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井下复合顶板动压巷道的支护分析

2023-12-06 50 上传者：管理员

摘要：随着井下采煤工作的不断推进，容易出现典型的复合顶板，会在采动的影响下造成破碎下沉和顶板离层等问题，不利于保障巷道的安全，需要结合巷道应力演化特征，开展合理的支护。如何做好井下复合顶板动压巷道的支护工作，成为很多企业需要考虑的问题。以某矿的井下开采为例，进行工程概述和巷道围岩应力演化的分析，在了解锚杆支护的原理后提出锚杆+锚索的支护方案，经过数值模拟与矿压监测，发现动压巷道的支护效果良好，利于满足矿企的安全开采需要。

关键词：
井下复合顶板
动压巷道
安全性
支护设计
矿压监测
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结合某煤矿的井下开采看，主采11#煤层的1042巷道为复合顶板条件下的采掘对穿巷道，存在支护难的问题，不利于提高井下开采的安全性。因此，有必要对1042巷道采掘对穿前后的应力演化特征进行分析，确保最终的锚杆+锚索支护设计具有合理性，解决支护难问题。

1、工程概况

1.1 地质条件

在104工作面中，11#下煤层厚度在1.3～2.3m，均厚为1.8m，倾角在2～8°，整体结构较为简单。在顶板组成中，直接顶为泥岩（2～7m）、11#上煤层（0.4～0.8m）、泥岩（0.6～1.5m）、10#煤层（0.4～1m），在老顶组成中主要为K2灰岩（11～13m）。11#下煤层和K2灰岩相距8～11m，在其中的煤与泥岩有4至5层，因此可以将其看做典型的复合顶板。在底板组成中，主要为泥岩（4～5m）。

1.2 采动影响

11#煤层1042巷平面布置如图1,1042巷会沿着煤层顶板掘进，其宽度和高度分别是4.2、3m，使用自然垮落法进行顶板管理。当1042巷道和102回采面对穿时，其巷道为动压影响巷道，在煤柱为30m宽度下，基于1042巷道的埋深在355～405m，会在埋深大于400m时动压较为明显，需要及时对应力变化进行分析，提高巷道的支护安全性[1]。

2、11-1042巷在采掘对穿时的应力变化

第一，要结合11-104工作面的基本地质数据进行收集，借助FLAC3D数据计算平台，进行对应数值计算模型的构建，并在各类影响因素后，带入模型中进行巷道周边应力的演化试验。

图1 11-1042巷平面布置图

第二，模拟中要针对1042巷掘进面和102回采面的贯穿，进行以下四种工况的设置：①对穿前相距100m。②对穿（相距0m）。③对穿后掘进面超回采面100m(-100m）。④对穿后掘进面超回采面200m(-200m）。

第三，在对不同工况下巷道周边垂直、水平应力云图进行研究后，可以总结出以下应力演变规律。①垂直应力主要垂直应力主要体现在两帮位置，且巷道对穿后垂直应力值能增加19%，同时第三种工况有最大的垂直应力。②顶底板的水平应力要显著大于两帮，且在巷道对穿100m的距离中，顶板的水平应力值有着明显增加的趋势，并在对穿后的10～200m中仍具有平稳增加的趋势。因此，可以发现在一定条件下，采动对1042巷道的顶板影响较大，需要做好有效支护[2]。

3、1042巷道的锚杆锚索支护设计

3.1 巷道支护原则

结合复合顶板动压巷道的特点，需要结合对穿后顶板水平应力的提高，加强顶板的支护；关注两帮支护中的护表加强工作，确保动压下两帮完整；确保锚杆、锚索的受力低于其破断载荷，实现安全支护。

3.2 提出设计

在综合1042巷道顶底板数据和对穿后的应力变化规律后，决定在复合顶板动压巷道中应用长短锚索组合的形式对顶板进行支护，并在加大预紧力和提高锚固深度后，提高对顶板变形的控制效果，同时应用锚杆对巷帮进行支护，下面进行具体支护参数的设计。

第一，在进行顶板支护中，要对锚索的材料及应用进行明确。①在锚索的材料及规格中，需要选择直径为17.8mm且为1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，在长度方面会应用到4.3m和7.3m两种规格。②在锚索的布置中，需要按每排四根布置，且其间距要控制在1130mm或1350mm左右，排距在1000mm左右，同时要求配备调心球垫和强锚索托板，最后严格控制锚固的深度在2420mm，提高固定效果。③在锚索的应用中，要求将锚索张拉锁定的预紧力设为180kN，并使用钢筋（4mm）进行钢筋网的焊接，确保可以护顶。

第二，在进行巷帮支护中，要对锚杆的材料及布置方式进行明确。①在锚索的材料及规格中，需要选择直径为20mm的左旋无纵筋螺纹钢筋，并将长度设为2m。②在锚杆的布置中，需要应用减摩垫圈、高强度螺母、调心球垫等，同时将锚固的长度严格控制在1000mm左右，增强支护效果。③在锚索的应用中，要锚杆的排距和间距分别为1000mm、800mm，每排每帮3根锚杆。同时，锚杆需要配备W钢护板（规格450mm×280mm×3mm），并用10#铁丝编制菱形金属网实现可靠护帮。要求将锚杆的预紧扭矩大于250N·m。

3.3 数值模拟分析

为确保支护方案具有合理性，需要借助FLAC3D数值模拟进行四种工况的巷道变形及构件受力分析。第一，结合表1顶底板、两帮的移近量显示，顶底板的移近量数值大于两帮，且两者有着对穿前变形不大、对穿后变形增加和对穿200m变形稳定的特点。第二，结合表2锚杆、锚索的轴力情况，经测试两者均未到达对应的破断载荷，且两者受力有着对穿前小、对穿后增加和对穿200后稳定的特点，能满足1042巷道的支护需要。

表1 不同工况下两帮及顶底板的移近量模拟

表2 不同工况下锚索及锚杆的轴力模拟

3.4 矿压监测

为了确保支护方案具有可靠性，结合11-1042巷道掘进到1000m后会和11-102回采面对穿，需要将监测站设立在11-1042巷道850m处，能有效在1042巷道和102回采面的对穿期间，进行巷道变形和锚索锚杆受力的监测。①结合巷道表面位移看，形变量得到了控制，与数值计算结果差别不大。②锚杆锚索预紧力施加质量较高，未超过破断载荷，且在对穿200 m后受力基本稳定。同时锚杆锚索在受力方面也未超过屈服载荷，可证明以上支护的方案具有可靠性。

4、结束语

1042巷道作为采掘对穿动压巷道，其顶板为复合顶板，有着支护难度大的问题，需要借助数值模拟法充分了解对穿期间巷道的应力演化规律，进而提高支护方案设计的合理性。在基于顶板水平压力的明显增加下，本文设计了顶板长短锚索支护和巷帮锚杆支护的方式，并在数值模拟后有着良好的理论价值。为确保支护方案的落实具有实际的效益性和安全性，还需有效开展矿压监测，可发现对穿后变形增加，但对穿200m后变形可以稳定，且锚杆与锚索的受力均未达到对应的屈服载荷，证明支护效果良好，可以满足复合顶板动压巷道的支护需要。

参考文献:

[1]任硕,周逸群,王鹏飞.软弱夹层复合顶板动压巷道支护技术研究[J].煤炭技术,2021,40(8):32-36.

[2]王峰.软弱互层复合顶板动压巷道锚杆(索)破断规律[J].煤炭科技,2021,42(3):17-21.

文章来源:李翔.井下复合顶板动压巷道的支护分析[J].矿业装备,2023(12):48-49.