深部矿井复合顶板应力分析及支护对策.pdf
642020 年第 5 期 深部矿井复合顶板应力分析及支护对策 牛学斌 (山西晋煤集团沁秀公司岳城煤矿,山西 晋城 048006) 摘 要 为有效解决岳城煤矿 1308 工作面复合顶板支护失效、应力测试困难问题,对复合顶板围岩结构进行了受力分析 和数值模拟分析,并针对性提出支护方案。对主动支护区域外复合岩层调小锚杆锚索排距至 1000mm,对主动支护区域内 采用顶板全锚索支护,有效保证了煤帮变形的控制需要。 关键词 复合 顶板 分析 支护 中图分类号 TD353 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.05.024 Stress Analysis and Support Countermeasures of Deep Mine Composite Roof Niu Xue-bin (Yuecheng Coal Mine, Qinxiu Company, Shanxi Jincheng Coal Group, Shanxi Jincheng 048006) AbstractIn order to effectively solve the problem of composite roof supporting failure and stress test difficulty in 1308 working face of Yuecheng Coal Mine, the stress analysis and numerical simulation analysis of the surrounding rock structure of composite roof are carried out, and the supporting scheme is put forward. For the composite strata outside the active support area, the distance between the anchor cable and the anchor cable is reduced to 1000mm, and for the active support area, the roof full anchor cable is used to support, which effectively guarantees the control of the deation of the coal wall. Key words composite roof analysis support 收稿日期 2019-12-03 作者简介 牛学斌(1985-),山西晋城人,2014 年 7 月毕业 于武汉理工大学采矿工程专业,采煤助理工程师。 随着煤矿开采自动化、智能化的不断普及,开 采深度也在不断增加。深部煤岩体软化严重,围岩 应力呈现非线性集中,顶底板无法形成有效承载体, 最终出现多层次离层、局部冒落发育成煤层裂隙场, 导致顶底板严重变形破坏。岳城煤矿 1308 工作面 盖山厚度 487649m,煤层为裂隙水和围岩应力综 合作用下的复合顶板结构。由于缺乏快速、方便的 测试仪器和配套机具,煤岩体地质力学测试过程繁 琐耗时,导致该矿未进行过全面、系统的煤岩体地 质力学测试工作,巷道布置与支护设计随意性大、 可靠性差,现场顶板离层严重,巷道交叉处锚索破 断,对矿井安全生产造成很大制约。 1 概况 岳城煤矿东一盘区 3煤层平均厚度 2.6m, 倾角为 2 ~ 6,平均为 4。1308 工作面东部 为新华村回风井,西部为南七盘区,北部为南大 巷,南部为矿井保护煤柱。该工作面底板标高为 10101079m,盖山厚度为 487649m。工作面位置 如图 1 所示。 