大断面煤巷巷宽效应及支护技术

2022-09-11

引言

随着社会对煤矿资源的需求不断增加,煤矿开采的规模也在逐渐增大,当前煤层中的资源成为比采煤,然而,由于煤层深部的高应力区煤巷压力较大,容易引发变形等不良现象,为煤巷的支护工作带来了巨大的挑战[1],为了使煤矿深部高应力区的支护具有稳定性和坚固性,需要采取先进的支护技术解决巷道变形、失修等问题。因此,本文结合大断面煤巷巷宽效应及支护技术进行分析具有一定的现实意义。本文将以我国某煤矿工程作为背景,结合其相关数据进行分析,通过数值模拟、现场试验等方式对该工程大断面巷道变形的加固技术进行具体阐述。

1.案例分析

我国某地煤矿煤层深度待到280米左右,煤层的厚度约12米,该工程中,直接顶是厚度为1.5米的砂质泥岩,直接底是厚度为1.8米的砂质泥岩,老顶是厚度为7米左右的中粗砂岩。详细参数如表1所示:

2.模拟该工程中围岩变形、破坏

(1)测线布置以及数值模型方案

该方案中,需要将巷高设置为4米,巷宽设置为5米,步距设置为0.8米,结合工程的实际情况建立模型,方案中详细的参数可见表2。

(2)塑性区分布情况

为了能够更加直观的体现围岩塑性区分布,通过模拟 3米、4米、5米、6米的巷宽进行具体分析,如果增加巷宽,围岩塑性分布形态基本相同,通常表现为底部和顶部以及左右两侧为半椭圆形。另外,该围岩四塑性的浅部为拉塑性,深部使=为剪切塑性,并且其深度和整体面积随巷道宽度的增加而增加[2],同时,该围岩塑性区的面积和深度呈:底板<左右两侧<顶板。

(3)该工程变形情况

通过模拟该工程塑性区、测线布置以及数值模型等,能够看出,煤巷巷宽中顶部、底部以及左右两侧的深部的变形曲线,都呈现深部小于浅部的特点,并且具有一定的规律性,越靠近深部方向越小。另外,如果巷宽持续增加会导致围岩的变形几率越来越大,并且变形的趋势具有一定的规律性,呈底板小于左右两侧小于顶板规律。与此同时,如果巷道的宽度大于6米,此时顶板的曲线离散则都会相应增加[3]。由此可见,如果该工程中持续增加巷宽,到达一定程度后,顶板会存在变形临界值,如果超出临界值,会导致围岩变形严重难以控制。

通过上文阐述可以看出,在不同巷宽表面变形对比过程中,围岩的稳定性与巷宽以及表面变形之间存在必然的联系,其中包括:如果巷道表面以及围岩同时增加,则变化规律不同,如果巷宽宽度相同,表面位移最大,底板小于左右两侧小于顶板。由此可见,巷宽的增加对顶板有明显的影响。

(4)左右两侧支承重力情况

左右两侧的作用是为顶板承重,结合上文分析可得,巷宽的增加会影响左右两侧的稳定性,也就是随着巷宽的增加,左右两侧的承重能力会明显下降,但是深部的承重力会相应增加,另外,随着巷宽增加承重力最大值会相应增加,并且会持续向下转移。结合这一特征可以看出,如果该工程增加巷宽,会使顶板的压力全部施加在左右两侧,而浅部的承重能力越来越低,充分说明左右两侧的浅部围岩已经逐渐呈破碎状态[4],因此,该工程中,需要尽量避免左右两侧片落,导致顶板增加宽度。

3.控制大断面煤巷的基本原理

(1)科学采取支护技术

该工程中的煤体呈裂隙发育状态,如果巷宽增加,会导致煤体产生节理引发滑动现象,从而使煤体出现崩裂情况,想要提高煤体的强度,可以通过高强支护措施,想要避免煤体崩裂出现滑动现象,可以通过高预紧力支护措施[5]。由此可见,通过及时采取支护措施,能够有效增强煤体的强度和刚度,另外,支护技术还能够减少巷道的变形,充分提高围岩的稳定性,只有充分做到这三个方面,才能够使得卸荷后煤体恢复三向应力的良好状态。

