Numerical Simulation Research on Roof Control of Roadway in Excavation under Complex Conditions and Its Application
WEI Jing-xi,HUA Xin-zhu,LI Ying-fu
(School of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)
Abstract:In order to solve the difficult engineering problems of compound broken roof control of roadway in coal seam with large cross-section, limiting fast excavation and safe construction and roadway maintenance, optimal design of roadway cross-section and its support was performed by using FLAC3D numerical simulation. Technology of man-made arch cross-section with delayed support at some distance from roadway heading face was proposed. With the technology a good effect of 1510 meters of excavation development in one month was achieved. The technology provides guarantee for roof control in fast excavation of roadway.
Key words:compound broken roof; large cross-section; man-made arch cross-section; delayed support; roof control
近年来,随着矿井开采深度的增加,导致复合顶板破碎,使大断面巷道的受力状态逐渐变的复杂,容易出现顶板事故,影响巷道快速掘进,给安全施工和巷道维护带来了隐患[1-3]。尤其,随着综采、综放技术的应用和安全高产高效矿井建设的迅猛发展,采煤速度和掘进速度不匹配的问题日益突出,解决高地应力、复合破碎顶板、大断面下煤巷掘进的顶板控制技术显得尤为重要。而根据不同地质和生产技术条件进行顶板控制及施工方法的创新,可以改善巷道的围岩稳定性,提高支护效果,同时达到快速掘进的目的[4-6]。本文提出人造拱形断面及滞后迎头一段距离的弱化支护技术,为煤巷快速掘进顶板控制提供了保障。工业性试验地点选在刘庄煤矿121102工作面机巷南粤论文中心(WWW.NYLW.NET)进行。
1 生产技术条件
121102工作面机巷位于1水平E2采区,11-2煤可采,工作面四周及上下煤层均未开采。总体形态为一单斜构造,平均倾角为16°。老顶为细砂岩,顶板10.0 m处发育1条0.8 m的煤线,顶底板为岩性较弱的砂质泥岩(见图1)。
机巷掘进净断面为L=5 000 mm,H=4 000 mm。采用锚网索联合支护,每排布置15根锚杆, 顶板布置7根锚杆, 帮部布置8根锚杆; 锚索为17.8 mm预应力钢绞线制作,L=6 200 mm,排距为2 400 mm,每排3根,每个绞车窝施工一根锚索,每根锚索使用4卷Z2350树脂药卷,压板为350 mm×350 mm×10 mm及150 mm×150 mm×10 mm钢板各一块。
2 数值模拟与分析
2.1 建立模型
数值模拟能模拟岩体的复杂力学和结构特性,并对工程岩体稳定性进行预测和预报。而现有的力学理论、现场实测及物理模拟受很多方面的制约,难以达到所需的效果。因此,采用数值模拟能更好地解决采矿工程和其他岩土工程问题。根据具体的工程地质条件,建立相应的数学力学模型[7]。模型的岩石力学参数如表1所示。
2.2 巷道断面优化设计