图 1 工作面巷道布置图 工作面第一切眼与第一停采线之间区段倾斜长 度 175m,走向长度 400m;第一停采线与第二切眼 之间区段倾斜长度 89.5m,走向长度 448m;第二切 眼与第二停采线之间区段倾斜长度 175m,走向长 度 1280.6m。1308 工作面煤层的上覆岩层,从直接 顶到基本顶为软弱 - 坚硬型,再往上为软弱 - 坚硬 型的相间复合结构。这种硬度交替变化的复合顶板 结构极易在裂隙水和围岩应力的综合作用下发生软 化,导致围岩的塑性降低并整体失稳。从现场来看, 工作面掘进期间巷道顶板普遍存在节理裂隙、软弱 夹层,直接顶岩层多薄层分布,存在网包现象,在 652020 年第 5 期 横川和切眼等巷道交叉、应力集中区域部分锚杆失 效破断。因此非常有必要开展地质条件下应力场数 值模拟、锚索受力状态分析等相关研究,并提出合 理的巷道支护对策,保证工作面回采安全。 2 巷道受力状态分析 (1)顺槽巷道变形以两帮移近变形为主,巷 道两帮整体移近对顶板围岩产生“剪切”作用。巷 道煤体强度低,两帮锚索锚固力较低,且初始张拉 损失较大,造成巷帮锚索初始预紧力施加较小,一 般在 120kN 左右,巷帮煤体整体支护强度偏低。巷 道两帮整体移近的同时,势必会给巷道顶板岩层产 生“剪切力”,造成顶板岩层之间相互错动。顶板 岩层相互错动出现压力释放区,使顶帮围岩整体完 整性遭到破坏。顶板整体完整性在内部受到破坏, 顶板的支护强度不足以维持巷道顶板的完整性,最 终出现巷道顶板逐步破坏。 (2)顶板复合岩层分层明显,且相互错动, 这是造成锚索破断的主要原因。顶板岩层受巷道两 帮整体移近影响相互错动形成水平剪应力,水平剪 应力在巷道顶板形成集中,对顶板维护产生严重不 利影响。在水平剪应力的作用下,顶板岩层产生水 平错动的趋势,而弱胶结的层状岩体在较大水平应 力作用下会发生层间错动,形成横向裂隙和层间离 层,加剧了岩体的分层和破碎,加之剧烈的采动影 响,岩体破碎程度会更加加剧。如图 2 所示。 (a) 层状岩体受水平应力作用 (b) 层状岩体在水平应力作用下发生错动 图 2 复合层状岩体相互错动锚索破坏示意图 (3)锚索破断造成顶板在弱支护情况下围岩 短时间出现大变形,导致顶板变形下沉量增大。顶 板锚索破断主要是以剪切破断为主,当前矿压监测 方案不能及时监测锚索破断,无法对破断锚索处及 时进行补打,巷道支护强度低,造成巷道顶板在支 护强度不足处变形破坏严重。在地质生产条件变化 尤其当顶板存在节理裂隙的复合岩层时,需及时调 整锚杆锚索排距至 10001100mm,以保证预应力连 续有效扩散。巷道条件复杂时采用顶板全锚索支护 以加强有效控制深度。 3 含节理顶板数值模拟分析 根据 1308 工作面地质力学参数,模拟中等围 岩结构条件下的埋深煤层开采,设置水平层理条件 下顶板不同裂隙面宽度(裂隙宽度 10mm、50mm、 100mm 及锚杆锚固范围外四种情况),预应力 300Nm 条件下,从巷道表面位移大小、围岩受力 状态以及巷道围岩应力场分布特征来分析复合顶板 对锚杆锚索支护的影响。其垂直应力、水平应力模 拟结果如图 3、图 4 所示。 a. 锚杆锚固范围存在 10mm 裂隙 b. 锚杆锚固范围存在 50mm 裂缝 c. 锚杆锚固范围存在 100mm 裂缝 d. 锚杆锚固范围外 - 锚索锚固 范围内存在 100mm 裂缝 图 3 支护范围内不同裂隙宽度下巷道围岩垂直应力分布 a. 锚杆锚固范围存在 10mm 裂缝 b. 锚杆锚固范围存在 50mm 裂缝 c. 锚杆锚固范围存在 100mm 裂缝 d. 锚杆锚固范围外 - 锚索范围内 存在 100mm 裂缝 图 4 支护范围内不同裂隙宽度下巷道围岩水平应力分布 顶板不同裂隙尺度下巷道变形量如表 1 所示。 从应力场分布及变形数据来看,由于裂隙的作 用,在巷道顶板和裂隙表面形成了较大范围的拉应 662020 年第 5 期 力区。