西沟煤业3513运输顺槽在采动影响下围岩控制技术研究.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 1工程概况 山西阳城阳泰集团西沟煤业 3513 工作面位于阳 邑村东部， 地表为低山丘陵区， 地面标高在＋713＋ 760m 之间， 地表无水体， 同时地质构造简单， 无大的 断层、 褶曲、 陷落柱， 3513 工作面内煤层厚度在 3m 左 右， 煤层倾角为 36o， 赋存较稳定， 为近水平煤层， 煤 层结构简单～较简单， 煤体颜色呈现黑色 灰黑色， 煤质属于光亮型煤， 总体上呈现出条带状结构， 层状 构造， 内生裂隙较少， 为特低灰～低灰、 特低硫、 高热 值之无烟煤。 矿井水文地质类型为中等类型， 伪顶 其 伪顶为炭质泥岩， 厚约 0～0.2m。直接顶板岩性呈现 表 1煤层顶底板情况表 为黑色泥岩或粉砂岩， 分选良好， 含有泥岩包裹体， 老 顶 中细粒砂岩， 层位不稳定， 一般情况下， 维持很 大的悬露面积， 不随直接顶一起垮落， 只能发生缓慢 下沉，当悬露较大面积后才能自行垮落，厚 3.53～ 17.7m。底板 粉砂质泥岩， 较稳定， 厚约 1.83m。其顶 底板基本特征见表 1， 3513 运输顺槽位于 3500 采区 西沟煤业 3513 运输顺槽在采动影响下围岩控制技术研究 张 燕 沙 （山西阳城阳泰集团西沟煤业有限公司 ，山西 阳城 048100） 摘要 山西阳城阳泰集团西沟煤业 3513 工作面运输顺槽在工作面回采阶段发生围岩变形量较大 的情况， 影响了煤矿的安全生产以及行人设备的输送运行， 为了了解巷道围岩变形量较大的原因， 矿 方根据现场实测得出围岩变形段较大的原因是在超前动压影响下原先支护方案不能够对围岩深部提 供足够的支护强度， 矿方根据现场经验以及巷道实际情况确定了锚杆 锚索 金属网的补强优化方 案， 随后矿方通过 FLAC3D 对巷道进行了数值模拟， 模拟结果表明优化后支护效果显著， 现场实测后 也发现顶底板最大变形量为 178mm， 两帮最大变形量为 149mm， 与补强前相比分别降低了约 55.1 以及 50.8， 降幅明显， 围岩变形得到了控制， 从而确保了煤矿的安全生产以及设备、 人员的运输。 关键词 围岩控制 ； 数值模拟 ； 采动影响 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2020） 03-0024-04 Study on Surrounding Rock Control Technology under the Influence of Mining in 3513 Transportation Slot of Xigou Coal Industry ZHANG Yansha （Xigou coal industry co., LTD., Yangtai group , Yangcheng 048100 ， China） Abstract Shanxi Yangcheng Yangtai Group Xigou Coal Industry 3513 working face transport channel in the working face mining stage, the deation of the surrounding rock is large, affecting the safe production of coal mines and the transportation of pedestrian equipment, in or- der to understand the deation of the surrounding rock of the roadway The reason for the large amount is that the mine side has obtained a large deation section of the surrounding rock according to the actual field measurement. The original support scheme cannot provide suffi- cient support strength to the deep surrounding rock under the influence of the forward dynamic