托頂煤巷道支護方案優(yōu)化研究

托頂煤巷道支護方案優(yōu)化研究

0托頂煤巷道支護機理厚底板生產(chǎn)占中國煤炭產(chǎn)量的46%，是中國煤炭高效開采的重要組成部分。厚煤層開采高度大于3.5m，工作面兩側(cè)大多采用沿底掘進的托頂煤回采巷道在托頂煤巷道的變形機理研究方面，Gregory綜上所述，托頂煤巷道大多采用錨桿/錨索聯(lián)合支護，強調(diào)高預(yù)應(yīng)力對圍巖控制的關(guān)鍵作用，頂板區(qū)域是支護的重點和難點。當(dāng)前頂板支護的研究文獻集中在錨桿/錨索長度、間排距、預(yù)應(yīng)力選取等方面1支護技術(shù)優(yōu)化研究晉北某礦80807工作面屬于近水平煤層，平均埋深為470m，采厚為5.7m。工作面上方存在直接頂為3.5m的泥巖、老頂為4.7m的石灰?guī)r，底板主要為質(zhì)地較硬的砂質(zhì)泥巖和灰?guī)r。80807回風(fēng)順槽掘進凈斷面大小為4.5m×3.2m，煤柱寬度為20m，巷道通過錨桿和錨索進行頂板支護。工作面概況如圖1所示。在掘進和相鄰工作面回采期間，該巷道出現(xiàn)以下問題：頂板和幫部變形嚴重，頂板下沉普遍大于300mm，頂幫煤體破碎，局部有漏頂現(xiàn)象；支護構(gòu)件損傷破壞嚴重，部分區(qū)域有錨桿脫落現(xiàn)象，需要對支護技術(shù)進行優(yōu)化。針對80807回風(fēng)順槽的頂板下沉與支護體失效問題，首先要進行該類托頂煤巷道的圍巖穩(wěn)定性分析。以該工作面的實際地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，建立FLAC數(shù)值模擬中先后進行地應(yīng)力平衡、回風(fēng)順槽開挖、相鄰工作面回采3個步驟，研究無支護條件下的托頂煤巷道變形特征。為盡可能與實際相符合，煤巖層采用摩爾-庫倫材料；工作面開挖時，將垮落帶（煤層上方17.1m）的煤巖層全部改變?yōu)閼?yīng)變硬化材料。不同階段的巷道變形及圍巖應(yīng)力分布如圖2所示，由圖2可知：(1）由于回風(fēng)順槽所處埋深較大、煤層較軟，巷道不支護會造成頂板大面積下沉，煤層頂板下沉量遠大于堅硬底板鼓起量；(2）回風(fēng)順槽頂板圍巖應(yīng)力降低區(qū)域平均范圍為10m～15m，是幫部（5m左右）的2倍以上，頂板下沉和破壞是主控因素；(3）回風(fēng)順槽整體處于煤層中，圍巖變形呈現(xiàn)“整體性”和“頂幫同步性”，具體變形大小為頂板>煤柱幫>非煤柱幫>底板；(4）相鄰工作面開挖過后，回風(fēng)順槽頂幫塑性區(qū)完全貫通，頂板以拉破壞或拉剪破壞為主，幫部以剪破壞為主，頂板圍巖更加難以控制。上述結(jié)論顯示，托頂煤巷道的頂板支護是其圍巖變形控制的重點，有必要對頂板的支護形式及參數(shù)匹配性進行研究。2屋頂維修技術(shù)的適應(yīng)性分析2.1錨索支護下頂板下沉量當(dāng)前托頂煤巷道的主流支護方式有錨桿、短錨索（4m～6m）、長錨索（6m～12m)圖3展示了不同長度支護體對于回風(fēng)順槽的頂板控制效果，從頂板下沉量可以看出：(1）采取支護后圍巖變形得到控制，支護后頂板下沉量相較于無支護條件下減少了460mm～590mm;(2）在間距大于錨桿的條件下，錨索支護下的頂板下沉量僅為錨桿支護時的75%左右，表明錨索對煤層頂板的控制效果更好；(3）對比左右2組圖片，位于巖層頂板的錨固層（即4m以上支護體）的圍巖控制能力更好，錨索支護增強了托頂煤頂板的整體性和承載能力。綜上，2種支護技術(shù)中，錨索支護對托頂煤巷道頂板的控制效果更好。2.2錨索預(yù)應(yīng)力對頂板的控制效果由于礦山4m和7m錨索儲備較多，模型主要選取這2種長度的錨索進行對比，采用的預(yù)應(yīng)力分別為80kN～180kN和200kN～280kN（見表2）。模擬主要研究長、短錨索的預(yù)應(yīng)力擴散情況，因此，模型中排除原巖應(yīng)力和重力的影響。錨索對于圍巖的控制作用主要體現(xiàn)在：預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)化為圍巖中的附加壓應(yīng)力，從而提高圍巖的強度和整體性。在巷道中部頂板上方每隔2m設(shè)置一個測站，監(jiān)測2種支護條件下的壓應(yīng)力分布，結(jié)果如圖4所示。