高瓦斯松散煤体复合顶煤巷支护参数优化分析*
2014-03-15徐青云李永明
徐青云 张 磊 鲁 杰 李永明 谭 云
(1.山西大同大学煤炭工程学院,山西省大同市,037003;2.中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221116)
1 概况
枣园煤矿23081机巷所在煤层富含瓦斯且透气性低,煤体结构松散破碎,煤体胶结程度低,顶板岩层裂隙发育、软弱夹层较多,整体稳定性差。在巷道的掘进过程中,极易发生煤体片帮、垮落、顶板垮冒等安全问题,巷道围岩变形持续时间长,变形量难以控制,属典型的高瓦斯松散煤体复合顶煤巷。
图1 巷道布置层位示意图
23081机巷所在煤层倾角18°~21°,平均19.5°。23081工作面主采二1煤层,根据工作面临近钻孔及23022工作面、23032工作面实际揭露煤层情况分析,工作面煤层厚度最大5.03m,最小4.5m,平均厚度为4.6m,煤层坚固性系数约0.1,为典型的松散煤体,巷道布置层位如图1所示。
2 模型建立
根据枣园煤业23081机巷的地质条件,对不同规格、不同排距的锚杆锚索支护效果进行模拟,采用FLAC3D 模拟软件,模型边界条件上部边界为应力边界,其余5个面为固定边界,采用摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)模型作为本构模型。综合矿井现有地质资料、巷道尺寸、现有矿压研究成果等因素确定本模型尺寸为50m×20m×38.6m,共划分48840个网格和53760个网格节点。为简化计算,模型中岩石密度取平均密度2500kg/m3,具体岩层划分及力学参数见表1。
表1 模型力学参数
3 支护参数数值模拟确定
3.1 锚杆支护参数确定
根据枣园煤业现有巷道支护状况和巷道实际情况,模型采用全断面锚杆支护,每个支护断面布置方式相同,针对不同规格锚杆进行数值模拟比较,选取支护效果与经济效益最优的锚杆规格。支护断面顶板采用6根锚杆,方案一、方案二和方案三锚杆 分 别 为ø20 mm ×2000 mm、ø20 mm ×2200mm、ø20 mm×2400 mm,锚杆间距800 mm;低帮采用3 根锚杆,锚杆间距850 mm;高帮采用5 根锚杆,锚杆间距800 mm;锚杆排距600mm。模拟3种支护方案,得到3种规格的锚杆支护下巷道围岩位移规律曲线,见图2。
图2显示3种锚杆支护方案顶底板相对移近量方案一为326 mm、方案二为276 mm、方案三为235 mm,两帮相对移近量分别为551 mm、541mm、526mm。可见随着锚杆长度的增加,围岩的变形量也随之减少。因此,采用较长长度的锚杆有利于巷道围岩的长期稳定。但从经济和施工的角度分析,对于松散的煤帮,随着孔深的加大,成孔质量难以保证,进而影响施工质量与进度;另外,作为回采巷道23081机巷服务时间相对较短。综合分析各种条件,23081 机巷顶板宜选用ø20 mm×2400 mm 的锚杆支护,而两帮宜选用ø20 mm×2000mm 的锚杆支护。
图2 不同规格锚杆支护围岩位移
根据选好的锚杆,模拟选取锚杆排距,每支护断面顶板布置规格ø20mm×2400 mm 的锚杆6根,3个方案锚杆排距分别为800 mm、700 mm、600 mm,锚杆间距800 mm;低帮采用规格ø20mm×2000 mm 的锚杆3 根,锚杆间距850 mm;高帮采用规格ø20 mm×2000 mm 的锚杆5根,锚杆间距800mm。得到3种规格的锚杆支护下巷道围位移规律曲线,见图3。
图3 锚杆支护布置方案围岩位移
图3 显示3 种不同锚杆排距800 mm、700mm、600mm 支护下,顶底板相对移近量分别为404mm、352 mm、272 mm,两帮相对移近量分别为983 mm、705 mm、635 mm。可见,减小排距可有效降低围岩的变形量,尤其是降低顶底板的相对移近量,强化了顶板的安全管理。对于松散煤体复合顶巷道,顶板自身力学性能较差,已发生弯曲下沉甚至一定程度的破碎,同时两帮松散的煤体对顶板的支撑能力较差,加剧了顶板的变形破坏。因此,强化巷道顶板的控制对维护松散煤体复合顶巷道至关重要。采用较小排距的锚杆支护,减小了掘进过程中悬顶面积,及时向顶板提供永久支护,加强了对顶板的控制。虽然较小的间排距造成了成本的增加,但相对于巷道因大变形翻修的成本仍是很低的。通过对比分析,采用600mm 排距在支护效果和经济效益上都具有明显优势,宜作为支护方案中的锚杆排距。
3.2 锚索支护参数确定