pressure. The mine side based on the field ex- perience. As well as the actual situation of the roadway, the reinforcement optimization scheme of the anchor anchor cable metal mesh was determined. Then the mine side carried out numerical simulation of the roadway through FLAC3D. The simulation results showed that the support effect after optimization was significant, and the top floor was found to be the largest after field measurement. The deation is 178mm, the maximum deation of the two gangs is 149mm, which is about 55.1 and 50.8 lower than that before the reinforcement. The reduction is obvious, and the deation of the surrounding rock is controlled, thus ensuring the safe production of coal mines, equipment and personnel. Transportation. Key words Surrounding rock control, numerical simulation, mining impact 顶底板名称岩石名称厚度岩性特征 伪顶炭泥岩0.1-0.2m黑色薄层， 水平层理发育 直接顶中粒砂岩1.5-16.07m灰白色， 层理明显裂隙不太发育 老顶粉砂岩3.53-17.7m灰白色， 质较坚硬 底板砂质泥岩1.1m深灰色， 含有植物根炭质碎屑 24 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 运输大巷 536m 处北侧位置，掘进期间沿顶板施工， 在工作面回采阶段顺槽巷道围岩变形严重， 出现了顶 板下沉、 两帮突出等问题。 2运输顺槽原先支护方式及破坏特征 2.13513 运输顺槽巷原支护方式 矿方通过锚杆以及锚索的联合方式对回采巷道 进行支护， 顶板采用 Φ202000mm 的螺纹钢锚杆， 间排距 1200900mm， 另外附加上 Φ166000mm 的矿用锚索， 间排距 20001800mm， 长 6m， 帮部采 用 Φ201800mm 的螺纹钢锚杆， 间排距 1200 900mm， 并且与水平线之间的夹角为 10， 其余与巷 道垂直布置。 2.2运输顺槽变形情况监测[1] 为了对巷道的变形情况进行详细了解， 矿方在工 作面前方巷道进行了现场监测， 实验段巷道为从开切 眼向前至 100m 处， 每隔 25m 布置共布置 5 个测站， 观测仪器采用围岩位移监测仪进行测量， 本次观测采 用十字布点法观测巷道变形情况， 观测完成后通过对 数据进行分析后得出图 1 围岩变形曲线图。 图 1围岩监测曲线图 观察图 1 可以发现整个观测持续 2 个月， 巷道的 变形量一直处于增长过程， 在观测结束时顶底板和两 帮变形量趋于稳定状态， 顶底板监测最终所测数值为 397mm， 而两帮监测最终所测数值为 303mm， 巷道变 形较为严重， 影响到了煤矿的安全生产。 2.3机理分析 为了验证巷道的变形原因， 矿方在试验段巷道内 采用离层监测仪分别对巷道顶板以及两帮进行监测， 布置 6 台仪器分为 2 组， 每组各 3 台仪器， 其中 1 测 站位于工作面前方 30m，二测站位于工作面前方 60m， 浅部基点在 2m 左右， 深部基点在 7m 左右， 并 用来实时监测不同位置的离层量， 在对实验段巷道进 行了离层观测后， 通过整理数据得出了图 3。 