特厚煤层综放工作面快速掘进围岩稳定性分析

特厚煤层综放工作面快速掘进围岩稳定性分析

0巷道异常区域围岩变形严重随着煤炭工业的发展，煤矿技术和开采方法不断更新，开采机械化水平不断提高，但道路开挖速度不能跟上开采工作面的开采速度，开采替代成本的问题越来越明显。综合上述研究，对快速掘进过程中，巷道异常区域围岩变形严重的研究较少。本文针对刘庄煤矿150802运输平巷快速掘进过程中出现的异常区域围岩变形严重的问题，采用数值模拟确定了巷道异常区域的关键部位，从而提出了对异常区关键部位优先支护，对巷道整体采用“锚带网索”联合支护的方案，采用锚杆（索）应力传感器验证了数值模拟结果，并通过现场工业试验取得巷道围岩变形量较小的良好效果，有效解决了快速掘进过程中巷道局部区域围岩变形严重的问题，对快速掘进巷道过程中如何保障巷道安全具有一定的借鉴意义。1平巷围岩结构150802胶带顺槽东临1508采区胶带上山，西接150802工作面切眼、南临150804工作面，北临150802工作面，上为151101工作面、151102工作面采空区。150802运输平巷为快速掘进巷道，月进尺300m以上，设计长度为1624m（平距），巷道埋深约593m，地压较大。煤层厚度为0.75m～4.53m，平均为3.54m，倾角为10°～19°，平均倾角为16°。直接顶为砂质泥岩，厚度平均为4.64m，松散易碎、易冒落，稳定性较差。基本顶为细砂岩，厚度平均为7.74m。直接底为泥岩，厚度平均为3.01m。基本底为粉砂岩，厚度平均为4.35m。局部区域巷道变形较大，顶板最大变形量达215mm，两帮最大移近量为117mm。巷道断面形状设计为直墙斜顶断面，直墙斜顶断面宽度为5.8m，中线高度为4.2m。煤层及顶底板岩层见图1。2顶板垂直位移为了找出巷道支护的关键部位，采用FLAC巷道在原支护下的应力分布如图3所示，由于受倾斜岩层及断面形状的影响，巷道应力呈现出非对称分布巷道在原支护条件下垂直位移分布如图4所示，由于应力的非对称性，造成巷道围岩变形也具有非对称性。顶板的垂直位移明显偏向低帮顶板，顶板最大下沉量达191.7mm，顶板下沉量较大，底板最大底鼓量偏向左侧，最大底鼓量为138.3mm；从水平位移云图可以看出，巷道右帮变形量大于左帮变形量。由于低帮高跨比较小，左帮的位移量较小，最大位移量为37.4mm，但左帮相对于右帮应力较为集中，故左帮的位移范围较大；右帮的高跨比较大，右帮的变形量也较大，最大位移量为47.1mm，右肩窝部位容易片帮，应对右肩窝部位及时支护。由巷道应力分布和位移分布的结果，在巷道顶板左右两肩窝处，有明显的应力集中，肩窝位置若破坏，巷道顶板跨度会增加，顶板下沉量也将变大，只有优先控制顶板左右两肩窝部位的变形破坏，才能对顶板起到良好的控制作用，故巷道支护的关键部位依次为：顶板两肩窝、顶板、两帮。3工程应用3.1预应力锚网、h钢带在150802胶带顺槽掘进过程中，为控制异常区域围岩的较大变形，对150802胶带顺槽采用锚网索+H型钢带联合支护。锚杆选用Ф22mm、L=2500mm的无纵肋螺纹钢金属锚杆，间排距为800mm×800mm；锚索为Ф21.8mm的预应力钢绞线，长度L=9200mm，间排距为1200mm×1600mm；锚网采用Ф6mm钢筋，规格为2200mm×1200mm，网格为100mm×60mm;H钢带采用12mm圆钢加工，长度分别为1900,3000mm，搭配使用。为减少巷道围岩变形，对150802胶带顺槽肩窝位置各补打1根锚索加强支护，巷道断面支护方案见图5。3.2巷道关键部位验证由于巷道在掘进过程中围岩应力会重新分布，为了验证巷道的关键部位，采用GMY30H矿用本安型锚杆（索）应力传感器对巷道锚杆支护进行了全断面监测。13.3锚杆受力分析从图6、图7可以看出，巷道监测锚杆压力变化大致可分为3个阶段，具体如下。(1）急增阶段。由于巷道开挖后，巷道由原岩应力转变为二向应力状态，巷道围岩受掘进扰动的影响，在距掘进工作面0～25m范围内锚杆压力变化较快。(2）缓增阶段。在25m～70m范围内锚杆应力呈现出缓慢增加的趋势，这一阶段巷道围岩应力重新分布，此时的锚杆受力缓慢增加，主要原因是巷道的围岩变形。(3）稳定小变形阶段。当巷道掘进迎头距离测站超过70m后，锚杆的受力状态虽有波动，但基本保持稳定，此时的巷道围岩应力的重新分布已达到稳定状态，锚杆受到的轴向应力基本趋于稳定。监测结果表明，巷道在掘进过程中，肩窝锚杆13.4巷道顶底板和两帮移近量分布特性为了验证支护效果，在150802胶带顺槽的后半段进行工业试验，通过多点位移计对掘进期间的巷道收敛情况进行监测，结果见图8。从图8可以看出，在该支护技术下，巷道顶底板和两帮移近量都相对较小。在150802胶带顺槽推进30m后，巷道顶板下沉量和两帮移近量均小于30mm。巷道掘进到距离测点110m后，巷道围岩变形逐渐趋于稳定，两帮移近量和顶板下沉量均低于45mm，采用“锚带网索”联合支护后，巷道围岩变形得到有效控制，现场应用效果见图9。3.5巷道支护工艺顺序在数值模拟和关键部位实测数据基础上，确定巷道异常区域的关键部位是顶板两肩窝、顶板、两帮，针对性提出先进行肩窝锚杆（索）支护，再进行顶板锚杆（索）支护，两帮锚杆滞后支护的工艺顺序，减少了巷道在掘进过程中因工序问题导致巷道部分区域变形较大的问题，缩短了巷道空顶期内的巷道修复时间，巷道掘进月进尺由311m提高到506m，日平均进尺为16.8m，实现了巷道快速掘进的目标。4巷道围岩控制效果(1）通过FLAC(2）针对快速掘进巷道中局部区域异常问题，采用“锚带网索”对巷道整体进行加强支护并对巷道异常区域进行优先支护，通过刘庄煤矿150802胶带顺槽的工业验证，支护后巷道围岩整体变形量低于45mm，巷道异常区域得到有效控制，通