强采动影响复用巷道墩柱支护技术研究与应用.pdf
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1、针对复用巷道服务期间受多次采动影响、围岩变形破坏严重的问题,分析了侧向采动应力对于复用巷道的影响,揭示了复用巷道围岩运移的变形规律以及破坏机理。提出了利用强力墩柱进行巷内补充支护的支护策略,通过建立复用巷道板破断与墩柱支护的力学模型,分析了“煤柱-巷内支护”联合支护体的支护强度,理论计算了墩柱所需满足的支护力载荷要求。以王坡煤矿3306运输平巷为实际背景,分别从支护环境、充填体材料、支护体结构设计以及施工工艺进行了柔模墩柱的设计与应用。现场监测结果表明:复用巷道超前工作面范围内巷道围岩变形量小,影响范围为超前工作面2 0 0 m;滞后工作面50 m范围内为变形量快速增长区域,应重点进行维护。强
2、力柔模墩柱巷内支护的方式能够有效缓解复用巷道变形严重问题,维护围岩的稳定性,提高支护效果的同时大大节省支护成本。关键词:复用巷道;采动应力;柔模墩柱;支护强度;围岩变形中图分类号:TD353文献标识码:A文章编号:16 7 1-0 9 59(2 0 2 3)0 7-0 0 51-0 7Research and application of pier column support technology for reusedroadway with strong mining impactLI Bo,WANG Tao3,LI Ming2,3(1.Shanxi Tiandi Wangpo Minin
3、g Co.,Ltd.,Jincheng 048000,China;2.Coal Mining and Designing Department,Tiandi Science and Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China;3.CCTEG Coal Mining Research Institute,Beijing 100013,China)Abstract:In response to the serious deformation and damage of the surrounding rock during service period of
4、the reusedroadway,the influence of lateral mining stress on the roadway is analyzed,and the deformation law and damage mechanism ofthe surrounding rock migration are revealed.The support strategy of using strong and flexible pier pillar for in-roadway supportsupplement is proposed,and the support st
5、rength of the joint support body of the coal pillar and in-roadway support is analyzedby establishing the mechanical model of broken reused roadway roof and pier pillar support,and theoretically calculating thesupport load requirements for the pier pillar.The design and application of flexible piers
6、 were carried out in terms of supportenvironment,material selection of filling body,structural design of support body and construction process,taking 3306 haulageroad of Wangpo Coal Mine as the actual background.The field monitoring results show that,the surrounding rock deformationahead of the work
