机载临时支护对煤巷顶板稳定性影响数值模拟探究

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1、机载临时支护对煤巷顶板稳定性影响数值模拟探究　　摘要：掘进迎头临时支护安全问题是困扰煤炭生产多年的一项技术难题。根据我国煤巷机械化掘进现状及余吾煤业具体巷道条件，采用数值模拟方法研究煤巷掘进过程中机载临时支护对煤巷顶板的稳定性影响，得出机载临时支护结构因其较大的初撑力，使最大主应力峰值向巷道表面转移，降低了围岩深部应力集中且顶板沉降得到有效控制。建议煤巷施工采用机载临时支护方式，保证巷道安全快速掘进。关键词：机载临时支护，顶板稳定性，数值模拟，煤巷中图分类号：TD353文献标识码:A文章编号：0引言随着高产高效采煤机械在我国煤矿生产中的使用，从

2、过去单纯追求巷道工程量少，向多开煤巷、少开岩巷方向转变。煤巷锚杆、锚喷和锚杆网支护技术的研究与完善,6更有利于煤巷的大量开掘。尽管工作面日推进速度大大加快，但巷道掘进速度慢常导致准备工作面时间相对较长，造成采掘接替日益紧张，采掘问题失调成了很多大型矿井的当务之急［1-2］。高效掘出所需要的准备巷道对煤矿实现高产高效生产有重要的意义，也是煤矿生产者一直追求的目标。实际上对于综掘施工，可充分利用掘进机作为载体，将综掘机与前探支护融为一体，通过综掘机液压系统提供的动力实现临时支护，从而用机载超前支护系统代替原临时支护［12］。国内有些地区已经开始要求

3、煤矿在购买掘进机时需配置临时支护装置。鉴于目前机载临时支护对顶板稳定性影响的理论研究尚落后于实践，作者对余吾煤业S1202工作面胶带顺槽机载临时支护对巷道顶板稳定性的影响进行了数值模拟分析，以此对工程施工进行指导，保证巷道使用安全和实现快速掘进。1工程概况余吾煤业井主采二叠系下统山西组3#煤层，平均埋藏深度550m～600m，最大埋深大于800m。煤层5.00m～7.25m。S1202工作面胶带顺槽沿3#煤底板掘进，老顶为细粒砂岩，厚度为0～13.99m，灰白色，巨厚层状。直接顶为中粒砂岩，厚度为0～1.82m，灰黑色，厚层状，岩芯破碎。直接底

4、为粉砂岩，厚度为0～0.63m，灰黑色，厚层状，与下伏地层过渡接触，含不完整植物化石。老底为细粒砂岩，厚度0～1.22m，灰白色，厚层状，参差状断口，与下伏地层明显接触。2机载临时支护主要技术参数6掘进迎头临时支护安全问题是困扰煤炭生产多年的一项技术难题，常用的前探梁和支柱加横梁两种支护方式都严重影响着掘进效率，且仍有安全薄弱环节。经多方考察，选用ZLJ-10/21型机载临时支护系统。支护面积2m×3m（展开3.4m×3.4m），支护超出炮头1m～1.8m（展开2.8m），最大支撑力1t，掘进施工时最大空顶距为1.8m，最小空顶距为0.2m。3

5、机载临时支护数值模拟分析对于非线性材料，物理不稳定的可能性总是存在的，例如：顶板断裂、矿柱的突然垮塌。在现实中，系统的某些应变能转变为动能，并从力源向周围扩散。采用FLAC数值模拟可以在被模拟的物理系统本身是非稳定的情况下，其有限差分数值计算仍有稳定解。3.1模型构建以S1202工作面胶带顺槽作为模拟对象，该巷道沿3#煤层底板掘进。巷道断面为矩形，掘进高度3.2m，宽度4.8m，断面积为15.36m2。针对S1202胶带顺槽机载临时支护和锚杆+锚索+金属网两种支护方式，建立地质模型。模型尺寸：宽×高×厚＝40m×40m×4.8m，原点在巷道帮顶

6、中线的交叉点上。3#煤层埋深585.4m～610.3m，根据以往的地应力资料应力以自重引起的铅直应力为主，约为15.22Mpa～15.626Mpa之间，施加在模型的上边界。模型水平边界限制x方向的位移；底边为固定约束，x、y和z三个方向上无位移；模型沿轴向z向没有位移。建立的地质模型及机载临时支护数值计算模型如图1及图2所示。图1地质模型图图2机载临时支护数值计算模型3.2巷道机载临时支护数值模拟分析S1202胶带顺槽超前支护形式采用机载临时支护，结合锚杆锚索永久支护形式，模拟分析巷道在无临时支护和最大初撑力为1t时，掘进头围岩应力，位移的变化

7、，如图3及图4所示。a）无支护时巷道主应力b)机载临时支护时巷道主应力图3最大主应力云图如图3所示，巷道掘进时，掘进头无临时支护时巷道最大主应力峰值作用范围为距巷道表面8.4m；当采用机载临时支护时，最大主应力云图在机载临时支护和永久支护形式上呈现出不同程度的应力集中，且最大主应力峰值作用在机载临时支护上范围为距巷道表面2.3m，而最大主应力峰值作用在永久支护形式上的范围为距巷道表面约为7.8m。数值模拟结果表明，机载临时支护结构因其较大的初撑力，改变了围岩的受力结构，使最大主应力峰值向巷道表面转移，降低了围岩深部应力集中。a）无支护b)机载临

8、时支护图4垂直位移云图6如图4所示：无临时支护时，巷道顶板垂直位移下沉量最大值为90mm；采用机载临时支护时，巷道顶板位移峰值前移，顶板下沉主要集中在