工作面开切眼与顺槽交叉口顶板稳定性分析及加强支护范围的确定

张志青，宋选民

（太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）

工作面开切眼与顺槽交叉口顶板稳定性分析及加强支护范围的确定

张志青，宋选民

（太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）

针对某大型矿井工作面顺槽与开切眼的现场条件，采用数值计算方法，研究顺槽与开切眼交叉口顶板的应力场和位移场分布特征，确定二次应力场叠加的影响范围及大小，并据此确定顶板加强支护范围及支护强度。研究结果表明：在交叉口顶板高度的煤体中形成了一定范围的围岩破坏区域，并在深部形成了应力集中带,铅垂应力分布图表明，在交叉口顶板上存在一个三边都为弧形的三角形卸压区域；交叉口处铅垂位移在顶板高度水平上在中央的铅垂位移最大，往四周方向延伸逐渐减小，直到煤体深部为零为止。因此建议：交叉口加强支护的范围应采用锚网支护，在围岩较破碎情况下建议采用锚网+W钢带+钢筋梯梁等措施联合支护，此处应加大锚杆支护的深度和密度；如果需要，应采用单体支柱之类的措施进行加强支护。

开切眼；顺槽；交叉口；稳定性；数值计算

巷道顶板的支护问题是煤矿安全生产面临的主要问题；长期以来，各种回采巷道因支护不当造成冒顶、底鼓、片帮、巷道断面收缩过大等问题曾出不穷[1-8]。普通单个巷道由于巷道的开挖造成了应力场的二次分布，工作面开切眼和顺槽交叉口处是二次应力场的叠加部位，其围岩力学性质恶化，顶板的稳定性较差，这给工作面的安全生产带来一系列困难，阻碍了矿井的高效生产[3-13]。为了确定某大型矿井工作面交叉口顶板围岩的加强支护区域，本文利用大型数值计算软件，分析开切眼和顺槽交叉口处的顶板应力分布特征和位移分布特征，确定交叉口的顶板危险区域及其加固范围，研究成果可为矿井安全支护和安全生产提供理论依据。

1 数值计算模型的建立

依据矿井地质条件，通过现场取芯，并在岩石力学实验室测定岩石的物理力学参数，交叉口的岩石力学参数，如表1所示。

根据该矿井工作面的生产条件和数值计算的建模原则[14]，认为交叉口模型是对称图形，只建立其一半模型，利用对称模型的计算方法求解。整个模型的长70m、宽30m、高45m，其中顺槽宽度5.5m，开切眼宽度6m（建模取宽3m），顺槽和开切眼的高度都为3.5m。模型共分51408个六面体单元，共有55900节点。整体计算型示意图，见图1。模型除上边界外的五个边界面的法向位移固定，上边界施加6.63m P a的均布压力，并施加重力场。

表1 数值计算岩层分布和物理力学参数表

图1 整体计算模型

计算过程中，首先进行初始应力场的平衡，在本次计算中认为初始应力场为自重应力场，随后进行顺槽的开挖，最后进行开切眼开挖。

2 交叉口顶板的稳定性分析

为了掌握初始应力场的分布情况，绘制了初始应力场中铅垂应力云图，见图2。

图2 初始应力场

从图2可看出，初始铅垂应力从上往下是逐渐增大，在同一个高度层位铅垂应力的数值是相同的，这种分布和静水压力的规律一致。整个数值计算中，首先要让模型平衡，得到初始应力场；随后开挖掉顺槽部位的模型，等计算平衡后，再开挖工作面开切眼部分，重新计算至平衡。

了解顶板的稳定性，先应该了解顶板的应力分布规律和变形情况，尤其是铅垂应力分布规律和顶板的下沉量。为此，绘制了顶板表面附近围岩的铅垂应力分布规律图和顶板下沉量分布规律图。

交叉口顶板的铅垂应力云图及铅垂应力分布三维图见图3和图4。从图看出，铅垂应力在交叉口中央处最小，（接近零），往四周方向延伸逐渐增大：在煤体内部一定范围内达到最大值，随后减小，直到和原岩应力相同为止。这表明在顶板高度的煤体中形成了一定范围的围岩破坏区域，并在深部形成了应力集中带。铅垂应力分布图表明，在交叉口处顶板上存在一个三边都为弧形的三角形卸压区域。

交叉口顶板的铅垂位移云图及铅垂位移分布三维图见图5和图6。从图可知，铅垂位移在顶板高度

图3 巷道顶板水平面铅垂应力云图

图5 巷道顶板水平面铅垂位移云图

图6 巷道顶板水平面铅垂位移分布三维图

图4 巷道顶板水平面铅垂应力分布三维图水平上中央的铅垂位移最大，往四周方向延伸逐渐减小，直到煤体深部为零为止。顶板的铅垂位移可以明确反应顶板的下沉量，顶板的铅垂应力则可反映顶板的受力状况。从交叉口处顶板的应力分布和位移分布情况来看，拐角处的卸压区域较大，围岩也较破碎，应力集中主要表现在拐角处煤体的深部，顶板的下沉最大处在交叉口的中央部位。