7、ing face is small in the reused roadway,and the influence range is 200 m ahead of the working face;thedeformation grows rapidly within 50 m backward of the working face,and the special attention should be paid to such area.Using flexible formwork strong pier column in-road support can alleviate the
8、serious deformation of the surrounding rock of thereused roadway and keep the deformation of the roof at a low level.Keywords:reused roadway;mining stress;flexible formwork pier column;support strength;surrounding rock deformation收稿日期:2 0 2 3-0 1-15作者简介:李波(19 7 8 一),男,山西晋城人,工程师,现主要从事煤矿安全生产技术研究与管理工作,
9、E-mail:。通讯作者:李明(19 9 6 一),男,山西晋城人,硕士,研究实习员,现主要从事巷道矿压理论与支护技术研究工作,E-mail:lmcumth 。522023年第7 期程炭煤施工技术我国大多数井工煤矿尤其东部矿区伴随有大量瓦斯,为了避免瓦斯积聚以致超限,一般工作面都采用多巷布置缓解瓦斯压力1.2 。这样一来巷道之间煤柱留设成为重要难题,许多矿井为减少区段煤柱损失,通常将多巷中的外围巷道重复利用;另一方面,不少矿井在开采关系布置时,由于采用双巷掘进,为了避免采掘关系紧张、加快掘进效率,会在本工作面的巷道进行掘进时,提前将下个工作面靠近本工作面的回采巷道同时进行掘进,并在该工作面采完
10、后进行维护。这两种情况均会造成复用巷道的出现,因此复用巷道在我国井工矿尤其东部矿区中十分常见。复用巷道由于服务时间长,时刻处于动态复杂的应力环境中,矿压显现不同于一般条件下的回采巷道,具体表现为:矿压显现更加剧烈,在滞后工作面推进的后方围岩变形量急剧增加;围岩整体变形严重,普遍出现巷帮大范围收缩,收缩严重区域巷帮移近量达2 3m,甚至使巷道闭合;底板碎胀程度高,底鼓十分严重,通常可达1 2 m。巷道空间小,围岩状况差,安全程度低,需要花费大量成本进行复用巷道的整修,严重时甚至直接报废,是不少煤矿生产过程的一大难题,给安全高效生产带来极大困扰基于这种情况,不少专家学者和现场研究人员对于复用巷道与
11、强矿压巷道的矿压规律和围岩控制技术逐渐重视并开展研究3-8 1。在矿压规律方面,汪占领9 对二次复用巷道的矿压规律进行实测,将矿压显现分为了工作面超前影响阶段、剧烈变形阶段、蠕变阶段三个阶段;秦海忠10 将晋城寺河煤矿典型二次复用巷道的矿压阶段按影响区域划分为初始变形区、剧烈变形区、趋于稳定区和稳定区;高福全11 等在现场实测的基础上总结了平朔井工一矿强烈动压巷道围岩变形规律。在围岩控制方面,康红普等12.13 提出了全断面高预应力强力锚索支护技术,实现了对于受多次矿压影响的强动压巷道围岩的有效控制;陈宝元等14 研究了桁架锚索联合支护在多次动压影响巷道的应用;郝志军等15 应用了钢管混凝土支
12、架对强动压巷道进行支护;此外,不少学者16-18 对于复用巷道之间煤柱合理留设进行研究,这些研究成果极大促进了复用巷道围岩控制技术的发展。尽管不少专家学者对复用巷道支护和矿压显现规律进行了诸多研究,但研究还不够全面,对复用巷道围岩变形破坏机理也没有深入研究;复用巷道支护技术也多是从传统的锚杆索支护方面进行优化,现场实际应用起来效果并不明显,针对复用巷道的围岩控制,现场急需操作性强、作用明显的支护方式。本研究从分析复用巷道的应力环境和围岩破坏机理出发,提出了一种应用强力柔模墩柱进行巷内补充支护的支护策略,分析了墩柱支护的原理与作用,并在王坡煤矿330 6 运输平巷进行柔模墩柱的设计与应用。研究成