整个观测持续 50 天， 观察图 2 （a） 1 测站离层曲 线可以看出深基点离层量稳定在 8590mm 之间， 浅 部基点离层量定格在 55mm， 从图 2b可以看出二测 站深部与浅部基点最终离层量分别为 61mm 以及 48mm， 均小于同时期一测站离层量， 数据表明在超前 动压影响下距离工作面越近围岩内部离层变形越大， 而且主要发生在 2m7m 的范围内，进一步说明了锚 杆与锚索支护只是在围岩浅部形成承载层， 而围岩深 部却无法得到足够的承载力， 离层量相对较大， 因此 需要补强支护。 （a） 1 测站离层观测曲线（b） 2 测站离层观测曲线 图 2离层观测曲线 2.4巷道返修方案工程布置 3513 运输顺槽断面形状呈现为矩形，矿方根据 过往经验[3-4]以及现场资料决定采用锚杆 锚索 金 属网来对巷道进行补强支护， 其中顶板支护方式在原 先的基础上加设金属网， 另外在原先所选顶锚杆的基 础上对支护参数进行了优化， 其中直径与长度依然为 202000mm， 材质依然为螺纹钢， 但是改变原先间排 距为 800900mm， 通过减小锚杆间的距离来增加支 护强度， 并增设树脂锚固， 而顶锚索是在原先基础上 对锚索直径进行了提升，由原先的 16mm 增加为 18mm， 长度由原先长度 6m 加长为 8m， 锚索之间也 通过加密提高锚固强度，间距由 2000mm 改为 1600mm， 排距没有变化， 仍为 1800mm， 由原先顶板 两锚索增设为三锚索布置， 树脂锚固， 及时支设， 严禁 滞后， 最后在顶板搭设长 4500mm， 宽 1000mm 的菱 形金属网。 图 33513 运输顺槽补强支护设计图 巷帮的支护方式为两帮各布置 4 根锚杆， 左帮锚 杆所用材料为玻璃钢， 强度高可以对左帮起到足够的 支撑作用， 右帮锚杆选用成本较低一些的螺纹钢锚杆 25 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 即可，两帮所选锚杆规格直径与长度没有发生变化， 直径和长度仍为 201800mm，将原先间距 1200mm 改为 800mm， 排距没有发生变化仍为 900mm， 树脂锚 固，靠近顶底板位置的锚杆与水平线之间的夹角为 10， 其余与巷道垂直布置， 最后在左右两帮使用矩 形金属网长2700mm、宽 1000mm，搭接长度为 100mm，详细支护方案可见 3513 运输顺槽补强支护 设计图。 3优化方案检验 3.1数值模拟 矿方为了进一步确定补强优化后巷道的稳定性， 矿方应用 FLAC3D 软件[2]对 3513 工作面运输顺槽进 行了建模，并对原支护以及补强后的方案进行了模 拟， 分别得到了补强前后的围岩位移云图。 （a）原支护水平方向位移（b）补强后垂直方向位移 图 4水平方向围岩位移云图 （a）原支护水平方向位移（b）补强后垂直方向位移 图 5垂直方向巷道围岩位移云图 在原先的支护方式下， 顶底板变形量与左右两帮 的变形在图形上都表现出不对称的特点， 从图上红色 区域可以看出巷道左帮围岩帮部变形量突出明显， 在 补强后左帮红色区域的缩减也正说明了帮部移进量 的 缩 减 ， 从 数 据 上 变 现 为 从 297.8mm 降 为 了 104.9mm， 优化幅度为 64.5， 另外可以看出在采用补 强后的方案后， 垂直方向上顶板灰色区域可以明显看 出其范围的缩减，数据表现为从原先的 392.1mm 降 为 119.3mm， 优化幅度为 69.6， 而底板的变形量从 346.7mm 降为了 121.7mm， 优化幅度为 64.8， 综上 分析可以看出其中在采用补强后的支护方案后， 底板 变形量为 119.3mm， 底板变形量为 121.7mm， 帮部变 形量为 104.9mm， 优化幅度都在 60以上， 表明围岩 控制效果良好。 3.2工业性实验 为了对补强后的运输顺槽巷道的变形情况进行 可靠性分析，矿方在运输顺槽的从开切眼向前 100m 内巷道进行了实地的观测， 每隔 20m 布置一个测站， 共 5 个测站每隔通过整理数据得到图 6。 图 6围岩变形曲线以及变形速率图 通过对图 6 的曲线图进行分析后可以发现巷道 在观测前期增速较快，顶板增长速率最大达到了 15mm/d， 而两帮最大增长速率为 12.5mm/d， 而随着时 间对推移可以发现在后续阶段巷道变形逐渐趋于稳 定状态， 增长速率逐渐趋于 0mm/d， 从变形曲线图可 以看出顶底板最大变形量为 178mm，而两帮最大变 形量为 149mm，可以发现分别降低了约 55.1以及 50.8， 补强后优化效果显著， 围岩变形量得到了控 制， 从而可以确保煤矿的安全生产。 