矿井采动应力演化特征及回采巷道支护研究.pdf

279 科学管理2020年第10期 1 前言 我国煤炭的开采对于我国经济发展有着至关重 要的作用，随着工业化的不断进步，煤炭的开采量 逐步增大，但随之而来的是我国煤炭资源的浪费越 来越严重，在厚煤层开采过程中，回采巷道的支护 是煤矿高产高效的关键[1]，在厚煤层放顶煤开采过 程中，不同放顶煤宽度及放顶煤采放比下巷道的采 动应力演化规律也不同，同时对采场及回采巷道进 行有效的控制是放顶煤开采的重要环节[2]，此前众 多学者对综放工作面覆岩的运移规律及矿压显现进 行过分析，高明忠以同煤集团同忻矿8309工作面为 研究背景，对特厚煤层的采动应力进行研究。通过 现场实测发现，随着工作面的推进，工作面前端煤 岩应力扰动不断增大，支撑应力逐步达到峰值。根 据支撑压力的演化规律将应力扰动区域分为未扰 动区域（200m以上）；弱扰动区域（工作面前方 100～200 m）；强扰动区域（工作面前方50～100 m）；剧烈扰动区域（工作面前方50 m以内）。李 振杰对深部巷道应力演化进行研究。运用数值模拟 对深部采动巷道的支护进行分析，为其他矿井相似 地质矿山支护提供参考。本文以马兰矿为研究背 景，对不用采放比及不放顶煤长度下巷道的采动应 力分布进行分析，并给出合理的支护方案，为放顶 煤开采巷道支护提供一定的借鉴。 2 不同采放参数下应力演化规律 在放顶煤工作面，不同的端头不放顶煤长度及 不同的采放比对煤岩的支撑应力演化规律也是不 同，选用合适的采放比及端头不放顶煤的长度会使 得工作面开采更加安全，也会提升煤层的产量，同 时不同端头不放顶煤长度及采放比对巷道的围岩变 形也存在影响，本文利用数值 模拟软件对不同放 顶参数下围岩变形进行研究。根据马兰矿的实际地 质资料对模型进行建模，模型X、Y、Z向的长度分 别为400m、200m和70m，对模型进行网格划分，网 格划分的粗细对于模型的计算至关重要，网格划分 过细会大大加大计算时间，耽误模拟进度，所以选 定合适的网格划分方案。对模型进行边界及约束的 设定，根据马兰矿实际地质资料可知覆岩的高度为 400m，体积力为25kN/m3，侧压系数选定为1，经过 计算在模型的上端设定9.86MPa。模型选定摩尔库伦 模型作为屈服准则，模型参数设定如表1所示。完成 模型建立。 表1 模型参数 岩石 密度/ gcm-3 抗拉强度 /MPa 内聚力 /MPa 摩擦角 / 剪切模 量/GPa 体积模 量/MPa 中粒砂岩2.582.811.832726.8 砂质泥岩2.622.461.2245.214.2 煤层2.11.121206.210.5 泥岩2.512.260.8244.38.2 石灰岩2.103.233.2401122.6 首先对采放比12，端头不放顶煤长度3m、6m 和9m时回采工作面超前20m、滞后20m及80m时工作 面的侧向支撑应力分布情况进行分析，支撑应力分 布曲线如图1所示。 （a）超前工作面20m时侧向 （b）滞后工作面20m时 支撑应力曲线 侧向支撑应力曲线 （c）滞后工作面80m时侧向支撑应力曲线 图1 端头不放顶煤长度3m侧向支撑应力分布图（采放比12） 根据图1所示可以看出，超前工作面20m、滞后 工作面20m及滞后工作面80m侧向支撑应力曲线呈现 相似的规律，都呈现随着距离工作面距离增大，垂 直应力呈现出先增大后减小的趋势，当超前工作面 20m时，侧向支撑应力的最大值出现在距离工作面 10m的位置，峰值应力为26.7MPa，应力集中系数为 2.1，在距离工作面350m的范围内为应力升高区， 矿井采动应力演化特征及回采巷道支护研究 谷平军 西山煤电集团有限责任公司 山西 太原 030053 摘要为了对放顶煤开采巷道稳定性进行研究，利用数值模拟软件对不同采放比及不同端头不放顶煤长度下侧向支撑 应力变化情况进行分析，并给出了最佳采放比为12，端头不放顶煤长度为6m，给出最佳参数下巷道的围岩变形情况，并 针对变形给出了相应的支护方案，有效的保障了巷道的稳定。 关键词放顶煤开采 采放比 数值模拟 支撑应力 科学管理 280 2020年第10期 应力的影响的极限范围为47m，应力集中系数大于1.2 的范围为427m，影响的距离为23m。