松软煤帮巷道支护方案的比较分析.pdf

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1、2011年6月矿业安全与环保第38卷第3期松软煤帮巷道支护方案的比较分析卢学锋，张红军，钱自卫(1．山西煤炭运销集团阳城侯甲煤业有限公司，山西阳城048100；2．晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西晋城048000；3．中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州221116)摘要：软岩表现为长期流变、变形量大、来压迅速的工程性质，软岩巷道的支护一直以来都是一个难题。对赵庄矿井一示范超高松软煤帮巷道设计了4种支护模型，应用有限元数值模拟方法对各种支护模型的支护效果进行了比较分析，选择出最优的支护方式。巷道支护施工监测数据显示，数值模拟结果较为可靠，说

2、明数值模拟是进行巷道支护设计比较有效的方法。关键词：松软煤帮巷道；支护；数值模拟中图分类号：TD353文献标志码：B文章编号：1008—4495(2011)03—0045—03软岩是指单轴抗压强度在0．5—25MPa的松层强度低，节理、裂隙发育，所有巷道都采用超大断散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称，主要面，支护难度较大。赵庄煤矿示范巷道为煤帮巷道，包含3个方面的概念_】]：一是岩体的结构和所处主要服务于为3煤层开采，巷道在3煤层中掘进施的环境，表现为软弱、破碎、松散、高地应力等；二是工，3煤层平均厚度4．5m。巷道断面呈矩形，掘进岩体的物理

3、、化学和力学特性，表现为低强度、流变、宽度为5．4m，高度为4．5m，巷道断面积为24．3m，风化、膨胀等；三是围岩的工程特性，表现为长期流埋深530m左右，为超高松软煤帮巷道，支护较为变、变形量大、来压迅速等，即所谓的“难支护”。困难。软岩巷道的支护一直以来都是工程界的一个难2巷道工程地质环境题_4]。笔者以赵庄煤矿为背景，主要应用数值模拟的方法，探讨松软煤帮巷道变形破坏的特点，对多为了准确了解巷道围岩的工程地质性质，在巷种巷道支护方式进行比较分析，以此确定最优的巷道延伸方向共设计施工了3个测站对围岩强度进行道支护方式。测试。从3个测站的围岩强度

4、测试结果来看，井下巷道钻孔中测出的煤体平均单轴抗压强度集中在1工程概况12．9～15．4MPa。顶底板岩层岩性、结构、强度及岩赵庄矿井是一个现代化的矿井，井田范围内煤性描述见表1。表1顶底板岩层测试结果3不同支护方案的比较分析收稿日期：2010—11—24；2011—04—08修订作者简介：卢学锋(1969一)，男，山西长治人，助理工程3．1模型建立师，主要从事矿井建设技术与管理工作。为了了解巷道的变形破坏情况，比较各种不同·45·2011年6月矿业安全与环保第38卷第3期方案的支护效果，笔者主要利用数值模拟的方法，建表2巷道支护方案立数值计算模型

5、。模型以实际情况为基础，并进行类别支护方案图示抽象简化。应用摩尔一库伦准则，采用界面单元模拟岩层层面；采用锚杆单元模拟锚杆。模型模拟范模型无支护围长宽为120m×40．5m，共划分4998个单元，巷道断面大小以实际为准，模型顶面施加均布载荷P=12．5MPa来代替上覆厚500m的岩土层压力。采用应力边界条件，模型的上表面施加均匀的垂直、

6、压应力，两侧施加随深度变化的水平压应力，下表面垂直位移固定。数值计算模型见图1。锚杆支护，顶板6根锚杆．22mmx2000mm，排距1．0ri／：顶板2根锚索．模15．24mm~7000mm．：排距2．4m；两帮各

7、布置5根锚杆和2根锚索．帮锚杆锚索与顶锚杆锚索规格、排距相同图1数值模拟计算模型锚杆支护，顶板8根锚杆．22mm~2000mm，排距1．0m：顶板2根锚索，3．2模拟方案模qbl5．24mm~7000mm．为了对不同种的巷道支护方案进行比较研究，四排距2．4m；两帮各布置共设计了4种支护方案，见表2。模型中的锚杆与锚6根锚杆和2根锚索。帮索的参数按照现场实际的拉拔实验确定，锚杆抗拉锚杆锚索与顶锚杆锚索规格、排距相同极限为180kN，锚索极限破断力为250kN。围岩的力学参数根据相邻地区的岩层力学参数进行设定。3．3模拟结果分析无支护状态下(模型一)

8、，随着巷道的掘进，岩层原岩应力发生明显的重新分布，巷道顶板产生显著变形和离层，顶板下沉量为280mm，破坏深度为2．93m，巷帮水平移动量为826mm，煤层剪切破坏深度达4．2m左右，底板位移量58mm。由计算成果图2__4可知，采用模型三、模型四巷道顶板，m支护的巷道比无支护的巷道顶板位移量减小75％图2不同支护方式顶板垂直位移以上，两帮位移量减小90％以上，底板位移量减小10％以上，可见支护对于两帮与顶板的效果比较明显；比较模型三与模型四支护方式可知，在已经支护了一定数量的锚杆及锚索后增加锚杆的数量不会明显减小巷道的变形；模型三、模型四与模型二

9、支护方式相比顶板位移量减小20％以上，两帮位移量减小20％以上；而模型三相对于模型四支护方案更经济。图3不同支护方式底板垂