4结论 山西阳城阳泰集团西沟煤业 3513 工作面运输顺 槽在回采阶段发生围岩变形量较大的情况，影响了 3513 工作面的安全回采， 为了了解围岩变形的机理， 矿方通过对巷道围岩进行现场实测后得出围岩变形 段较大的原因是在超前动压影响下原先支护方案不 能够对围岩深部提供足够的支护强度， 因此矿方根据 现场经验以及巷道实际情况确定了锚杆 锚索 金 属网的补强优化方案，基于 FLAC3D 矿方对 3513 工 作面运输顺槽进行了建模， 得出优化后围岩控制效果 明显，后又通过现场实测得出了顶底板变形量为 178mm， 而两帮变形量为 149mm， 相比优化前分别降 低了约 55.1以及 50.8， 围岩控制效果良好， 工作 面得以安全回采。 参考文献 [1] 尹增德. 采动覆岩破坏特征及其应用研究[D].山东科技大 学,2007. [2] 汪北方. 大安山煤矿深部巷道动载条件让压支护技术研 究[D].辽宁工程技术大学,2013.（下转第 29 页） 26 （上接第 26 页） [3] 朱天义. 深井软弱围岩巷道联合修复补强加固技术研究 [D].安徽理工大学,2016. [4] 杨玉蕊,张义平,左宇军,宋希贤.基于 RFPA 的首采面运输 顺槽支护方案优化模拟研究[J].科学技术与工程,2013,13 288415-8418. 作者简介 张燕沙 （1989-） ， 男， 山西省阳城县人， 2015 年 1 月毕业 于山西中北大学安全工程专业， 助理工程师， 现任技术科技 术员。 （收稿日期 2019-8-16） 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 图 2 为垂直剖面法图解得保护煤柱示意图。 运用 垂直剖面法计算保护煤柱范围时应首先画出山底铺 村的平面图， 使山底铺村的长轴与煤层走向的夹角为 31，在此基础上画出山底铺村的轮廓 a、 b、 c、 d， 接 下来过村庄轮廓点 a、 b、 c、 d 作平行于煤层倾向和走 向的外切矩形 abcd，并且在外切矩形 abcd 的外 边缘加 15m 宽的维护带， 最终得到矩形 ABCD， 矩形 ABCD 的面积即为山底铺村最终确定的受保护面积。 图 2垂直剖面法图解得保护煤柱示意图 2） 村庄保护煤柱边界的确定。 沿受保护面积的中心作垂直于煤层走向的断面 Ⅰ-Ⅰ，然后在断面图Ⅰ-Ⅰ上的受保护面积的边界 点 m1 和 n1 起按照表土层移动角 渍45作斜线至 基岩表面， 得到交点 m2 和 n2， 即为保护煤柱的上边 界；接着在基岩中按照下山方向基岩移动角 酌72 和上山方向基岩移动角 茁72作斜线，得到与煤层 的交点 m 和 k， 即为保护煤柱的下边界。 在平行于煤层走向的断面Ⅱ-Ⅱ中， 按照表土层 移动角 渍45作斜线至基岩表面，接着在基岩中按 照基岩移动角 啄72作斜线，得到沿走向方向断面 的保护煤柱边界 ABCD， 将Ⅰ-Ⅰ断面图及Ⅱ-Ⅱ断 面图中的保护煤柱边界转绘在平面图上， 即可计算得 出山底铺村保护煤柱占 15 号煤层井田内面积为梯形 EFGH 的面积， 约 136900m2。 3） 压煤量的计算。 根据压煤量 Q 的计算公式 Q A cos琢 m 籽， 其中 A 为压煤面积，取 136800m2； 籽 为煤的容重， 取 1.45t/m3。经过计算得到由垂直剖面法所得的山底铺 村保护煤柱的压煤量 Q 为 1563000t。 综上 通过对比分析计算得出垂线法留设山底铺 村 保 护 煤 柱 面 积 为 117900m2， 最 终 压 煤 量 为 1129000t， 而垂直剖面法留设山底铺村保护煤柱面积 为 136800m2， 最终压煤量为 1563000t。即垂线法留设 的村庄保护煤柱压煤量比垂直剖面法留设的村庄保 护煤柱的面积减少了 18900m2，压煤 量减少 了 434000t。 因此从经济方面考虑， 在保证村庄安全的前 提下， 应选取垂线法留设山底铺村的保护煤柱。 4结论 麦捷煤业有限公司目前进行山底铺村保护煤柱 的设计。为了更好的利用煤炭资源， 需要在保护煤柱 面积能够充分有效的保护建筑物的同时又能尽可能 的减少村庄建筑物保护煤柱的压煤量。 本文通过垂线 法和垂直剖面法分别计算山底铺村保护煤柱的留设 面积及压煤量， 最终得出垂线法更适合山底铺村保护 煤柱的设计，最终设计山底铺村保护煤柱面积为 117900m2， 压煤量为 11.29 万 t。 参考文献 [1] 支光辉,郑彬.我国保护煤柱留设的方法及发展趋势[J].煤 炭工程,2009 （06） 9-11. 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