121102工作面机巷沿11-2煤层的顶板掘进,机巷顶板为岩性较弱的复合顶板,由于复合顶板容易冒落,临时支护时间长,安全管理难度大,容易出现顶板事故,且留顶形成网兜,影响永久支护效率。为了破顶后顶板能有效承载、保持顶板完整,最适宜快速掘进,在顶板上开挖出一定的拱高,形成人造拱形断面。因此,数值模拟采用三种方案:方案1:拱形高度600 mm;方案2:拱形高度800 mm;方案3:拱形高度1 000 mm。
分析比较三种模拟方案在巷道掘进期间,离掘进迎头10 m处巷道的位移分布、应力分布及塑性区发育情况(见图2)。
对于方案1, 由于顶板弱结构岩层的影响, 巷道的应力集中、 围岩变形及塑性区深度都比较大。 采用方案2, 破除巷道顶板部分弱结构岩层后,使得巷道的应力分布得到优化,集中应力变小,巷道围岩变形破坏得到好转。方案3虽然弱化了顶板弱结构岩层对巷道围岩变形破坏的影响,但是由于巷道拱高的增加, 造成巷道整体高度加大, 使得巷道围岩变形加剧, 特别是两帮的变形增加较大。 因此, 巷道最优拱形高度确定为800 mm, 即采用方案2。
根据数值模拟分析,人造拱形巷道的最大水平应力达到18.3 MPa(见表2)。巷道两帮为岩性较弱的煤体,如果选择塑性区范围较大的帮部作为巷道支护的关键区域,将会产生很大的支护代价。可以把巷道顶板作为支护的关键区域,顶板中部作为支护关键点。先支护巷道顶板,然后支护两帮,并且对顶板进行加强支护,以减轻顶板对两帮的挤压,能够减少巷道两帮的变形和底鼓量。
2.3 巷道支护设计优化研究
(1) 巷道支护方法
为了有效控制复合顶板,同时实现掘进与支护的平行作业,模拟分析5种不同的巷道支护方法所引起的巷道应力分布、位移分布和巷道围岩塑性区发育情况,选择最优的巷道支护方法。
支护方法1:采用巷道掘进和支护同步进行,巷道支护紧跟迎头,不滞后支护;
支护方法2:先打顶板7根锚杆,最大控顶距不超过1.8 m;两帮8根锚杆滞后5 m支护;顶板中部的一根锚索滞南粤论文中心(WWW.NYLW.NET)后10 m支护,顶板两边的两根锚索滞后15 m支护;支护方法3:先打顶板7根锚杆,最大控顶距不超过1.8 m;两帮8根锚杆滞后8 m支护;顶板中部的一根锚索滞后15 m支护,顶板两边的两根锚索滞后20 m支护;
支护方法4:先打顶板7根锚杆,最大控顶距不超过1.8 m;两帮8根锚杆滞后10 m支护;顶板中部的一根锚索滞后20 m支护,顶板两边的两根锚索滞后25 m支护;
支护方法5:先打顶板7根锚杆,最大控顶距不超过1.8 m;两帮8根锚杆滞后15 m支护;顶板中部的一根锚索滞后25 m支护,顶板两边的两根锚索滞后30 m支护。
(2) 最优支护方法的选择
在巷道掘进不同距离时,沿巷道轴向4 m处(见表3)。如果采用“支护方法5”,当巷道掘进18.4 m时,沿巷道轴向4 m处,顶底板位移突然增大为1 094.5 mm,说明巷道顶底板位移很大,如果不采取及时补强支护,极有可能会发生坍塌。采用“支护方法1”不能实现掘进和支护同时进行,制约了快速掘进的速度。其他三种支护方法的顶板和帮部塑性区深度在1.0~1.8 m和1.6~2.0 m范围内,都在锚杆的锚固范围内。综合考虑,通过研究顶板锚杆的承重分布规律,区分主要承载锚杆,非主要承载锚杆,“支护方法4”比其他两种支护方法对巷道掘进工序的影响程度都小,既能有效控制顶板的下沉,又能最大限度的实现掘进与支护同时进行,提高了掘进效率。 (责任编辑：南欧)转贴于南粤论文中心: http://www.nylw.net(南粤论文中心__代写代发论文_毕业论文带写_广州职称论文代发_广州论文网）
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复杂条件煤巷掘进顶板控制数值模拟及应用
来源：南粤论文中心(WWW.NYLW.NET) 作者：魏敬喜 发表于：2010-11-30 16:07 点击：次
【关健词】复合破碎顶板;大断面;人造拱形断面;滞后支护;顶板控制
摘 要:为了解决刘庄煤矿大断面煤巷复合破碎顶板稳定性难于控制,制约快速掘进,影响安全施工和巷道维护这一重大工程问题,运用FLAC3D数值模拟分析,对巷道断面和支护进行优化设计,提出人造拱形断面及滞后迎头一段距离的弱化支护技术,实现了最高月掘进1 510 m的好成绩,为煤巷
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