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水平应力对深部开采巷道稳定性的影响研究 曹丹弟 北京天地华泰矿业管理股份有限公司ꎬ内蒙古 鄂尔多斯 ０１７０００ 摘 要本文运用 ＦＬＡＣ３Ｄ建立模型ꎬ模拟埋深 ８００ｍ 的支护巷道ꎬ分析侧压系数 ｋ 分别为 １. ０、１. ６、２. ０ 时支护巷道的 垂直应力和弹塑性区域大小变化ꎬ并对支护巷道的塑性区大小、垂直应力分布、进行分析ꎬ随着侧压力由 ２０ＭＰａ 增加到 ４０ＭＰａꎬ弹塑性区域大小有了很大的变化ꎬ由一开始的只有剪切变形到后来的剪切与张拉变形共存ꎮ 随着巷道的不断抗压 变形ꎬ剪切变形的范围也相应扩大ꎬ尤其是在水平应力为 ４０ＭＰａ 时ꎬ面积扩大到 １０ｍ １０ｍꎬ比开挖巷道的范围大近 ５ 陪ꎮ 随着侧压系数的不断增加ꎬ巷道两帮弹塑性区也有明显变化ꎬ弹塑性区增大ꎬ在顶板中央部分和底板表现尤为明显ꎮ 关键词深部开采ꎻ水平应力ꎻ巷道稳定性 中图分类号Ｆ４０３. ７ꎻＴＤ３２ 文献标志码Ｂ 文章编号１００８ －０１５５２０１８１３ －００３８ －０１ 我国煤矿开采正经历着一个由浅到深ꎬ地质 条件由简单到复杂的过程ꎮ 深部矿井逐渐增多ꎬ 进入深部开采的力度逐渐变大ꎬ巷道围岩变形量 也显著增大ꎬ使巷道维护变得异常困难ꎬ深井巷道 的矿压控制已经成为深部开采能否顺利开采的重 要因素之一ꎮ １ 建立模型 对于 ８００ｍ 埋深的支护巷道建立 ＦＬＡＣ３Ｄ模型 进行数值模拟ꎬ建立长 ５. ２ｍ 宽 ６. ３ｍ 厚 ０. ５ｍ 的 煤质岩体ꎬ煤岩岩体密度 １４４７ｋｇ/ ｍ３ꎬ体积模量 ０. ８５ＧＰａꎬ切变模量 ０. ４６ＧＰａꎬ内摩擦角 ２３ꎬ内聚 力 ０. １ＭＰａꎬ拉伸强度 ０. ２２ＭＰａꎮ 巷道断面矩形 长 ４ｍꎬ宽 ３ｍꎬ垂直应力近似 ２０ＭＰａꎮ 旨在研究 对比不同侧压侧压系数 ｋ ＝ １. ０/１. ２/１. ６/２. ０ 下支护巷道的变化ꎮ ２ 不同侧压条件下巷道周围垂直应力变化情况 图 １ 不同侧压条件时巷道垂直应力分布云图 不同侧压条件时巷道垂直应力分布云图如图 １ 所示ꎮ 根据图 １ 可知ꎬ随着巷道附近水平应力的 增高ꎬ巷道的垂直应力由 ２９. ５ＭＰａ 减小到 ２４ＭＰａꎬ 垂直应力的峰值逐渐降低ꎬ但分布范围却随着水 平压力的增加而增加ꎬ而且影响范围变化ꎬ当 ｋ ＝２ 即水平压力 ４０ＭＰａ 时ꎬ由于开挖造成巷道附近大 面积垂直应力发生改变ꎬ垂直应力发生改变的区 域面积约占模型的 ４/５ 左右ꎮ ３ 不同侧压条件下巷道周围塑性区变化情况 图 ２ 不同侧压条件时巷道塑性区分布 收稿日期２０１８ －０５ －２５ 作者简介曹丹弟１９９４ － ꎬ男ꎬ新疆奎屯市人ꎬ北京 天地华泰矿业管理股份有限公司红庆河项目部综采一队 技术员ꎬ主要负责综采一队规程、安全技术措施编写等队 内技术工作ꎮ 不同侧压条件时巷道塑性区分布如图 ２ 所 示ꎮ 据图 ２ 可知ꎬ随着侧压力由 ２０ＭＰａ 增加到 ４０ＭＰａꎬ弹塑性区域由 ５０ 多个格扩大到近 ２５０ 个ꎬ 由一开始的只有剪切变形到后来的剪切与张拉变 形共存ꎮ 随着巷道的不断抗压变形ꎬ剪切变形的 范围也有了相当的扩大ꎬ 尤其是水平应力为 ４０ＭＰａ 的时候ꎬ下转第 ５０ 页 ８３ 用了大量的 １ 寸风水管ꎬ按现在的安规要求必须使 用２ 寸以上的风水管ꎬ因此造成大量的 １ 寸风水管 闲置ꎬ通过加工超前杆ꎬ实现利旧复用的目的ꎮ ３. ２“钻楔”超前支护方式的施工方法 １施工前根据地质条件确定施工超前眼的 个数ꎬ４. ６ｍ２断面煤巷一般不超过 ８ 根顶 ６ 边 ２ꎬ眼间距控制在 ４００ｍｍ 以内ꎻ破碎带和风化带 按实际需求和断面确定超前眼个数ꎬ间距应缩小 至 ３００ｍｍ 以内ꎮ 确定眼数后现场点眼ꎬ按常规掘 眼方式掘超前眼ꎬ眼深按施工条件控制ꎬ一般在 １. ０ｍ以内ꎬ施工结束后退出钻杆ꎬ施工时应采用炮 眼导向的方式ꎬ确保钻杆落至于同一水平面上ꎮ ２沿工作面最前方两棚矿工钢棚支架的梁 顶上侧和梁下侧ꎬ利用超前杆沿预留超前眼向前 方“钻楔”ꎬ“钻楔” 的长度应超过预留超前眼的 ０. ２ｍ以上ꎬ为确保超前杆安设牢固ꎬ在超前杆尾部 采用铁丝或钢丝绳等同矿工棚梁进行绑扎ꎮ ３爆破时应控制顶眼距超前杆的距离ꎬ一般 要留有 ０. １ｍ 以上的间隙ꎬ顶眼的装药量减少ꎬ如 爆破后顶帮爆破不完全ꎬ可采用人工开挖或处理 的方式松软煤层和风化带、破碎带在爆破震动后 均可通过人工处理ꎬ以确保超前杆的有效支护ꎬ 减少超挖ꎬ使巷道断面符合要求ꎮ ４爆破后如超前杆间隙仍有漏顶、片帮情 况ꎬ可用板皮或竹篱笆沿超前杆过顶ꎬ防止巷道周 边煤岩等的掉落、滑落ꎬ努力保护巷道周边原状ꎮ 此后ꎬ应立即进行下一道架棚支护工序ꎬ应确保架 棚质量和迎头的距离ꎬ为下一次施工超前杆创造 条件ꎮ ５工作面向前推进 ３ｍ －５ｍ 后ꎬ根据现场安 全及回收成本ꎬ决定是否对超前杆进行回收复用ꎬ 减少支护成本ꎮ ４ 施工其他注意事项 ４.１ 优化爆破方案ꎬ减少爆破作业对围岩的破 坏 １建议采用直眼或近直眼的方式布置炮眼ꎬ 通过调整炮眼角度达到减少爆破对支架和超前杆 的冲击ꎮ ２控制装药量ꎬ特别是顶眼和周边眼的装药 量ꎬ尽可能采用少装药、放小炮的方式掘进松软 煤层可采用镐刨方法ꎬ减少对顶板的震动ꎬ减小破 碎顶板的暴露时间ꎬ防止漏顶ꎮ ４. ２ 做好地质构造的预测预报工作 工程开工前技术人员应提前查阅地质资料、 