大同矿区回采巷道覆岩稳定性分类及支护参数优化.pdf
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1、扫码阅读下载程志斌,王祖洸,李化敏,等.大同矿区回采巷道覆岩稳定性分类及支护参数优化J.矿业安全与环保,2023,50(5):111-115.CHENG Zhibin,WANG Zuguang,LI Huamin,et al.Study on overburden stability classification and support parameters of mining roadway in Datong mining areaJ.Mining Safety&Environmental Protection,2023,50(5):111-115.DOI:10.19835/j.issn.
2、1008-4495.2023.05.018大同矿区回采巷道覆岩稳定性分类及支护参数优化程志斌1,王祖洸2,李化敏2,王文强2(1.河南理工产业技术研究院有限公司,河南 焦作 454000;2.河南理工大学 能源科学与工程学院,河南 焦作 454000)摘要:为了规范和优化大同矿区巷道支护设计,以大同矿区典型生产矿井为研究对象,采集了80 个具有代表性的矿井地质钻孔参数,采用理论分析的方法对覆岩结构特征进行分类,基于大同矿区的覆岩结构特征,提出了以覆岩结构指数为主要指标的巷道顶板稳定性分类方法,并采用数值模拟方法对大同矿区地质条件下锚杆、锚索的联合支护特征进行研究。结果表明:在预应力一定的条件下
3、,当锚杆和锚索长度超出其有效长度后其自由端和锚固端压应力区趋于分离;在锚杆、锚索拉应力允许范围内,提高预紧力有助于提升其锚固效果;锚杆、锚索的联合支护使巷道浅部和深部围岩形成连续的压应力区,有利于巷道稳定。基于巷道围岩稳定性分类和锚杆、锚索支护机理,对大同矿区回采巷道支护参数进行规范和优化,并在大同矿区塔山、同忻、燕子山等多座矿井推广应用,社会经济效益显著。关键词:覆岩结构;顶板分类;支护设计;数值模拟;回采巷道;锚杆;锚索中图分类号:TD353 文献标志码:A 文章编号:1008-4495(2023)05-0111-05收稿日期:2022-05-09;2023-09-21 修订基金项目:国家
4、重点研发计划项目(2018YFC0604500)作者简介:程志斌(1992),男,河南焦作人,硕士研究生,工程师,研究方向为矿山压力与岩层控制。E-mail:。通信作者:王祖洸(1991),男,河南焦作人,博士研究生,讲师,研究方向为岩层控制与放顶煤开采技术。E-mail:111702010004 。Study on overburden stability classification and support parameters of mining roadway in Datong mining areaCHENG Zhibin1,WANG Zuguang2,LI Huamin2,WAN
5、G Wenqiang2(1.Henan Polytechnic Industrial Technology Research Institute Co.,Ltd.,Jiaozuo 454000,China;2.School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)Abstract:In order to standardize and optimize the roadway support design in Datong mining area,the typic
6、al production mines in Datong mining area were taken as the research objects,and 80 representative geological drilling parameters were collected.The structural characteristics of overburden structure was classified by theoretical analysis,based on the characteristics of overburden structure in Daton
7、g mining area,a classification method of roadway roof stability with overburden structure index as the main index is proposed,and the characteristics of the combined support by rockbolt and anchor cable were analyzed by numerical simulation method.The results show that,under the condition of certain
