深井全煤巷道反底拱支护优化数值模拟研究.pdf

第 1 7卷 第2期 总第 1 0 5期 2 0 1 2年 4月 煤 矿 开 采 C o a l mi n i n g T e c h n o l o g y V o 1 ． 1 7 N o ． 2 S e ri e s N o ． 1 0 5 Ap r i l 2 01 2 深井全煤巷道 反底拱 支护优化数值模拟研 究 高喜才 ，赵强 1 ．西安科技大学 教育部 西部矿井开采及灾害 防治重点实验室 ，陕西 西安 7 1 0 0 5 4 ； 2 ．西安科技大学 能源学 院，陕西 西安 7 1 0 0 5 4；3 ．陕西彬 长矿业集 团 胡家河矿业公 司 ，陕西 咸阳 7 1 3 6 0 0 [ 摘要] 针对陕西彬长集团公司胡家河煤矿井底水仓全煤巷道支护难题，采用数值模拟方法 分析了原有初期支护方式存在的问题，提 出了增加反底拱控制的综合支护方案并进行优化设计。模拟 结果表明通过增强顶板、两帮支护强度和反拱控底可以有效提高整体支护承载结构强度 ，巷道围岩 塑性区明显减少，剧烈底鼓变形和顶部下沉得到显著改善。 [ 关键词] 深部开采；煤巷；反底拱；数值模拟 [ 中图分类号]T D 3 5 3 【 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 1 2 0 2 0 0 5 7 0 4 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o f Bo t t o m Ar c h S up po r t i ng Co a l Ro a dwa y i n De e p M i n e G A0 X i c a i ．Z H A O Q i a n g 1 ． K e y L a b o r a t o r y o f We s t e r n Mi n i n g＆ D i s a s t e r P r e v e n t i o n o f E d u c a t i o n Mi n i s t r y ，X i a n U n i v e r s i ty o f S c i e n c e T e c h n o l o g y ，X i “ a n 7 1 0 0 5 4 C h i n a ； 2 ． En e r g y S c h o o l ， Xi a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e＆ Te c h n o l o g y ， xi a n 7 1 0 0 5 4， Ch i n a ； 3 ． H u j i a h e Mi n i n g C o m p a n y ，S h a n x i B i n g c h a n g Mi n i n g G r o u p ，X i a n y a n g 7 1 3 6 0 0，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e d i ffic u l t p r o b l e m o f s u p p o r t i n g c o a l m i n e s u mp r o a d w a y i n H u j i a h e C o l l i e r y o f S h a n x i B i n g c h a n g G r o u p ， nu me r i c a l s i mul a t i o n me t h o d wa s a p p l i e d t o a na l y z i n g p r o b l e ms i n o rig i n a l s up po r t i ng d e s i g n a n d b o t t o m a r c h s u p po rti ng wa s pu t f o r wa r d ． N u me r i c a l r e s u l t s s h o w e d t h a t s t r e n g t h o f w h o l e b e a ri n g s t r u c t u r e c o u l d b e i mp r o v e d e f f e c t i v e l y w i t h b o t t o m a r c h a n d b y s t r e n gth e n i n g r o o f a n d s i d e s s u p p o r t i n g s t r e n g t h， p l a s t i c z o n e o f s u r r o u n d i n g r o c k r e d u c e d l a r g e l y，s e v e r e fl o o r h e a v e d e f o r ma t i o n a n d r o o f s u b - s i d e n c e w a s c o n t r o l l e d o b v i o u s l y ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g ；c o al r o a d wa y；b o t t o m a r c h；n u me r i c a l s i mu l a t i o n 随着煤炭需求量和开采强度不断加大 ，浅部资 源 日益减少 ，煤矿开采逐渐向深部延伸 ，地质环境 更加复杂⋯ ，导致 巷道 围岩结构 、基 本行 为特征 和工程响应均发生根本性变化 ，巷道剧烈矿压显现 发生概率大增 J 。