工作面開切眼與順槽交叉口頂板穩定性分析及加強支護范圍的確定

張志青，宋選民

（太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024）

工作面開切眼與順槽交叉口頂板穩定性分析及加強支護范圍的確定

張志青，宋選民

（太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024）

針對某大型礦井工作面順槽與開切眼的現場條件，采用數值計算方法，研究順槽與開切眼交叉口頂板的應力場和位移場分布特征，確定二次應力場疊加的影響范圍及大小，并據此確定頂板加強支護范圍及支護強度。研究結果表明：在交叉口頂板高度的煤體中形成了一定范圍的圍巖破壞區域，并在深部形成了應力集中帶,鉛垂應力分布圖表明，在交叉口頂板上存在一個三邊都為弧形的三角形卸壓區域；交叉口處鉛垂位移在頂板高度水平上在中央的鉛垂位移最大，往四周方向延伸逐漸減小，直到煤體深部為零為止。因此建議：交叉口加強支護的范圍應采用錨網支護，在圍巖較破碎情況下建議采用錨網+W鋼帶+鋼筋梯梁等措施聯合支護，此處應加大錨桿支護的深度和密度；如果需要，應采用單體支柱之類的措施進行加強支護。

開切眼；順槽；交叉口；穩定性；數值計算

巷道頂板的支護問題是煤礦安全生產面臨的主要問題；長期以來，各種回采巷道因支護不當造成冒頂、底鼓、片幫、巷道斷面收縮過大等問題曾出不窮[1-8]。普通單個巷道由于巷道的開挖造成了應力場的二次分布，工作面開切眼和順槽交叉口處是二次應力場的疊加部位，其圍巖力學性質惡化，頂板的穩定性較差，這給工作面的安全生產帶來一系列困難，阻礙了礦井的高效生產[3-13]。為了確定某大型礦井工作面交叉口頂板圍巖的加強支護區域，本文利用大型數值計算軟件，分析開切眼和順槽交叉口處的頂板應力分布特征和位移分布特征，確定交叉口的頂板危險區域及其加固范圍，研究成果可為礦井安全支護和安全生產提供理論依據。

1 數值計算模型的建立

依據礦井地質條件，通過現場取芯，并在巖石力學實驗室測定巖石的物理力學參數，交叉口的巖石力學參數，如表1所示。

根據該礦井工作面的生產條件和數值計算的建模原則[14]，認為交叉口模型是對稱圖形，只建立其一半模型，利用對稱模型的計算方法求解。整個模型的長70m、寬30m、高45m，其中順槽寬度5.5m，開切眼寬度6m（建模取寬3m），順槽和開切眼的高度都為3.5m。模型共分51408個六面體單元，共有55900節點。整體計算型示意圖，見圖1。模型除上邊界外的五個邊界面的法向位移固定，上邊界施加6.63m P a的均布壓力，并施加重力場。

表1 數值計算巖層分布和物理力學參數表

圖1 整體計算模型

計算過程中，首先進行初始應力場的平衡，在本次計算中認為初始應力場為自重應力場，隨后進行順槽的開挖，最后進行開切眼開挖。

2 交叉口頂板的穩定性分析

為了掌握初始應力場的分布情況，繪制了初始應力場中鉛垂應力云圖，見圖2。

圖2 初始應力場

從圖2可看出，初始鉛垂應力從上往下是逐漸增大，在同一個高度層位鉛垂應力的數值是相同的，這種分布和靜水壓力的規律一致。整個數值計算中，首先要讓模型平衡，得到初始應力場；隨后開挖掉順槽部位的模型，等計算平衡后，再開挖工作面開切眼部分，重新計算至平衡。

了解頂板的穩定性，先應該了解頂板的應力分布規律和變形情況，尤其是鉛垂應力分布規律和頂板的下沉量。為此，繪制了頂板表面附近圍巖的鉛垂應力分布規律圖和頂板下沉量分布規律圖。