从锚杆支护参数的模拟中可以看出,仅仅依靠锚杆支护巷道浅部围岩塑性区范围较大,围岩自身承载能力较低,导致围岩变形量较大。因此,在锚杆支护的基础上,需要通过施工顶板锚索和高帮锚索梁补强支护以控制巷道围岩变形,维护巷道的长期稳定。
根据选好的锚杆规格和间距,模拟确定锚索规格,3 个方案锚索规格分别为ø18.9 mm×5300mm、ø18.9 mm×7300 mm、ø18.9 mm×8300mm,锚杆按照上述已确定的规格及排列,锚索布置于两排锚杆之间,每排锚索间距1600mm,排距1200mm。采用2-0-2方式布置锚索加固顶板,对3种不同规格的锚索进行模拟比较分析,选取支护效果与经济效益最优方案。
模拟3 种规格锚索ø18.9 mm×5300mm、ø18.9mm×7300mm、ø18.9 mm×8300mm 支护下,顶底板相对移近量分别为237mm、211mm、182 mm,两帮相对移近量分别为453 mm、393mm、339mm。锚索对于顶底板围岩变形的控制效果较为明显,巷道位移量大幅下降。锚索长度的改变对顶底板相对移近量的控制也有较大程度的影响,随着锚索长度的增加,顶板的下沉量有逐渐减小的趋势,顶板下沉量得到控制之后也相应地改善了底板和两帮的受力状态,从而使巷道围岩整体结构的变形得到了控制。因此,采用ø18.9mm×8300mm 锚索是较为合理的选择。
在确定锚索规格为ø18.9mm×8300mm,根据枣园煤矿23081 机巷的围岩条件,设计3 个方案,第一方案锚索布置为2-0-0-2,排距1800 mm;第二方案锚索布置2-0-2,排距1200mm;第三方案锚索布置2-2-2,排距600 mm。在上述模拟所得结果的基础上,采用锚杆锚索联合支护手段,按3种锚索布置方案,对不同排距的锚索支护方式进行模拟分析,选取支护效果较好且经济效益较优的方案。
模拟结果表明,第一、第二和第三种方案的顶底板相对位移分别为210 mm、182 mm、161mm,两帮相对位移分别为392 mm、339 mm、281mm。单从对巷道围岩变形量的控制角度,减小锚索间距有利于巷道围岩稳定性的控制,但考虑施工进度和支护成本,过度增加锚索所获得的效益和增加的支护成本不相协调。3 种方案中,2-0-2间距1200mm 布置锚索既可得到较好支护效果,又抑制了过高的支护成本,是较为合理的顶板锚索布置方案。
4 23081机巷支护方案
设计23081机巷断面为斜顶矩形,全断面锚杆(索)支护示意图见图4。
图4 23081机巷支护参数图
顶板采用6根规格为ø20mm×2400mm 的左旋全螺纹钢高强预拉力锚杆,锚杆间排距800mm×600mm,每根锚杆配套M10托盘。高帮采用5根规格为ø20mm×2000mm 的左旋全螺纹钢高强预拉力锚杆支护,锚杆间排距800mm×600mm,每根锚杆配套M10托盘,左帮锚杆与水平方向夹角约10°,右帮锚杆向与水平方向夹角约20°。
低帮采用3根规格为ø20mm×2000mm 的左旋全螺纹钢高强预拉力锚杆支护。锚杆间排距850mm×600 mm,每根锚杆配套M10 托盘,底角锚杆与水平方向夹角约30°。
巷道顶板按2-0-2形式布置2根单体长锚索加强支护,长锚索规格为ø18.9 mm×8300 mm,配合规格为400mm×400mm×12mm 及200mm×200mm×10mm 双托盘 (平垫钢板)使用;单体锚索布置时向高帮方向带5°左右的迎山角。每根锚索配6节ZK2335型树脂锚固剂,锚索预紧力不低于80kN,锚固力不低于150kN。
5 结论
根据枣园煤矿23081 机巷地质条件,利用FLAC3D 建立了数值模拟模型,分别对不同的锚杆(索)参数进行了模拟比较,得到以下结论:
(1)锚杆长度的增加,加厚巷道浅表的锚固层,强化了破碎区和部分塑性区围岩的强度,有利于改善围岩的应力状态,有利于围岩变形量的控制,但结合巷道的实际情况顶板宜采用2400 mm长锚杆,两帮宜采用2000mm 长锚杆。
(2)锚杆排距一定范围内的减小,加强了对浅表破碎围岩的支护阻力,有利于巷道围岩稳定性的控制,同时,考虑到软弱复合顶在高应力作用下易发生离层破碎,所以此类巷道选择600mm 作为锚杆排距。
(3)由于复合顶厚度较大,采用长8300 mm的锚索,锚索间距为1200mm。
(4)工业性试验选取23081机巷100m 试验巷段布置3个测站,监测结果显示试验巷道在掘进期间巷道围岩稳定性较好,在掘进影响稳定期间巷道围岩变形量较小,巷道成型良好,高帮无明显鼓出,支护方案较为合理。
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