷道 围岩变形量逐渐趋于稳定，测站1、测站2两帮变 形量分别稳定在310 mm以及330 mm左右；顶底 板移近量分别稳定在250 mm、230 mmo综上可 知，在采用优化后的支护方案后，巷道围岩变形量 得到了有效控制，并取得了良好的经济效益。 4结语 通过数值分析动压回采巷道围岩变形规律得 出，随着采动影响的加剧，巷道围岩非连续变形 及非对称变形均也逐步加剧，并对巷道支护参数 进行了优化，现场工业性试验表明，方案二能够 在保证经济效益的同时提升巷道支护结构的抗动 压能力。 参考文献 [1 ] 杨永刚.深部“一巷多用”巷道围岩重构及大变形控制关键 技术[J/OL].煤炭科学技术1-7. [2] 焦建康，鞠文君，吴拥政，何杰.动载冲击地压巷道围岩 稳定性多层次控制技术[J].煤卿学技术，2019 , 47 12 10-17. [3 ] 范永平.厚煤层大断面胶带运输大巷强顶弱帮围岩控制技 术[J].煤，2019 , 28 12 32 - 33. [4] 王高昂，朱斯陶，姜福兴，王保齐，周涛，左二宁，孔 震.千米深井大巷孤立煤体整体失稳冲击机理及防治研究[J]. 采矿与安全工程学报，2019, 365 968-976. [5] 高玉兵，杨军，张星宇，薛浩杰，何满潮.深井高应力巷 道定向拉张爆破切顶卸压围岩控制技术研究[J ].岩石力学 与工程学报，2019, 38 10 2 045 - 2 056. [6] 张广超，何富连.深井高应力软岩巷道围岩变形破坏机制及 控制[J].采矿与安全工程学报，2015, 324 571 - 577. 12