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1、复杂条件煤巷掘进顶板控制数值模拟及应用摘要:为了解决刘庄煤矿大断面煤巷复合破碎顶板稳定性难于控制,制约快速掘进,影响安全施工和巷道维护这一重大工程问题,运用FLAC3D数值模拟分析,对巷道断面和支护进行优化设计,提出人造拱形断面及滞后迎头一段距离的弱化支护技术,实现了最高月掘进1510m的好成绩,为煤巷快速掘进顶板控制提供了保障。 关键词:复合破碎顶板;大断面;人造拱形断面;滞后支护;顶板控制 :TD325.1:A :1672-1098(2010)03-0023-06 简介:魏敬喜(1983-),男,安徽淮南人,在读硕士,研究方向:矿山压力
2、与岩层控制。NumericalSimulationResearchonRoofControlofRoadsofpoundbrokenroofcontrolofroaditingfastexcavationandsafeconstructionandroadaintenance,optimaldesignofroadedbyusingFLAC3Dnumericalsimulation.Technologyofman-madearchcross-sectionedistancefromroadetersofexcavationdevelopmentinonemonth
3、an-madearchcross-section;delayedsupport;roofcontrol 近年来,随着矿井开采深度的增加,导致复合顶板破碎,使大断面巷道的受力状态逐渐变的复杂,容易出现顶板事故,影响巷道快速掘进,给安全施工和巷道维护带来了隐患[1-3]。尤其,随着综采、综放技术的应用和安全高产高效矿井建设的迅猛发展,采煤速度和掘进速度不匹配的问题日益突出,解决高地应力、复合破碎顶板、大断面下煤巷掘进的顶板控制技术显得尤为重要。而根据不同地质和生产技术条件进行顶板控制及施工方法的创新,可以改善巷道的围岩稳定性,提高支护效果,同时达到快速掘进的
4、目的[4-6]。本文提出人造拱形断面及滞后迎头一段距离的弱化支护技术,为煤巷快速掘进顶板控制提供了保障。工业性试验地点选在刘庄煤矿121102工作面机巷进行。 1生产技术条件 121102工作面机巷位于1水平E2采区,11-2煤可采,工作面四周及上下煤层均未开采。总体形态为一单斜构造,平均倾角为16°。老顶为细砂岩,顶板10.0m处发育1条0.8m的煤线,顶底板为岩性较弱的砂质泥岩(见图1)。 机巷掘进净断面为L=5000mm,H=4000mm。采用锚X索联合支护,每排布置15根锚杆,顶板布置7根锚杆,帮部布置8根锚杆;锚索为17.8mm预应
5、力钢绞线制作,L=6200mm,排距为2400mm,每排3根,每个绞车窝施工一根锚索,每根锚索使用4卷Z2350树脂药卷,压板为350mm×350mm×10mm及150mm×150mm×10mm钢板各一块。 2数值模拟与分析 2.1建立模型 数值模拟能模拟岩体的复杂力学和结构特性,并对工程岩体稳定性进行预测和预报。而现有的力学理论、现场实测及物理模拟受很多方面的制约,难以达到所需的效果。因此,采用数值模拟能更好地解决采矿工程和其他岩土工程问题。根据具体的工程地质条件,建立相应的数学力学模型[7]。模型的岩石力学参数如表1所示。 2.2巷道断面优
6、化设计 121102工作面机巷沿11-2煤层的顶板掘进,机巷顶板为岩性较弱的复合顶板,由于复合顶板容易冒落,临时支护时间长,安全管理难度大,容易出现顶板事故,且留顶形成X兜,影响永久支护效率。为了破顶后顶板能有效承载、保持顶板完整,最适宜快速掘进,在顶板上开挖出一定的拱高,形成人造拱形断面。因此,数值模拟采用三种方案:方案1:拱形高度600mm;方案2:拱形高度800mm;方案3:拱形高度1000mm。 分析比较三种模拟方案在巷道掘进期间,离掘进迎头10m处巷道的位移分布、应力分布及塑性区发育情况(见图2)。 对于方案1,由于顶板弱结构岩层的影响,
7、巷道的应力集中、围岩变形及塑性区深度都比较大。采用方案2,破除巷道顶板部分弱结构岩层后,使得巷道的应力分布得到优化,集中应力变小,巷道围岩变形破坏得到好转。方案3虽然弱化了顶板弱结构岩层对巷道围岩变形破坏的影响,但是由于巷道拱高的增加,造成巷道整体高度加大,使得巷道围岩变形加剧,特别是两帮的变形增加较大。因此,巷道最优拱形高度确定为800mm,即采用方案2。 根据数值模拟分析,人造拱形巷道的最大水平应力达到18.3MPa(见表2)。巷道两帮为岩性较弱的煤体,如果选择塑性区范围较大的帮部作为巷道支护的关键区域,将会产生很大的支护代价。可以把巷道顶板作为支护的关键
8、区域,顶板
