复采工作面稳定性分析及支护研究

复采工作面稳定性分析及支护研究摘要：针对复采工作面巷道支护问题，本文以运河煤矿F1301复采工作面为研究背景，通过理论分析、数值模拟分析巷道抗变形及支护系统抗冲击的能力，验证巷道支护参数的可靠性用经过长期开采浅层矿产资源尤其是煤炭正面临逐渐枯竭的严峻挑战曲为了满足日益增长的能源需求田煤炭开采正在以每年10～25m的速度向地层深处推进1用深部地层的岩层结构复杂多变开开采强度急剧增加加之在深部矿压控制及动力灾害预防方面经验匮乏共同构成制约安全高效开采的重大障碍放大作业过程中的风险与不确定性²#因此开深部煤炭开采过程中开冲击地压事故频繁发生用冲击地压发生时岩体内长期积聚的弹性应变能猛烈释放不仅导致支撑结构瞬间崩溃还会引发作业区域急剧变形开甚至造成人员伤亡和设备损毁用对生命安全以及矿井生产秩鉴于此本文依托F1301工作面的地质条件从应力控制角度出发开设计并实施针对高应力风险区域的巷道支护技术方案控制上覆岩层的应力分布与运动趋势削弱冲击地压的发生条件用为验证该技术方案实施效果开通过对巷道抗变形及支护系统抗冲击能力分析并建立FLAC3D数值模型进行模拟分析结果表明开该支护方法不仅缓解了区域应力集中还降低了冲击地压风险为提升煤矿安全生产水平提供支持结果表明：顺槽支护系统能抵御震源与巷道距离15m以上的1.32×10J的单个能量事件开巷道在距离帮部F1301回采工作面为复采试验工作面工作面位西临XDF23逆断层北至1301采空区南至1302采空区为孤岛工作面工作面布置平面图如图1所示工作面最大推进长度1027mf工作面内宽71m可采面积顺槽煤柱及未采动区域开煤层平均厚度7m煤柱宽度5m原1301、1302工作面两顺巷道及端头未放煤区域开煤层厚度平均4m总宽度18m原1301、1302工作面已实体煤区域为锚网索梁支护用顶板采用规格锚杆铁盘、W钢带、菱形金属网支护锚杆间排距的无纵肋螺纹钢树脂锚杆配合锚杆铁盘、井型钢护板、菱形金属网进行支护锚杆间排距800mmx1000mm如采空区下方巷道断面梯形断面开上净宽3.324m下净宽4.4m#净高3.05m#净断面面积11.78m²#支护方式为矿用工字钢架棚+喷浆+金属网棚距0.8m顶板破碎时开适当缩小棚距至0.6m#自巷道开门口向里200m范围内喷浆厚度10cm+200m以外喷浆厚度3～5m#每隔50~100m设置一组观测点开对掘进、回采期间的巷道变形进行观测巷道断面及支护方式如图3所示用轨道中心线巷道中心线综合考虑深部巷道锚杆受力复杂性与影响锚固效果的其他因素用Q600高强度螺纹钢锚杆在产生极限变形破断前的能量消耗可近似取Eg=3kJ/根锚索取Es=5kJ/根用由于F1301回采工作面轨道顺槽及皮带顺槽支护参数相同以轨道顺槽为例进行分析用①锚网索在受冲击载荷作用时破断前吸收的能量为：②针对运河煤矿情况取岩体破裂厚度为0.6m巷道围岩表面煤(岩)体释放的动能E。为：③对于巷道顶板煤体锚杆极限位移取0.33m#顶板煤块因冲击下滑释放的势能为：E₆=mg△h=1.35×9.8×0.④发生冲击后传递至巷道围岩的动能转移至支护系统变为支护系统的弹性能即：⑤根据能量平衡理论可知：因此发生某一级别震动时开引起顶板围岩支护失⑥采用A.Mgarr建议的质点峰值速度、震源中心到岩爆冲击破坏点的距离R与岩爆强度的关系公式：根据K.Hino指出的岩块抛射速度是质点振动峰值速度的2倍关系可知顺槽顶板v=1.175ms开两帮v=1.53ms用根据资料开结合运河煤矿近年来微震监测震源分根据震级与能量的关系：以支护较薄弱的顶板为基准开顺槽支护系统基本上能够抵御震源与巷道距离15m以上的1.32×10J的单个能量事件3巷道支护系统数值模拟分析3.1数值模型建立为进一步对巷道支护强度进行分析建立FLAC数值模型模型长宽高为50mx50m30m模型取7层从上至下分别为厚0.5m砂质泥岩、厚105m的细粒砂岩、厚2m的中粒砂岩、厚1.5m的粉砂岩、厚6.5m的煤层、厚4.5m的砂质泥岩和厚4.5m砂质黏土开模型埋深490m顶部施加垂直应力25MPa侧压系数取1.6开侧部施加25MPa的水平应力用模型完成建立如图4所示3.2巷道变形特征3.2.1巷道垂直应力演化特征从图5看出在距离巷道帮部2.67m时巷道受到垂直应力最大最大压应力21MPa#在距离巷道帮部2.67m前巷道受到垂直应力迅速增大到达最大值后逐渐减少直至趋于稳定用—图5巷道垂直应力分布图3.2.2巷道围岩变形特征从图6看出巷道帮部移近量随着与帮部距离不断变大在0m时巷道帮部移近量最大最大值4.55cm在10m时巷道帮部移近量最小最小值1.17cm距离巷道帮部1.80m前巷道帮部移近量迅速减少开距离巷道帮部4.20m后巷道帮部移近量趋于稳定图6巷道帮部移近量分布图从图7看出开距离顶板高度0m时顶板下沉量最大最大值7.68cm距离顶板高度10m时顶板下沉量最小开最小为1.40cm距离顶板高度越小下沉量越大4与顶板高度/m图7巷道顶板下沉量分布图4现场应用如图8所示巷道顶部以及帮部每一根锚杆配合单启动让压环配合w钢护板支护(w钢护板每两排锚杆安设一排)开支护强度与支护系统匹配性较好开280mm宽钢带使用扩大了支护系统的护表面积用图8顺槽巷道护表支护图巷道变形量较小、鼓包和煤岩层脱落情况较少巷道的护表能力较强用本上能够抵御震源与巷道距离15m以上的1.32×10⁶J的单个能量事件大于历史最大能量9.9