8、 prestress,when the length of the rockbolt and anchor cable exceeds its effective length,the compressive stress area of the free end and the anchor end tends to be separated;within the allowable range of the tensile stress of the rockbolt and anchor cable,increasing the pre-tightening force will hel
9、p to improve its anchoring effect;the joint support of the rockbolt and anchor cable makes the shallow and deep surrounding rock of the roadway form a continuous compressive stress area,which is conducive to roadway stability.Based on the classification of roadway surrounding rock stability and the
10、support mechanism of the rockbolt and anchor cable,the parameters of roadway support in Datong mining area are standardized and optimized,and are promoted in Tashan,Tongxin,Yanzishan and other mines in Datong mining area,with remarkable social and economic benefits.Keywords:overburden structure;roof
11、 classification;support design;numerical simulation;entry;rockbolt;anchor cable111第 50 卷 第 5 期2023 年 10 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.5Oct.2023 巷道锚杆(索)支护理论体系经过数十年的发展已经逐步成熟,如悬吊理论1-2、松动圈理论3-5、围岩强度强化理论6-8、高预应力支护理论9-11等,为大同矿区锚网索支护技术发展奠定了必要的理论和技术基础。由于大同矿区特厚煤层和覆岩坚硬岩层较多,在锚网索支护应用
12、过程中仍存在如下问题:支护设计单纯考虑悬吊理论,对锚杆锚索对围岩强度加强作用和锚杆锚索协同支护等复合承载结构等的认知不足,导致一段时间以来,锚索设计长度一味加长;支护设计缺乏理论依据,存在简单的工程类比现象,造成支护参数不合理、支护成本偏高;设计锚固力和预紧力偏低,导致高强度锚杆材质性能不能充分发挥作用;支护材料强度选配不合理等。如何选择合理有效的锚网索支护参数对煤矿安全高效生产有着重要意义。针对大同矿区煤层厚度大、覆岩坚硬顶板多的地质特征,为规范和优化大同矿区回采巷道锚网索支护设计,在分析该地区煤层覆岩结构特征的基础上,对回采巷道顶板稳定性进行分类,结合锚杆和锚索联合支护机理,对大同矿区回采
13、巷道进行有针对性的支护设计,同时在同煤矿区进行现场应用。1 大同矿区覆岩结构分析及覆岩稳定性分类回采巷道区域上覆岩层大结构特征决定了该区域巷道大的应力环境,并能反映工作面采动后巷道围岩应力变化的大趋势。当大结构下位采掘工程小于结构体失稳临界跨距时,组成上覆大结构的每一层关键岩层,除能够自稳以外,还具有承受一定的上部荷载,保持下位采掘巷道稳定的能力。或者说,向下位巷道传导自身岩层重量或上部一定范围的松软岩层重量的传导性很弱,即能成为下位巷道的保护岩层,采掘工程所受的力仅为巷道顶板上的最近的上位关键层下的岩层重量,使巷道上覆的载荷大大降低12-15。覆岩大结构一般包括可以形成铰接结构的基本顶、关键
14、层及其上覆岩层。主采煤层上覆小范围的岩层结构,即覆岩小结构包括巷道锚杆组合支护与锚固体 20 m 左右范围的岩体,该部分岩体的特征或完整性决定了巷道围岩的 稳 定 条 件 及 可 锚 性 和 稳 定 性 的 一 般 性 规律12-13,16。掌握覆岩大小结构特征,对于从宏观上了解和把握巷道围岩的受力大小、确定巷道支护强度具有十分重要的意义。1.1 大同矿区覆岩特征大同矿区为侏罗、石炭双系赋存,可采煤层多达26 层17。侏罗系含煤地层总厚 74264 m,平均厚210 m,可采煤层 21 层,单层最大厚度 7.81 m。石炭系煤层主采 35 号和 8 号煤层,埋深大(H350 m)、厚度大(h1