对应周边揭露情况ꎬ预测施工过程中可能遇到的 破碎带、断层ꎬ松软厚煤层的位置ꎬ影响范围等ꎬ制 定针对性的安全措施ꎬ向作业人员交底ꎬ培训ꎮ 如 需采用“钻楔”超前支护方式ꎬ应向班组培训施工 要领ꎬ前三班由队干或有经验的班长现场跟班示 范ꎬ使作业人员掌握施工要领ꎮ ４. ３ 严格矿工钢棚的架设、维护和加固工作 ２矿工钢棚的架设质量ꎬ棚距、角度、水平 差、腿窝深度等符合要求ꎬ棚架之间应用拉杆连接 固定ꎬ打上梁和腰部撑柱ꎬ棚顶及两帮进行背帮、 过顶ꎮ ２放炮前要对靠近工作面迎头 １０ｍ 范围内 的支架进行加固可采用防倒棚机具及加设拉杆、 横撑等措施ꎬ炮后被爆破崩倒、崩坏的支架必须 先修复、加固ꎬ发现巷道有歪斜棚等现象时及时整 改加固ꎬ确保支护强度ꎮ ３提前准备好工作面“钻楔”超前支护的超 前杆ꎬ工作面的备用矿工钢棚、支护材料符合作业 规程规定ꎮ ５ 结束语 掘进面的顶板事故大多数发生在迎头范围ꎬ 因此采用有效的超前支护方式ꎬ确保工作面迎头 支护的有效性ꎬ是避免掘进顶板事故发生有效的 措施ꎮ 采用一寸焊接管和利旧 １ 寸风水管加工超 前杆“钻楔”的超前支护方式ꎬ结合矿工钢支架一 次支护控制顶板ꎬ能有效降低巷道垮面和冒顶事 故发生概率ꎬ有利于巷道断面控制的完整性ꎬ减少 超挖ꎬ节约了后期支护材料的投入ꎬ是一种技术先 进、经济合理、又切实可行的超前支护方式ꎮ 责任编辑陈凌霄 􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌 上接第 ３８ 页 面积扩大到 １０ｍ １０ｍꎬ远比开挖巷道的范围大很 多ꎬ扩大了近 ５ 陪ꎮ ４ 结论 通过以上对于不同侧压系数下即在不同水平 应力作用下巷道的受力与变形情况ꎬ分析巷道最 大主应力ꎬ了解巷道的受力情况ꎬ同时也分析巷道 在不同侧压系数条件下的垂直位移和塑性区ꎬ了 解巷道的变形情况ꎮ 从中可以得出如下结论 １巷道垂直应力随侧压系数的增大而增大ꎬ 且顶板中间部分增大幅度大于底板的增加幅度ꎬ 增加幅度较大ꎮ 随着侧压力的变大ꎬ垂直应力明 显变大ꎬ而且影响范围也大大增加ꎮ ２随着侧压系数的不断增加ꎬ巷道两帮弹塑 性区也有明显变化ꎬ弹性区增大ꎬ尤其在顶板中央 部分和底板表现尤为明显ꎮ 参考文献 [１]宋平ꎬ等. 基于 ＦＬＡＣ３Ｄ 的“三软”煤层错层位巷 道布置开采数值模拟研究[Ｊ]. 中国矿业ꎬ２０１８ꎬ５１１８ － １２１ꎬ１３７. [２]王涛. 不同原岩应力下巷道群应力分布数值模拟 研究[Ｊ]. 山西煤炭ꎬ２０１８ꎬ３８２５３ －５６. [３]王彦军ꎬ等. 基于 Ｆｌｕｅｎｔ 的金属矿掘进巷道风流流 场数值模拟研究[Ｊ]. 现代矿业ꎬ２０１８ꎬ３４２２０４ －２０７. 责任编辑陈凌霄 ０５