滞后工作面20m 时，应力峰值出现在距离工作面10m的位置，应力峰 值为27.5MPa，应力集中系数为2.18，应力升高区的范 围为355m，应力影响范围为52m，同样应力集中系 数大于1.2的区域为425m，应力的影响范围为21m， 较超前工作面20m时有了一定的减小.当滞后工作面 80m时，此时在距离工作面9m时出现应力的峰值，峰 值为27.6MPa，应力的集中系数为2.19，较滞后工作面 20m时略有升高，应力升高区域为360m，应力集中 系数大于1.2的区域影响范围为428m，影响的距离为 24m。同样的对端头不放顶煤长度6m和9m进行研究， 本文直接给出结果，当端头不放顶煤长度为6m时，此 时超前工作面20m，应力峰值距离工作面8m，峰值为 26.5MPa，较高应力升高区范围为419m；滞后工作面 20m，应力峰值距离工作面8m，峰值为27.3MPa，较高 应力升高区范围为418m；此时滞后工作面80m，应 力峰值距离工作面7m，峰值为27.5MPa，较高应力升 高区范围为420m。当端头不放顶煤长度为6m时，此 时超前工作面20m，应力峰值距离工作面8m，峰值为 26.5MPa，较高应力升高区范围为418m；滞后工作面 20m，应力峰值距离工作面8m，峰值为27.3MPa，较高 应力升高区范围为417m；此时滞后工作面80m，应力 峰值距离工作面7m，峰值为27.5MPa，较高应力升高 区范围为419m。 根据对比可知，当采放比一定时，端头不放顶 煤长度从3m提升至6m时，此时支撑应力略有降低， 峰值向回采工作面转移，应力升高区明显减小，高 应力升高区范围减小，当长度从6m增大至9m时，侧 向支撑应力、位置及高应力范围几乎保持不变。 当采放比为11时，端头不放顶煤长度从3m增 大至9m时，支撑压力曲线的变化规律与采放比12 时的几乎相似，侧向支撑应力峰值相似，但应力增 高区域的影响范围增大，所以在端头不放顶煤长度 一定时，采放比12较采放比11明显较优。当采 放比21时，侧向支撑应力变化趋势类似，但应力 升高区域的影响范围较采放比12和11时更大， 所以无明显优势，所以合理采放比为12，端头不 放顶煤长度6m为放顶煤合理参数。 3 巷道支护方案 对此参数下无支护条件下巷道的围岩应力进行 模拟，模拟云图如2所示。 图2 巷道围岩应力云图 从图2可以看出，在无支护时，巷道掘进期，煤 柱处于应力分布较低的区域，塑性区的范围较大， 煤柱的侧帮变形量为250mm，煤柱实体的变形量为 170mm，所以可以看出煤柱实体与煤帮的变形量不 同，出现非对称变形，所以需要对巷道进行支护。 考虑到巷道的非对称变形，利用锚杆锚索进行联合 支护，以削减巷道的非对称性变形，保证巷道的稳 定性。支护断面图如3所示。 图3 断面支护图 如图3所示，巷道的顶板选用左旋螺纹钢锚杆， 锚杆的直径为20mm，锚杆的直径为2400mm，锚杆 的间排距设定为940800mm，在顶板每排布置6根 锚杆，锚杆垂直于顶板进行布置，锚索的选用1770 级钢绞线，锚索的规格为φ21.6mm6200mm， 间排距为1889mm1600mm。巷道的两帮支护锚 杆同样为φ20mm，长度为2400mm，间排距为 800mm800mm，每排布置4根锚杆，支护为对称支 护。对支护完成后的巷道变形进行研究，支护对巷 道变形的削减作用明显，有效的保障了巷道的稳定 性。巷道围岩变形如图4所示。 图4 巷道围岩变形监测图 4 结束语 综上所述，通过数值模拟软件对不同采放比及 不同端头不放顶煤长度下侧向支撑应力进行分析， 给出最佳的放顶煤比和端头不放顶煤长度分别为1 2和6m。对放顶煤比12和端头不放顶煤长度60m 下巷道围岩的变形进行研究，给出了巷道的支护方 案，支护后围岩的变形量得到了有效的控制，较好 的维护了巷道的稳定性。 参考文献 [1] 孙晓明， 张勇， 李思标， 赵成伟.深埋软岩巷道恒阻 耦合支护技术研究及应用[J].同煤科技， 2020 （2） 1-3769. [2] 李亮， 姜彦军， 于涛， 等 .“三软” 厚顶煤回采巷 道扩巷围岩稳定性及控制技术 [J]. 煤矿安全， 2019， 50 （10） 107-111.