15、4 m)、结构复杂、顶底板坚硬。35 号煤层直接顶主要为高岭质泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩,部分为煌斑岩互层,局部直接位于煤层之上;底板多为炭质泥岩、泥岩及高岭岩,少量粉、细砂岩。通过对大同矿区 80 个典型矿井地质钻孔柱状图进行分析,矿区主采煤层上覆岩层以砂岩为主,并广泛分布着细砂岩、中砂岩、含砾砂岩等坚硬岩层。坚硬砂岩层占比大于 60%,局部区域可达 80%以上。其中,在上覆 100 m 范围内占比达 62%,上覆 50 m范围内占比达 50%,并在上覆 20 m 岩层以上普遍存在单层厚度大于 5 m 坚硬岩层。并且煤层顶板岩体层理、节理裂隙不发育,在覆岩大结构保护下,巷道自稳定能力强,因此无
16、需高强度支护。1.2覆岩大、小结构特征表征参数 覆岩结构指数大同矿区主采煤层上覆多层坚硬砂岩,能自稳并能承受上部一定范围松散岩层荷载,该特点对巷道支护设计有着重要影响。基于上述大同矿区 80 个典型矿井地质钻孔获得的覆岩分布及结构特征,提出反映巷道上覆岩大结构承载能力和小结构稳定性的重要特征参数 覆岩结构指数。其计算方法为:根据巷道附近钻孔柱状图,分别将巷道顶板上覆全部地层、上覆 50 m 范围内单层厚度大于 5 m 的坚硬岩层比例,以及上覆 20 m 范围内单层厚度大于 3 m的坚硬岩层比例,在现场经验和理论分析的基础上,确定各指标的权重并进行加权求和。经统计分析,大同矿区巷道覆岩结构指数计
17、算公式如下:k=12h120+516h250+316h3H(1)式中:k 为覆岩结构指数;h1为巷道顶板 20 m 范围内单层厚度大于 3 m 的坚硬岩层总厚度,m;h2为巷道顶板 50 m 范围内单层厚度大于 5 m 的坚硬岩层总厚度,m;h3为巷道顶板上覆岩层单层厚度大于 5 m 的坚硬岩层总厚度,m;H 为巷道顶板到地表的覆岩总厚度,m。1.3 巷道覆岩稳定性分类根据大同矿区回采巷道围岩条件,以巷道覆岩结构指数为主要指标,以稳定岩层与巷道顶板的距离和巷道松动圈范围为参考指标,结合巷道埋深、煤厚、采动影响等特征,将大同矿区回采巷道顶板稳定性分为 5 类,见表 1。211Vol.50 No.
18、5Oct.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 5 期2023 年 10 月表 1 大同矿区回采巷道顶板稳定性分类类别稳定程度巷道覆岩结构指数稳定岩层与巷道顶板距离/m围岩松动圈范围/m煤层赋存条件典型巷道围岩分类举例非常稳定0.750100.5H400h3.5晋华宫 7-4#层402 盘区西翼稳定0.60120.51.0H4003.5h6.0H400h3.5四台矿 8#挖金湾山 4#中等稳定0.45261.01.5H4006.0h9.0H4003.5h6.0燕子山 4#同发东周窑 5#不稳定0.3061.52.
19、0h9.0H4006.0h9.0马脊梁 3#塔山 3-5#同忻 3-5#极不稳定0.30无煤柱巷道、小煤柱巷道 注:H 为埋深,m;h 为煤层厚度,m。2 锚网索初始支护参数设计锚网索支护是指利用锚杆、锚索及护表材料构成的围岩加固系统,是一种控制巷道围岩稳定性的技术。其作用机理是通过主动施加预紧力18-20,改善锚固围岩力学性能与应力状态,提高围岩体强度和自稳能力,使锚固区内的岩体受到挤压形成梁、层、拱、壳等承载结构,从而保证围岩自身的稳定,并能承受来自外部的动静荷载。2.1 锚杆、锚索设计参数对支护效果的影响针对大同矿区锚网索支护应用存在的误区,采用 FLAC3D 数值模拟的方法对锚杆、锚索
20、支护参数及其协同作用对支护效果的影响进行分析。2.1.1 锚杆(索)长度对其预应力在围岩中扩散的影响锚杆长度分别为 1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0 m 条件下,施 加 90 kN 预 紧 力 时 预 应 力 及0.1 MPa 压应力扩散范围如图 1 所示;锚索长度分别为 6.3、7.3、8.3、9.3 m 条件下,施加 300 kN预紧力时预应力及 0.1 MPa 压应力扩散范围如图 2 所示。图 1 预紧力 90 kN 的不同长度锚杆压应力扩散范围图 2 预紧力 300 kN 的不同长度锚索压应力扩散范围由图 1 2 可知,在预紧力一定条件下,锚杆(索)的预应力扩散范
21、围是有限的,随着锚杆(索)长度的增加,自由端和锚固端压应力逐渐分离,且分离后自由端的压应力场范围随长度增加几乎不再变化。表明在预紧力一定和锚固端保持稳定的条件下,过长的锚杆(索)无法起到增强支护的作用,因此,在进行巷道支护设计时应合理选取锚杆(索)的长度,使其可以发挥最大的效用。2.1.2 预紧力对其预应力在围岩中扩散的影响锚杆长度 2.4 m、间距 1.0 m,分别施加 30、60、90、120 kN 的预紧力时压应力扩散范围如图 3 所示。图 3 锚杆群不同预紧力的压应力扩散特征311第 50 卷 第 5 期2023 年 10 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environm
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