锚杆锚固范围内存在裂隙或裂缝条件下,裂 隙宽度为 10mm 时,最大垂直应力为 12.38MPa, 最大水平应力为 16.08MPa;裂缝宽度为 50mm 时,最大垂直应力为 12.57MPa,最大水平应力为 16.22MPa;裂缝宽度为 100mm 时,最大垂直应力 为 12.79MPa,最大水平应力为 16.31MPa。锚杆锚 固范围外,锚索锚固范围内存在裂缝条件下,裂缝 宽度为 100mm 时,最大垂直应力为 12.26MPa,最 大水平应力为 16.64MPa。 表 1 不同裂隙尺度下巷道变形量 裂隙或裂缝分布及宽度 预紧力矩 300Nm 顶沉 (mm) 底鼓 (mm) 两帮 (mm) 锚杆锚固范围内;10mm44.633.391.6 锚杆锚固范围内;50mm49.133.194.4 锚杆锚固范围内;100mm53.532.896.7 锚杆锚固范围外 - 锚索锚 固范围内;100mm 42.333.490.5 预应力为 300Nm 时,从位移场分布来看,由 于裂隙的作用,锚杆锚固范围内存在裂隙或裂缝条 件下,裂隙宽度为 10mm 时,顶板最大下沉量为 44.6mm,最大底鼓量为 33.3mm,两帮最大移近量 为 91.6mm;裂缝宽度为 50mm 时,顶板最大下沉 量为 49.1mm,最大底鼓量为 33.1mm,两帮最大移 近量为 94.4mm;裂缝宽度为 100mm 时,顶板最 大下沉量为 53.5mm,最大底鼓量为 32.8mm,两 帮最大移近量为 96.7mm。锚杆锚固范围外,锚索 锚固范围内存在裂缝条件下,裂缝宽度为 100mm 时,顶板最大下沉量为 42.3mm,最大底鼓量为 33.4mm,两帮最大移近量为 90.5mm。 当巷道顶板存在软弱结构面或裂隙时,巷道围 岩应力场和位移场将发生显著变化,由于裂隙处无 法进行应力的传递,从而对应力场和位移场分布形 态产生很大影响。从不同裂隙分布情况及宽度围岩 应力场和位移场分布可以看出,裂隙越宽,巷道应 力集中程度越高,围岩变形越剧烈;裂隙距离巷道 表面越远,对巷道变形的影响程度越小。因此需要 对锚杆锚索排距进行合理调整,以满足顶板岩层内 高预应力连续扩散要求。 4 支护方案 4.1 支护对策 (1)当节理、软弱夹层等复合岩层主要分布 在锚杆支护范围外时,锚杆支护作用仍可有效发挥, 调小锚杆锚索排距至 1000 ~ 1100mm。加强锚索锚 固力及预紧力检测,不合格时及时采取补强措施。 (2)当节理、软弱夹层等复合岩层主要分布 在锚杆支护范围内时,建议采用顶板全锚索支护, 长度 5300mm 左右,排距 1200mm。同时增加帮锚 索数量至每排 2 根,进一步加强煤帮变形控制,依 据现场锚固范围岩层结构特点适当调整。加大初始 预应力强度,控制浅部围岩的错动膨胀变形。 4.2 支护方案 根据以上要求, 制定1308工作面支护方案如下。 图 5 1308 工作面顺槽巷道支护设计图 如图 5 所示,1308 顶板支护采用 MSGLW-500 22/2400 左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆,排距 1.2m,每 排 5 根锚杆,间距 1000mm,距离巷帮 250mm,垂 直顶板布置;锚索采用“2-0-2”矩形布置方式,每 排 2 根锚索,排距 2.4m,间距 1900mm,距离巷帮 1300mm,垂直顶板布置。巷帮每排 4 根锚杆,排 距 1.2m,间距 800mm,巷帮上部 3 根锚杆采用钢 筋梯梁联接,底角锚杆采用 W 钢护板进行护表, 顶底角锚杆距离顶底板 350mm,靠近顶底板的锚杆 安设角度最大不超过 10。 