随开采 深度增 大，易产 生底鼓 的巷道 比重越来越大 ，底鼓问题更加突出[ 3 - 5 3 。 彬长矿 区胡家河煤矿井底水仓 巷道沿底板 留 2 ． 4 m底煤掘进 ，属深部软底 全煤巷道 ，在原有初 期锚网索支护条件下 出现顶板下沉 、明显底鼓的较 剧烈巷道变形特征 ，给水仓安装运行带来较大安全 隐患。论文针对深部全煤巷道变形破坏特征 ，提出 了反底拱支护技术方案 ，并通过数值模拟分析方法 对巷道优化支护效果进行 了研究。 1 工程地质概况 陕西省彬 长矿 区揭露 的地层有 三叠系 、侏 罗 系、白垩系、第三系和第四系，区域构造位于鄂尔 多斯盆地南部的渭北断隆区彬县 ～ 黄陵坳褶带，其 主体构造为以东西向宽缓褶皱构造为主。胡家河煤 矿煤层表现为一整体东南高、西北低 ，并伴随着古 地貌的隆起及凹陷存在着 的背斜和 向斜构造。4号 煤层埋深 6 2 1 ． 6～ 8 1 0 ． 0 m，厚度 0 ． 8 2 6 ． 2 0 m，一 般厚度为 1 0～1 5 ． 0 0 m，结构较简单 ，节理裂 隙较 为发育，一般含 2层夹矸 ，且位于煤层 的中上部 ， 属大部可采煤层 ，其单轴抗压强度为 1 7 ． 0 MP a ，单 向抗拉强度 为 0 ． 8 9 MP a ，孔 隙率 1 2 ． 7 ，软化系数 0 ． 4 8 。4号煤层伪顶 多为黑色 炭质泥岩 ，厚度小 ， 直接顶板为较易冒落的泥岩、粉砂岩 、砂质泥岩 ； 基本顶 以强度为6 ． 7～1 7 ． 2 M P a的中砂岩 、粗砂岩 为主的较坚硬顶板 ，受高强度开采影响将呈现较为 剧烈的矿压显现 ；底板岩性一般为泥岩及粉砂岩 ， 松散易碎 ，次为铝质泥岩 ，遇水易软化。矿井涌水 以裂隙水为主 ，由于其覆岩含水层较多 ，水文地质 类型划 分 为 “ 复杂 ” 类 型 ，预计 正 常 涌水 量 为 4 7 0 m ／ h ，最大涌水量为 7 0 0 m ／ h 。 2 深部巷道变形特征及支护对策 2 ． 1 初期支护 [ 收稿日期]2 0 1 1 1 0 1 8 [ 基金项目]陕西省重点实验室项目 0 8 J Z 4 0 ；西安科技大学培育基金 2 0 0 6 0 4 [ 作者简介]高喜才 1 9 8 0 一 ，男，河南方城人，讲师，博士，主要从事岩石力学与巷道支护方面的教学与研究工作。 5 7 总第 1 0 5期 煤矿 开 采 2 0 1 2年 第 2期 部巷道支护难题的有效途径。胡家河水仓巷道顶板 裂隙水随底板次生裂隙发育区渗入底板造成强度降 低的同时产生强大的体积膨胀压力是巷道发生剧烈 底鼓变形的内在原因，有效处理底板是控制高应力 煤层巷道底鼓的关键。 2 针对胡家河煤矿井底水 仓给定 的巷道 岩 体结构型式、岩性及其地应力场条件 ，提出的锚网 喷砌碹 ，底部反拱 底锚杆 钢筋 网梁综合 支护技 术将各个支护结构优势结合 ，充分调动了深部更大 范围的外承载结构 ，发挥了 自身 的承载能力 ，从根 本上能够控制巷道围岩剧烈变形 。 3 数值模拟 结果表明 ，水仓优化设计方 案 对深部全煤巷道底鼓变形控制效果明显 ，为矿区现 场类似条件巷道设计施工提供很好的借鉴。 [ 参考文献 ] [ 1 ]刘泉声 ，高玮，袁亮 ．煤 矿深部 岩巷稳定 控制理 论与支 护技术及应用 [ M]．北京 科学 出版社 ，2 0 1 0 ． [ 2 ]王成 ，张念超 ，臧英新 ．千米 深井 软岩煤巷 支护方 式数值 模拟研究 [ J ]．煤矿开采 ，2 0 1 1 ，l 6 1 4 8 5 2 ． [ 3 ]谢 广祥，常聚才 ．超 挖锚注 回填控制 深部巷道 底臌研 究 [ J ]．煤炭学报 ，2 0 1 0 ，3 5 8 1 2 4 2 -1 2 4 7 ． [ 4 ]姜耀东 ，赵毅鑫，刘 文 岗，等 ．深部 开采 中巷 道底臌 问题研 究 [ J ]．岩石力学与工程学报 ，2 0 0 4，2 3 7 2 3 9 6 2 4 0 1 ． [ 5 ]柏建彪 ，李文峰，王襄 禹，等 ．采动 巷道底鼓 机理 与控制技 术 [ J ]．采矿与安全工程学报 ，2 0 1 1 ，2 8 3 1 5 ． [ 6 ]王卫 军 ，冯 涛 ．加 固 两 帮 控 制 深 井 巷 道 底 臌 的 机 制 研 究 [ J ]．岩石力学与工程学报 ，2 0 0 5 ，2 4 5 8 0 8 - 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