厚煤層大斷面工作面的切眼合理支護技術研究

李鵬翔，路全寬，劉躍飛

（太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024）

厚煤層大斷面工作面的切眼合理支護技術研究

李鵬翔，路全寬，劉躍飛

（太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024）

根據山西某礦4號煤層賦存條件，結合其圍巖地質力學特征，運用FLAC-3D數值模擬軟件，研究了某礦大斷面切眼圍巖變形與應力分布狀況，提出了經濟合理、技術可行的支護技術方案，對類似條件的切眼支護具有一定指導意義。

切眼支護；數值模擬；圍巖應力

本文結合某礦大采高綜放工作面切眼的實際情況，采用數值模擬技術揭示了錨桿、錨索對大斷面切眼圍巖的控制作用，能為該礦首采工作面的開切眼支護提供一定依據。

1 煤層賦存條件及工作面概況

山西某礦4號煤層（俗稱丈八煤）位于太原組頂部，平均6.5 m，平均埋深450 m，是該礦主要采煤層，相應巖層力學參數，如表1所示。該礦設計生產能力500萬t/a，采用單一走向長壁采煤法、綜采放頂煤回采工藝。設計機采割煤高度3.5m，放煤高度3m，采放比為1∶0.86。首采為4201工作面，走向長2318 m，傾向長250m，工作面切眼為矩形斷面，凈寬8.0m，凈高3.5m，凈斷面面積28.0m2。

2 模型建立及數值模擬分析

根據煤層賦存特征及相似理論，模型長×寬×高=50 m×30 m×50 m，煤層厚6.5 m、上覆巖層厚28.5 m，底板巖層厚15m，巷道兩幫煤厚各21m。限制4個側面的水平位置，限制底部邊界的水平位移與垂直位移。巷道開挖之前，將計算的初始原巖應力作為載荷施加到模型上，垂直應力取上覆巖層容重，水平應力取垂直應力的1.1倍。整個模型共分107100個單元、114452個節點。在模型長度方向中部開挖開切眼，沿底板掘進留頂煤，切眼按設計尺寸掘進。

數值計算選用Mohr-Coulomb準則作為判斷巖體破壞與否的強度準則，模型開挖后按FLAC-3D默認精度進行求解。

表1 4號煤層及頂底板巖石力學參數表

2.1 切眼無支護時的圍巖變形分析

由于切眼斷面較大，當切眼掘進以后，頂煤及下位直接頂因彎曲、變形而發生離層現象。開切眼在無支護情況下，頂煤及頂板的變形主要表現為巷道淺部頂板煤巖層的彎曲下沉。從圖1看出，最大下沉量在X方向25 m處，即巷道中部處最大，下沉量達64.8mm，向兩幫側逐漸減小。距切眼頂4m內的頂煤及頂板具有顯著離層現象，淺部頂煤巖層具有組合梁特征。兩幫的變形主要表現為表層煤體的膨脹松動，從圖2看出，水平方向的位移主要發生在巷幫淺部煤體內，且以巷幫中部變形較大、兩幫相對移近量為66.8 mm，向兩側逐漸減小，煤體內1.5 m處的水平位移為表面位移的56.2%。可見，巷道兩幫煤體的變形以松動膨脹為主，并且主要表現為兩幫淺部煤體的整體位移。