13、果可为类似工程提供参考,同时为二次复用巷道的围岩支护设计提供思路。1复用巷道围岩破坏机理井工矿开采过程中,随着工作面的回采和巷道的掘进,原有的煤岩体完整结构被破坏,出现采掘空间,造成矿井原岩应力场的重新分布。就开采空间周围而言,主要变化体现在工作面超前区域形成超前支承压力区,工作面后方采空区由于覆岩破断、垮落和压实作用,随采不断稳定充填采空区,形成采后的小范围支承压力区,由于采空区研石支撑,这部分应力数值相对较小;此外,在工作面侧方会形成侧向支承压力区,这部分应力对于下个工作面的采掘起着重要的影响。复用巷道受上个工作面和本工作面两次动压影响,由于服务周期长,处于侧向支承压力区影响下的复用巷道势
14、必会产生较严重的变形,因此巷道维护较为困难。侧向采动应力下复用巷道的布置及应力环境如图1所示,侧向支承压力复用巷道超前支采空区承压力支承压力图1侧向采动应力下复用巷道的布置及应力环境不同开采阶段复用巷道受侧向采动影响如图2所示。在上工作面开采时,煤柱侧的侧向支撑应力成似近态分布,向复用巷道方向依次分为:破裂区I、塑性区、弹性区应力增高部分以及原岩应力区IV。在双巷掘进时,由于护巷煤柱的存在,复用巷道处于弹性区应力增高区域;本工作面开采时,532023年第7 期技术施工程炭煤上工作面由于开采已经相对稳定,对复用巷道作用的残余侧向支承应力数值相对较小,但仍有动压影响作用,此时对复用巷道围岩稳定起重
15、要作用的为本工作面的侧向压力支承应力,此时复用巷道处于侧向支承应力造成的破裂区与塑性区内。IIIV复用巷道(a)上工作面开采阶段复用巷道(b)本工作面开采阶段图2复用巷道受侧向应力影响在整个开采过程中,侧向支承应力以给定变形方式作用于采空区侧煤体,在边缘地带形成具有一定宽度的破碎区和塑性区;工作面超前形成高支承压力影响区,致使围岩发生剧烈变形。顶板泥岩风化破碎,原生裂隙扩展,岩层结构面发生剪切滑动破坏,浅部围岩发生塑性破坏,自稳能力减弱,顶板产生网包和支护体破断。在风化作用下顶板裂隙持续扩展,直接顶板泥岩发生碎胀变形,浅部承载结构消失,锚杆基本丧失承载作用,锚索由早期加固支护构件被动起到悬吊作
16、用。失稳岩层仅靠支护体悬吊于上方岩层,水平应力引起的水平剪切变形引发支护体剪切破坏。离层围岩继续发生塑性破坏,垂向裂隙非常发育,支护体难以悬吊破碎围岩重量,支护系统彻底失效,离层的围岩在自重作用下将会发生冒落,复用巷道围岩破坏运移过程如图3 所示。离层离层水平水平应力应力岩层自重塑性破坏区图3复用巷道围岩运移过程2柔模墩柱辅助支护技术与原理上区段工作面回采后,沿采空区边缘至复用巷道之间的煤柱受侧向采动应力影响,处于塑性区及弹性区应力升高部分,一方面煤体完整度受到破坏,另一方面处于高应力之下,使得煤柱的承载能力下降。回采引起的侧向顶板破断,复用巷道处于岩层断裂的影响范围之内,需要承受断裂部分岩层
17、的高载荷作用,这种情况下区段煤柱给分担的支撑力有限,复用巷道围岩破坏严重,普通初始支护难以维持巷道稳定。因此,复用巷道在上工作面开采过程中内采取外部支护措施尤为必要复用巷道内采用新型高强的柔模墩柱进行外部支护,可在煤柱塑性破坏后分担区段煤柱承担的顶板载荷,缓解巷道的动压现象,维持巷道围岩的相对稳定。巷道内增加墩柱支护后,与原始锚杆索支护构件共同提供复用巷道内的均布载荷支撑力qz,与区段煤柱极限平衡区段的支撑力91以及弹性区段支撑力92 共同支撑该范围内顶板载荷,复用巷道板破断特征与受力分析如图4所示。由于上覆承岩层载荷、煤柱的承载能力受具体地质条件影响,为不可变因素。复用巷道的围岩稳定分析主要
18、是分析煤柱稳定性、并从加强巷内支护方面考虑。关键岩块1关键岩块2关键岩块3十直接+小i+9h柔性墩柱煤体复用巷道工煤柱上区段采空区巷道图4复用巷道板破断特征与受力分析2.1煤柱稳定性侧向区段煤柱中的应力(主要分析垂直应力)为工作面开采造成顶板破断带来的开采附加应力和原岩应力之和,其表达式为19g,(t)=g,(t)+h(1)式中,,(t)为侧向煤体中垂直应力,MPa;,(t)为顶板破断在侧向煤体中引起的开采附加应力,MPa;为巷道顶板容重,kN/m;h 为巷道采深,m。其中煤柱的稳定性和支撑力主要分为两部分,极限平衡区内煤体若完全进人塑性屈服状态时,承载能力下降严重,若区段煤柱留设过短,则复用
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