(2)通过桁架锚索优化顶板岩梁锚固

如果巷道增加宽度,极其容易导致顶板岩层超过锚杆的可锚固范围,因此使得顶板变形或破坏的范围超过锚固范围,从而为岩层控制带来挑战性。想要避免这一问题,需要通过具有科学性的支护技术加强其稳定性。首先需要从桁架锚索的工作特点入手,结合大断面煤巷围岩控制工作具体特征进行分析,如果通过桁架锚索对顶板采取支护措施具有以下几点优势:第一,能够完善顶板的结构,使顶板岩层结构更加稳定。第二,能够将顶板中容易出现的变形或破坏通过预应力挤压区全部抵消。第三,将肩角稳定区作为桁架锚索锚固的核心,会减少冒落拱带来的负面影响[6]。第四,通过桁架锚索,能够将顶板的封锁,从而对顶板起到兜护的作用。除此之外,如果巷道通过桁架锚索支护技术,会使得顶板的锚固区中煤岩形成一个可以运动的梁,通过高预应力支护方式,会使围岩的中性轴向下移动,从而减少顶层岩层的弯拉应力,达到保护顶板岩层的良好效果,同时还可以保证锚固区域中的围岩能够处于压应力状态,从而提高岩层的整体稳定性。

(3)锚索附加应力空间

在卸荷过程中,大断面煤巷中的围岩会逐渐失去三向应力状态。因此,只有充分保证其状态,才能够控制围岩由于变形,从而减少失稳带来的危害,因此,本文通过模拟桁架锚索以及锚杆预应力场,对锚杆索度附加力空间的结构进行分析,通过模拟结果可以看出:锚杆的预应力和桁架锚索互补效应,二者能够在围岩中形成一个空间预应力网,并对冒落拱的范围进行覆盖。另外,形成的预应力网会持续叠加,从而会形成一个预应力骨架,为承载能力的持续增加奠定了基础[7]。除此之外,形成的预应力骨架,对提高围岩的稳定性和牢固性有重要作用,使得围岩增加抗变形能力,有效减少围岩失稳带来的一系列事故问题。

4.该工程中围岩的支护技术

结合上文的分析,本文对该工程的围岩支护技术进行模拟和分析,并确定支护的具体参数。

第一,顶板支护技术,可以选择6根左旋无纵筋扩文刚高强锚杆,并且,通过逐根加长锚固的方式进行排距,距离可设置为12米×12米。

第二,工作面巷帮支护技术,可以选择三根全螺纹式玻璃纤维树脂锚,并且每根锚都要增加树脂加长锚固进行排距,间距设置为12米×12米。

第三,煤柱帮支护技术,可以选择三根左旋无纵筋扩文刚高强锚杆,并且每根锚都要增加数值加长锚固,间距可设置为12米×12米。

第四,顶板加强支护技术,此方法需要选择桁架锚索方式,并且每根锚索都要设置预应力,间距可设置为22米×20米。

第五,顶板铺设菱形的金属网,宽和长分别为12米和54米,左右两侧也要铺设菱形金属网,长宽分别为12米和48米。靠工作面需要铺设高强塑料网,宽度需要设置为2米。

5.结语

综上所述,近年来,随着我国社会经济的持续发展,人们对煤矿资源的需求量也日益增加,使得煤矿开采的规模越来越大。并且煤矿开采深度也持续增加。在带来巨大的社会效益和经济效益的同时,也为围岩控制带来了难度,因此,本文通过对大断面煤巷巷宽效应及支护技术进行分析,为提高围岩稳定性奠定基础。

摘要：随着我国经济的飞速发展,煤矿行业的开采规模也在逐渐扩大,其相关设备也向着大型化趋势发展,使得煤巷巷道的面积越来越大,然而,由于大多数煤巷巷道都需要布置在煤层中,并且煤层物理学性质相对较差,导致对围岩的控制增加了挑战性,通常巷道面积增大需要通过增加巷道宽度来实现,因此,巷宽成为大断面煤巷中能够控制矿压显现的重要因素,基于此,本文通过对大断面煤巷巷宽效应及支护技术进行分析,并结合实际案例进行阐述,希望能够为相关人员提供参考和借鉴。

关键词：大断面,屋顶煤,煤巷,支护,支撑压力