通過對比10組不同預(yù)應(yīng)力條件下的頂板壓應(yīng)力分布，可以看出當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力提高時，圍巖中的壓應(yīng)力分布均不同程度升高，對頂板的控制能力更強。其中，短錨索對于0～2.8m頂板的控制效果更好，但3m以上的頂板區(qū)域壓應(yīng)力迅速衰減；而長錨索對頂板的控制效果更均勻，壓應(yīng)力影響范圍超過10m以上，但對0～1m處的淺層頂板控制效果較差，且峰值壓應(yīng)力127.5kPa～177.1kPa也小于短錨索的161.8kPa～327.0kPa。上述結(jié)論表明，單獨采用某一種長度的錨索時，僅靠提高預(yù)應(yīng)力無法同時有效控制淺部和深部頂板，需要進行組合支護。3托頂式煤路全錨防護結(jié)構(gòu)與效果分析3.1兩種支護方案下頂板下沉量對比模擬中巷道每排采用6根4m短錨索、3根7m長錨索，沿巷道軸向交替布置，排距為1000mm。4m和7m錨索分別采取表3所示4種大小不同的預(yù)應(yīng)力進行正交試驗，共計16組。模擬采取2種方法：（1）無地應(yīng)力、重力條件下，監(jiān)測掘進后巷道中部10m范圍內(nèi)頂板的平均壓應(yīng)力大?。ㄓ嬎惴椒ǎ簤簯?yīng)力大小沿垂直方向積分之和除于10);(2）正常地應(yīng)力、重力作用下，監(jiān)測掘進、開挖后的巷道頂板中部下沉量并對比。第一種方案主要集中在理想情況下的錨索支護效果，第二種方案則更注重錨索支護應(yīng)對不同地質(zhì)條件下對頂板的變形控制能力。2種方案下的模擬結(jié)果分別見圖5、表3。圖5顯示，采用組合支護方式后，總體規(guī)律為頂板平均壓應(yīng)力大小隨著錨索的預(yù)應(yīng)力增長而升高。長、短兩種錨索預(yù)應(yīng)力同樣增大90kN時，頂板平均壓應(yīng)力分別升高43.6kPa和35.1kPa，這表明現(xiàn)場支護應(yīng)優(yōu)先提升短錨索預(yù)應(yīng)力。表3數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)這種規(guī)律：在長錨索預(yù)應(yīng)力一定時，頂板中部下沉量均隨短錨索預(yù)應(yīng)力而減小；而短錨索預(yù)應(yīng)力一定時，部分方案長錨索預(yù)應(yīng)力從260kN增大到290kN時頂板下沉量有上升趨勢。圖5中長、短錨索分別在260kN和110kN時，壓應(yīng)力曲面出現(xiàn)一個凸起（即數(shù)值升高），之后隨著預(yù)應(yīng)力升高頂板壓應(yīng)力降低后升高。上述結(jié)論表明，短錨索預(yù)應(yīng)力應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況盡量選取較大數(shù)值，而長錨索支護時預(yù)應(yīng)力應(yīng)盡量選取在260kN左右。3.2預(yù)應(yīng)力錨索的確定在數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上，擬在回風(fēng)順槽600m～1000m處進行工業(yè)性試驗。依據(jù)對圖5、表3的分析，長、短錨索預(yù)應(yīng)力分別確定為260kN和150kN，間排距保持不變；長、短錨索分別配合W型鋼帶和梯子梁使用，頂板額外加固兩層金屬網(wǎng)，最終支護方案如圖6所示。3.3頂?shù)装逡平俾示蜻M之后連續(xù)進行一個月的巷道變形監(jiān)測，礦壓數(shù)據(jù)如圖7所示。從圖7可以看出，巷道頂?shù)装逡平俾士傮w呈現(xiàn)“先快后慢”的趨勢。隨著時間增長，巷道變形逐漸增大，最后趨于定值，掘進期間的頂?shù)装宸€(wěn)定相對移近量為64.96mm。相較于原支護方案出現(xiàn)的頂板劇烈下沉問題，本方案使得巷道圍巖控制得到極大改善，支護效果良好。4托頂煤巷道錨索組合支護試驗本文以晉北某礦80807工作面托頂煤回風(fēng)順槽為研究背景，分析研究了其面臨的工程問題，得到如下結(jié)論：(1）基于FLAC(2）通過數(shù)值模擬研究了錨桿/錨索不同長度、預(yù)應(yīng)力下的頂板下沉量和支護效果，得出托頂煤巷道的錨索支護效果更好，但單一長度的錨索無法同時控制淺部和深部頂板，需要進行組合支護。(3）對