针对交叉口顶板的受力和变形特性，在工作面开切眼和推进中，应对交叉口顶板进行加强支护，加强支护的范围应为顶板岩层的卸压区域及顶板下沉量严重的区域，应采用锚网支护；在围岩较破碎情况下建议采用锚网+W钢带+钢筋梯梁等联合支护，建议此处加大锚杆支护的深度和密度；如果需要，应采用单体支柱之类的工具进行加强支护。

3 结论

回采巷道的支护问题是采矿工程中较复杂难控制的问题之一；由于受岩层厚度、工作面埋深、地质构造、开采工艺、巷道尺寸及形状等因数的影响，不同条件的矿井应采用不同的支护手段，但就工作面顺槽和开切眼交叉口的总体研究情况来看，主要得到以下结论：1）在交叉口处顶板高度的煤体中形成了一定范围的围岩破坏区域，并在深部形成了应力集中带。铅垂应力分布图表明，在交叉口处顶板上存在一个三边都为弧形的三角形卸压区域。2）交叉口处铅垂位移在顶板高度水平上，交叉口中央的铅垂位移最大，往四周方向延伸逐渐减小，直到煤体深部为零为止。3）交叉口加强支护的范围应为顶板岩层的卸压区域及顶板下沉量严重区域，应采用锚网支护，在围岩较破碎情况下建议采用锚网+W钢带+钢筋梯梁等联合支护；如果需要，应采用单体支柱之类的工具进行加强支护。

[1]牛少卿，杨双锁，王志刚，寇永嘉.非均匀水平应力场中井壁结构的优化设计研究[J].山西大同大学学报(自然科学版)，2010，26(3):60-63.

[2]牛少卿.长壁开采三顺槽围岩控制理论技术研究[D].太原：太原理工大学，2011.

[3]王思红，牛少卿，寇永嘉.松软破碎硐室群围岩稳定性数值分析[J].山西煤炭，2010，30(7):40-42.

[4]毛华晋，牛少卿，颜文艳.长壁开采条件下巷道三岔口稳定性研究[J]，山西煤炭，2011，31(1):39-41.

[5]杨双锁.煤矿回采巷道围岩控制理论探讨[J].煤炭学报，2010,35(11):1842-1853.

[6]田柯，田取珍.锚杆支护参数对巷道围岩稳定性影响研究[J].山西煤炭，2011，31(5):44-47.

[7]余佳，史鹏飞.长壁开采三顺槽锚杆轴力演化特征研究[J].山西煤炭，2011，31(5):40-43.

Roof Stability Analysis and Support Reinforce Extent Determination of Open-off Cut and Crossheading Intersection

ZHANG Zhi-qing;SONG Xuan-min
(College o fm i n i n g E n g i n e e r i n g,T a i y u a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T a i y u a nS h a n x i 030024)

B a s e do nt h es i t u a t i o no f c r o s s h e a d i n ga n do p e n-o f f c u t,u s i n gn um e r i c a l c a l c u l a t i o n,t h e d i s t r i b u t i o no f s t r e s sf i e l da n dd i s p l a c em e n t f i e l da t t h ei n t e r s e c t i o nr o o f o f c r o s s h e a d i n ga n do p e n-o f f c u t w a ss t u d i e dt od e t e rm i n et h er a n g ea n ds i z eo f i n d u c e ds t r e s sf i l e ds u p e r p o s i t i o n,a n dt h a nt od e t e rm i n e s u p p o r tr a n g ea n di n t e n s i t y.T h er e s u l ts h o w e d:t h e r ea p p e a r e das u r r o u n d i n g-r o c kf a i l u r ea r e ai nt h e i n t e r s e c t i o nr o o f,as t r e s s c o n c e n t r a t i o na r e ai nt h ed e e pp a r t;t h ev e r t i c a l s t r e s s d i s t r i b u t i o nm a pi n d i c a t e d a na r ct r i a n g l ep r e s s u r er e l i e f a r e ao nt h ei n t e r s e c t i o nr o o f;t h ev e r t i c a l d i s p o s i t i o nw a sm a x im um i nt h e c e n t e r a t t h er o o f l e v e l,d e c r e a s e dg r a d u a l l yi n t oa l l d i r e c t i o n s,a n db e c am ez e r ot ot h ed e e pp a r t o f c o a l.T h e r e f o r e,t h e a n c h o rm e s hs h o u l db e a d o p t e dt o r e i n f o r c e t h e i n t e r s e c t i o na n dt h e c om b i n e ds u p p o r t(a n c h o rm e s h+W s t e e l b e l t s+r e i n f o r c e ds t e e l t r a p e z i umb e am)s h o u l db eu s e di nt h es u r r o u n d i n gr o c kb r o k e n s i t u a t i o nt o s t r e n g t h e nt h e s u p p o r t d e p t ha n dd e n s i t y;i f n e c e s s a r y,t h e s i n g l e p r o pa n do t h e rm e a s u r e s c o u l d b e u s e d.

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A

2011-09-27

张志青（1984—），男，山西原平人，硕士研究生，从事煤矿开采等方面的研究工作。

刘新光