交叉口頂板的鉛垂應力云圖及鉛垂應力分布三維圖見圖3和圖4。從圖看出，鉛垂應力在交叉口中央處最小，（接近零），往四周方向延伸逐漸增大：在煤體內部一定范圍內達到最大值，隨后減小，直到和原巖應力相同為止。這表明在頂板高度的煤體中形成了一定范圍的圍巖破壞區域，并在深部形成了應力集中帶。鉛垂應力分布圖表明，在交叉口處頂板上存在一個三邊都為弧形的三角形卸壓區域。

交叉口頂板的鉛垂位移云圖及鉛垂位移分布三維圖見圖5和圖6。從圖可知，鉛垂位移在頂板高度

圖3 巷道頂板水平面鉛垂應力云圖

圖5 巷道頂板水平面鉛垂位移云圖

圖6 巷道頂板水平面鉛垂位移分布三維圖

圖4 巷道頂板水平面鉛垂應力分布三維圖水平上中央的鉛垂位移最大，往四周方向延伸逐漸減小，直到煤體深部為零為止。頂板的鉛垂位移可以明確反應頂板的下沉量，頂板的鉛垂應力則可反映頂板的受力狀況。從交叉口處頂板的應力分布和位移分布情況來看，拐角處的卸壓區域較大，圍巖也較破碎，應力集中主要表現在拐角處煤體的深部，頂板的下沉最大處在交叉口的中央部位。

針對交叉口頂板的受力和變形特性，在工作面開切眼和推進中，應對交叉口頂板進行加強支護，加強支護的范圍應為頂板巖層的卸壓區域及頂板下沉量嚴重的區域，應采用錨網支護；在圍巖較破碎情況下建議采用錨網+W鋼帶+鋼筋梯梁等聯合支護，建議此處加大錨桿支護的深度和密度；如果需要，應采用單體支柱之類的工具進行加強支護。

3 結論

回采巷道的支護問題是采礦工程中較復雜難控制的問題之一；由于受巖層厚度、工作面埋深、地質構造、開采工藝、巷道尺寸及形狀等因數的影響，不同條件的礦井應采用不同的支護手段，但就工作面順槽和開切眼交叉口的總體研究情況來看，主要得到以下結論：1）在交叉口處頂板高度的煤體中形成了一定范圍的圍巖破壞區域，并在深部形成了應力集中帶。鉛垂應力分布圖表明，在交叉口處頂板上存在一個三邊都為弧形的三角形卸壓區域。2）交叉口處鉛垂位移在頂板高度水平上，交叉口中央的鉛垂位移最大，往四周方向延伸逐漸減小，直到煤體深部為零為止。3）交叉口加強支護的范圍應為頂板巖層的卸壓區域及頂板下沉量嚴重區域，應采用錨網支護，在圍巖較破碎情況下建議采用錨網+W鋼帶+鋼筋梯梁等聯合支護；如果需要，應采用單體支柱之類的工具進行加強支護。

[1]牛少卿，楊雙鎖，王志剛，寇永嘉.非均勻水平應力場中井壁結構的優化設計研究[J].山西大同大學學報(自然科學版)，2010，26(3):60-63.

[2]牛少卿.長壁開采三順槽圍巖控制理論技術研究[D].太原：太原理工大學，2011.

[3]王思紅，牛少卿，寇永嘉.松軟破碎硐室群圍巖穩定性數值分析[J].山西煤炭，2010，30(7):40-42.

[4]毛華晉，牛少卿，顏文艷.長壁開采條件下巷道三岔口穩定性研究[J]，山西煤炭，2011，31(1):39-41.

[5]楊雙鎖.煤礦回采巷道圍巖控制理論探討[J].煤炭學報，2010,35(11):1842-1853.

[6]田柯，田取珍.錨桿支護參數對巷道圍巖穩定性影響研究[J].山西煤炭，2011，31(5):44-47.

[7]余佳，史鵬飛.長壁開采三順槽錨桿軸力演化特征研究[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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TD353+.6

A

2011-09-27

張志青（1984—），男，山西原平人，碩士研究生，從事煤礦開采等方面的研究工作。

劉新光