矿井掘进工作面顶板支护研究_左泽云.pdf

矿井掘进工作面顶板支护研究左泽云（晋能控股煤业集团宏泰矿山工程建设大同有限公司，山西大同037000）摘要：为了解决掘进过程中顶板下沉量大的问题，以马道头煤矿为研究对象，对顶板支护进行一定的研究，利用数值模拟软件对无支护条件下巷道围岩应力位移情况进行分析，根据模拟结果给出三种支护方案，对比三种支护方案，发现方案二下巷道顶板下沉量最小，所以对方案二进行应用分析，发现经过对顶板支护的优化不仅可以改变顶板的受力情况，同时可以降低两帮移近量。关键词：数值模拟顶板下沉支护优化中图分类号：TD327.2；TD353文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0266-03引言我国资源储量丰富，但整体赋存不均，煤炭资源作为我国重要的化石能源，其在我国储量较多。据统计我国煤炭资源的消耗在一次能源占比中超过 7 成，同时由于国际形势的影响，在我国未来很长一段时间，煤炭资源仍是开采重点，其在我国国民生产生活中的作用不可替代。在煤炭资源开采过程中，由于浅部煤层逐步开采完毕，此时开采重点不得不向中深部转移，这就使得巷道变形量加大，巷道围岩支护困难，所以基于以上问题，煤矿常常通过增加支护密度来实现控制巷道稳定的目的1-2，采取此方法虽然能够取得一定效果，但增大支护密度会造成支护成本增加，同时采掘接替紧张也成了不可回避的问题，所以合理地支护不仅能够在最小支护成本基础上保障安全，同时也可以解决煤矿采掘接替紧张的问题3-4。本文以马道头煤矿为研究背景，对掘进工作面支护进行研究，为矿井掘进安全提供参考，未矿井降本增效做出贡献。1马道头矿 8403 工作面概况马道头 8403 工作面位于北四盘区中部，贯穿盘区东西，两条顺槽方位 275，东部为北四盘区三条大巷，北侧为实煤区，南侧为回采中的 8404 工作面，保护煤柱 35 m，西侧铁路保护煤柱。根据资料显示，8403 掘进工作面大部分为 35 号煤层合并区，局部分层。煤 层 赋 存 稳 定，厚 度 大，煤 层 厚 度 为16.4322.55 m，平均 19.32 m。夹杂 38 层黑色泥岩，厚度 0.11.59 m，平均 0.55 m。掘进工作面煤层倾角较缓，平均 4左右，整体倾向西北。受中部向斜构造影响，煤层从巷道开口开始逐渐下降，至里程 1 600 m处后逐渐抬升，较为平缓。该矿回采巷道一致采用沿底掘进留顶煤掘进方式，但在回采 8403 工作面时采用沿顶掘进留底煤的方式，由于缺乏经验，所以造成巷道支护密度大，采掘接替紧张，因此需要对工作面运输巷进行支护优化，从而保障矿井利益。首先进行模型建立，根据 8403 运输巷地质资料，建立长宽高分别为 50 m20 m35 m 的模型，掘进断面尺寸为长宽=5 000 mm3 300 mm，对模型进行网格划分，在划分网格时需要保障模型的计算精度及计算效率，所以仅在掘进断面进行细化分，在其余区域进行适当的粗划分。对模型的边界条件进行设置，限制模型水平及垂直方向的位移，在模型的上端根据覆岩的容重及厚度施加 9.8 MPa 的均布荷载，模型本构关系选用摩尔库伦模型，完成模型的建立。首先对无支护条件下巷道围岩变形及应力分部情况进行模拟研究，模拟云图如图 1 所示。收稿日期：2022-05-30作者简介：左泽云（1993），男，山西大同人，本科，助理工程师。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.1071-1巷道应力（Pa）1-2巷道位移（mm）图 1无支护条件下模拟云图7.9023E+0400000E+00-1.0000E+06-2.0000E+06-3.0000E+06-4.0000E+06-5.0000E+06-6.0000E+06-7.0000E+06-8.0000E+06-9.0000E+06-1.0000E+07-1.1000E+07-1.2000E+07-1.2227E+072.7685E-022.0000E-021.0000E-020.0000+00-1.0000E-02-2.0000E-02-3.0000E-02-4.0000E-02-5.0000E-02-6.0000E-02-7.0000E-02-8.0000E-02-9.0000E-02-9.3400E-02技术应用2023 年第 2 期从图 1 可以看出，巷道开挖后，此时在顶底板位置应力值较小，应力值远低于原岩应力，所以在此位置容易出现卸压现象，造成顶板出现拉剪破坏。随着距离顶底板距离的增大，此时垂直应力呈现逐渐增大的趋势，可以得出在巷道开挖后此时巷道周边应力重新分布后，围压降低，使得岩石强度降低，顶板容易发生离层、下沉。在巷道两帮位置出现一定的应力集中，应力集中区域为深蓝色区域，最大应力为 13.8 MPa，超过原岩应力，造成两帮出现一定的破坏。所以在支护方案下巷道顶板下沉量较大。2支护设计方案对支护方案进行设计，根据实际情况，确定三种支护方案。方案一：顶板锚杆螺纹钢，尺寸为 20 mm2 400mm，顶板锚杆的间排距设定为 900 mm、1 000 mm，每排设计 6 根锚杆，边部锚杆距离帮部 250 mm。同时采用尺寸为 21.8 mm6 500 mm进行补强支护，锚索安设在巷道两侧。在巷道两帮采用 20 mm2 400mm的螺纹钢锚杆，两帮锚杆间排距为 900 mm、1 000mm，顶底板锚杆距离顶底分别为 300 mm，每排布置 4根帮锚杆。方案二：顶锚杆同样采用螺纹钢锚杆，尺寸为20 mm2 400 mm，锚杆间排距为 900 mm1 000mm，每排 6 根，托板采用 120 mm120 mm10 mm的钢板。顶板锚索为 18.9 mm5 300 mm 钢绞线，锚索的间排距为 2 000 mm、2 000 mm，最外两根锚索分别距离帮部 1 500 mm，托板尺寸为 300 mm300mm14 mm。