圖1 無支護時垂直位置分布云圖

圖2 無支護時水平位置分布云圖

2.2 切眼無支護時的圍巖應力分析

圖3 無支護時圍巖塑性屈服特征分布圖

圖4 無支護時垂直應力分布云圖

從圖3看出，頂煤最大破壞深度1.8 m，兩幫最大破壞深度在巷道中線處，最大破壞深度2m。頂煤0.3 m以內及兩幫0.7 m以內，均為拉伸或剪切破壞，其它部位均為剪切破壞。這說明頂煤淺部及巷幫淺部離層最為嚴重，切眼開挖在無支護情況下，由于周圍煤巖體發生變形或破壞，頂煤、頂板巖層、兩幫淺部煤層的部分應力向周圍煤巖體轉移。出現應力降低區，應力向深部煤巖層轉移，從圖4看出，兩幫深部垂直應力集中達到最大值17.3MPa，若不進行有效的巷道支護，必然引起失穩或破壞。從圖3看出，巷道頂煤和兩幫煤體的淺部出現了拉伸破壞區域，由無拉應力準則可以判定，該區域為彎曲拉伸破壞的可能性較大。巷道的兩頂角處剪應力較大，從圖3中看出，在無支護情況下頂角圍巖存在剪切破壞區，所以頂角部錨桿應當采用傾向煤壁布置。依據無支護時的巷道圍巖數值模擬結果分析，參照本礦頂煤厚度及上覆巖層的物理力學性質，按照錨桿支護懸吊、組合梁理論，從無支護數值模擬結果可知：頂煤（板）破壞深度最大達2 m，兩幫破壞為1.8 m，本次設計頂錨桿、幫錨桿為端頭錨固；并為增強錨固效果，本次設計采用錨索補強，以增強錨固系統的懸吊作用。

2.3 切眼支護方案

通過無支護模擬結果、結合理論分析確定，4201工作面切眼支護模擬方案為：頂錨桿10根，錨桿類型Φ20 mm×3 000 mm，錨桿間排距80 mm×1 000 mm，錨固力設計為15t，預緊力為3t。錨索3根，錨索類型Φ17.8 mm×9 000 mm，錨索間排距2 000 mm×2000mm，錨固力設計為25t。幫錨桿4根，錨桿類型Φ20mm×2400mm，錨桿間排距800mm×1 000 mm，錨固力設計為10t，預緊力為3t。

2.4 切眼錨桿、錨索支護模擬結果分析

圖5 有支護時垂直應力分布云圖

圖6 有支護時圍巖塑性屈服分布圖

圖5為開切眼在錨桿、錨索聯合支護時的巷道圍巖位移分布情況；圖6為圍巖應力分布圖和巷幫塑性屈服分布圖。由圖看出，錨桿錨索的組合支護下，開切眼頂板的最大下沉量為33.4 mm，是無支護時情況下的51.5%；兩幫最大相對移近量為39.8 mm，是無支護情況下的59.5%。從圖5也可看出，煤壁破壞深度為0.7m。說明錨桿、錨索支護有效控制了巷道的變形，改善了圍巖的應力分布狀況，圍巖屈服得到有效控制，支護效果良好。

3 結論

（1）采用FLAC-3D軟件對山西某礦4201工作面的切眼進行了數值模擬分析，揭示了4201工作面切眼圍巖的垂直和水平應力分布規律，確定了圍巖變形特征和屈服范圍。（2）針對4201切眼無支護模擬結果分析、并參照工程類比法，提出了相應的支護參數，為該礦切眼支護參數提供了依據。（3）通過無支護模擬揭示了大斷面巷道的圍巖應力分布、屈服破壞的范圍，并提出了合理的支護方案，能為同類型巷道支護提供一定參考。

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Reasonable Support Technology for Cutting Holes on Large Cross-section Working Face in Thick Seam

LI Peng-xiang,LU Quan-kuan,LIU Yue-fei
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

Based on the geological condition of No.4 seam,combined with surrounding rocks'geological and mechanical features,using FLAC-3D numerical simulation software,the surrounding rock deformation and stress distribution around cutting holes were studied.An economical and feasible supporting design was presented,which is useful in the similar condition.

cutting holes support;numerical simulation;surrounding rock stress

TD355

A

1672-5050（2012）04-0056-03

2011-11-24

李鵬翔（1985—），男，山東濟寧人，在讀碩士研究生，從事煤礦開采方法及煤礦設計研究工作。

劉新光