5 结 论 通过对 1308 工作面复合顶板条件进行巷道受 (下转第 69 页) 692020 年第 5 期 力情况,为了充分发挥高强螺纹钢锚杆支护中主动 支护的作用,并考虑到 9煤变形机理的特殊性,提 出以下设计原则 (1)一次支护原则; (2)高预应力和预应力扩散原则; (3)“三高一低”原则; (4)临界支护强度与刚度原则; (5)相互匹配原则; (6)可操作性原则; (7)安全经济原则。 根据试验结果及设计原则,提出以下巷道支护 参数 锚杆Ф22mm 螺纹钢锚杆,直径为 22mm, 钻孔直径为 28mm,锚杆长度为 2200mm,锚杆排 距 900mm,顶板锚杆间距 800mm,帮部锚杆间距 850mm。锚固剂采用树脂药卷,中速树脂药卷加长 锚固,锚固剂采用 1 根 CK2335,一根 Z2360,锚 固长度 1.6m。 锚 索 直 径 为 17.8mm, 顶 部 锚 索 长 度 7250mm,帮部锚索长度 3000mm,排距 2700mm。 顶部锚索每排 3 根,中间锚索在巷道中线打入,左 右两根锚索距中间锚索 1600mm 施工。帮部锚索每 排 1 根,在距巷道底板 1400mm 处打入,钻孔直 径为 28mm。顶部根锚索采用 1 根 CK2335 和 2 根 Z2360 树脂药卷锚固,锚固长度 2.04m,帮部每根 锚索采用 1 根 CK2335 和 1 根 Z2360 树脂药卷锚固, 锚固长度 1.4m。支护断面示意图如图 3 所示。 图 3 回采巷道支护断面示意图 6 结语 由于安泰煤矿煤田相对较小,8、9 号煤层距离 近,且交替错开开采,煤田应力复杂,回采巷道易 受相邻工作面回采动压影响,巷道或受二次、三次 采场扰动,部分回采巷道表现出明显收敛、底鼓, 在复杂应力、高应力形成情况下,巷道支护需要加 强与优化。 【参考文献】 [1] 慈忠贞,王佳奇,孟凡林,等 . 新疆龟兹矿西井 近距离煤层安全高效开采技术 [J]. 矿业研究与开 发,2019,39(07)37-41. [2] 薛国建 . 王坪煤矿近距离煤层采空区下开采技术 研 究 及 应 用 [J]. 现 代 矿 业,2019,35(06) 123-126. [3] 付书俊,吴乐,何杰 . 近距离煤层迎采动工作面 沿空掘巷支护技术[J].煤炭工程, 2019, 51 (06) 81-85. [4] 卢鑫,郑永胜,闫明晨,等 . 近距离跨采巷道矿 压显现规律及支护研究 [J]. 煤炭技术,2019,38 (04)47-50. [5] 肖家平,韩磊,周波,等 . 采空区下近距离煤层 巷道淋水围岩稳定性分析 [J]. 煤矿开采,2018, 23(05)48-53. [6] 马根心 . 近距离煤层开采技术在回坡底煤矿的应 用 [J]. 山东工业技术,2018(19)80. [7] 郝龙 . 近距离煤层采空区下巷道支护设计 [J]. 能 源技术与管理,2018,43(03)47-49. (上接第 66 页) 力分析和不同宽度裂隙数值模拟,分析了应力场与 围岩变形变化特征,提出合理的符合支护对策当 节理、软弱夹层等复合岩层主要分布在锚杆支护范 围外时调小锚杆锚索排距至 1000 ~ 1100mm;当节 理、软弱夹层等复合岩层主要分布在锚杆支护范围 内时,建议采用顶板全锚索支护,长度 5300mm 左 右, 排距1200mm, 同时增加帮锚索数量至每排2根, 进一步加强煤帮变形控制,使巷道围岩保持了很好 的完整性,提供的支护参数能满足生产和安全要求。 【参考书目】 [1] 李东印,邢奇生,张瑞林 . 深部复合顶板巷道变 形破坏机理研究 [J]. 河南理工大学学报(自然科 学版),2006,25(06)457-460. [2] 张久锋,王成,韩国将,等 . 厚层复合顶板留小 煤柱沿空掘巷综合控制技术[J].能源技术与管理, 2009(01)7-9. [3] 高峰,李纯宝,张树祥 . 复合顶板巷道变形破坏 特征与锚杆支护技术 [J]. 煤炭科学技术,2011, 39(08)23-2534.