两帮采用 20 mm2 400 mm螺纹钢锚杆，两帮间排距与顶板锚杆间排距相同，每排 4 根。方案三：纯锚杆支护，顶锚杆采用螺纹钢，尺寸为20 mm3 000 mm，锚杆的间排距同样为 900 mm1 000 mm，托板为 120 mm120 mm10 mm钢板。帮锚杆采用 20 mm2 400 mm 螺纹钢锚杆，每排 4根，间排距设定为 900 mm、1 000 mm。3不同支护方案效果对比对三种支护方案进行对比研究，三种支护方案下顶板下沉曲线如图 2 所示。从图 2 中可以看出，经过支护后巷道顶板的下沉量较未支护时有了明显的下降，在无支护条件下，此时巷道的顶板下沉量最大值为 90.2 mm；在选定支护方案一时，此时的顶板下沉量最大值下降为 35.6mm，下降了 54.6 mm；在选定支护方案二时，此时的顶板下沉量最大值下降为 26.1 mm，相比方案一降低了9.5 mm；选定支护方案三时，此时的顶板下沉量最大值为 29.3 mm，相比方案一下降了 5.7 mm。所以综合分析可以得出，在选定方案二时，此时的整体支护效果较佳，巷道顶板下沉量得到有效的控制。对支护方案进行效果分析，验证其支护效果，在巷道表面布置了两个监测断面，监测断面分别命名为断面 1 和断面 2，采用十字交叉法测量顶底板和两帮变形量。断面 1 和断面 2 处巷道顶板及两帮变形情况如图 3 所示。从图 3 看出，巷道顶板及两帮变形量随着监测天数的增加，呈现逐步增大的趋势，断面 1 和断面 2 的监测最大顶板下沉量分别为 62 mm和 73 mm，根据先前支护方法运输巷最大下沉量为 95 mm，所以经过支护优化后此时的两个断面下沉量均得到一定的改善。同时观察变形曲线可以看出，在监测天数 21 d 前巷图 2三种支护方案下顶板下沉曲线3-1巷道顶板3-2巷道两帮图 3巷道顶板及两帮变形曲线90807060504030201001234距离巷道顶板位置/m最大下沉量/mm无支护方案一方案二方案三1009080706050403020100142128609007监测天数/d顶板下沉量/mm断面 1断面 2原支护02033425362627373736146313557738095951009080706050403020100两帮移近量/mm断面 1断面 2原支护252732283550496570768585909085505046142128076080100监测天数/d左泽云：矿井掘进工作面顶板支护研究267机械管理开发第 38 卷道顶板下沉速度较大，而在 2160 d 内，巷道顶板下沉曲线增大趋势减缓，而监测时间超过 60 d 时，此时的巷道顶板下沉量得到稳定。观察巷道两帮移近量曲线可以看出，断面 1 和断面 2 最大的两帮移近量分别为 50 mm 和 85 mm，较原支护最大移近量 90 mm 也有了一定的下降，所以经过对顶板支护的优化不仅可以改变顶板的受力情况，也可以降低两帮移近量。4结论1）对无支护条件下巷道围岩应力位移情况进行分析，发现在无支护情况下巷道顶板及两帮变形较大。2）根据地质情况给出三种支护方案，通过对三种支护方案进行对比分析，发现方案二下巷道顶板下沉量最小。3）对方案二进行应用分析，发现经过对顶板支护的优化，不仅可以改变顶板的受力情况，还可以降低两帮移近量。参考文献1闫大利.煤矿掘进巷道顶板事故预防及断面优化研究J.矿业装备，2022（2）：56-57.2卓军，范凯，刘少伟，等.弱黏结复合顶板巷道快速掘进支护关键技术与装备J.煤炭技术，2022，41（3）：80-82.3房博.浅谈煤矿掘进巷道的顶板支护技术 J.中国设备工程，2022（3）：218-219.4任德勇.矿山工程矿井下巷道掘进顶板支护技术质量研究J.中国石油和化工标准与质量，2021，41（20）：184-185.（编辑：王慧芳）Study on Roof Support of Mine Heading FaceZuo Zeyun（Jinneng Holding Coal Group Hongtai Mining Engineering Construction Datong Co.,Ltd.,Datong Shanxi037000）Abstract:In order to solve the problem of large roof subsidence during tunneling,this paper takes madoitou coal mine as the researchbackground to study the roof support,analyzes the stress and displacement of roadway surrounding rock under the condition of no supportby using the numerical simulation software,gives three support schemes according to the simulation results,compares the three supportschemes,and finds that the roof subsidence of roadway under scheme two is the smallest,so the application analysis of scheme two iscarried out.It is found that the optimization of roof support can not only change the stress of roof,but also reduce the displacement of twosides.Key words:numerical simulation;roof subs