工作面開切眼與順槽交叉口頂板穩(wěn)定性分析及加強(qiáng)支護(hù)范圍的確定

張志青，宋選民

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

工作面開切眼與順槽交叉口頂板穩(wěn)定性分析及加強(qiáng)支護(hù)范圍的確定

張志青，宋選民

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

針對某大型礦井工作面順槽與開切眼的現(xiàn)場條件，采用數(shù)值計(jì)算方法，研究順槽與開切眼交叉口頂板的應(yīng)力場和位移場分布特征，確定二次應(yīng)力場疊加的影響范圍及大小，并據(jù)此確定頂板加強(qiáng)支護(hù)范圍及支護(hù)強(qiáng)度。研究結(jié)果表明：在交叉口頂板高度的煤體中形成了一定范圍的圍巖破壞區(qū)域，并在深部形成了應(yīng)力集中帶,鉛垂應(yīng)力分布圖表明，在交叉口頂板上存在一個三邊都為弧形的三角形卸壓區(qū)域；交叉口處鉛垂位移在頂板高度水平上在中央的鉛垂位移最大，往四周方向延伸逐漸減小，直到煤體深部為零為止。因此建議：交叉口加強(qiáng)支護(hù)的范圍應(yīng)采用錨網(wǎng)支護(hù)，在圍巖較破碎情況下建議采用錨網(wǎng)+W鋼帶+鋼筋梯梁等措施聯(lián)合支護(hù)，此處應(yīng)加大錨桿支護(hù)的深度和密度；如果需要，應(yīng)采用單體支柱之類的措施進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

開切眼；順槽；交叉口；穩(wěn)定性；數(shù)值計(jì)算

巷道頂板的支護(hù)問題是煤礦安全生產(chǎn)面臨的主要問題；長期以來，各種回采巷道因支護(hù)不當(dāng)造成冒頂、底鼓、片幫、巷道斷面收縮過大等問題曾出不窮[1-8]。普通單個巷道由于巷道的開挖造成了應(yīng)力場的二次分布，工作面開切眼和順槽交叉口處是二次應(yīng)力場的疊加部位，其圍巖力學(xué)性質(zhì)惡化，頂板的穩(wěn)定性較差，這給工作面的安全生產(chǎn)帶來一系列困難，阻礙了礦井的高效生產(chǎn)[3-13]。為了確定某大型礦井工作面交叉口頂板圍巖的加強(qiáng)支護(hù)區(qū)域，本文利用大型數(shù)值計(jì)算軟件，分析開切眼和順槽交叉口處的頂板應(yīng)力分布特征和位移分布特征，確定交叉口的頂板危險區(qū)域及其加固范圍，研究成果可為礦井安全支護(hù)和安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

依據(jù)礦井地質(zhì)條件，通過現(xiàn)場取芯，并在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室測定巖石的物理力學(xué)參數(shù)，交叉口的巖石力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

根據(jù)該礦井工作面的生產(chǎn)條件和數(shù)值計(jì)算的建模原則[14]，認(rèn)為交叉口模型是對稱圖形，只建立其一半模型，利用對稱模型的計(jì)算方法求解。整個模型的長70m、寬30m、高45m，其中順槽寬度5.5m，開切眼寬度6m（建模取寬3m），順槽和開切眼的高度都為3.5m。模型共分51408個六面體單元，共有55900節(jié)點(diǎn)。整體計(jì)算型示意圖，見圖1。模型除上邊界外的五個邊界面的法向位移固定，上邊界施加6.63m P a的均布壓力，并施加重力場。

表1 數(shù)值計(jì)算巖層分布和物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 整體計(jì)算模型

計(jì)算過程中，首先進(jìn)行初始應(yīng)力場的平衡，在本次計(jì)算中認(rèn)為初始應(yīng)力場為自重應(yīng)力場，隨后進(jìn)行順槽的開挖，最后進(jìn)行開切眼開挖。

2 交叉口頂板的穩(wěn)定性分析

為了掌握初始應(yīng)力場的分布情況，繪制了初始應(yīng)力場中鉛垂應(yīng)力云圖，見圖2。

圖2 初始應(yīng)力場

從圖2可看出，初始鉛垂應(yīng)力從上往下是逐漸增大，在同一個高度層位鉛垂應(yīng)力的數(shù)值是相同的，這種分布和靜水壓力的規(guī)律一致。整個數(shù)值計(jì)算中，首先要讓模型平衡，得到初始應(yīng)力場；隨后開挖掉順槽部位的模型，等計(jì)算平衡后，再開挖工作面開切眼部分，重新計(jì)算至平衡。

了解頂板的穩(wěn)定性，先應(yīng)該了解頂板的應(yīng)力分布規(guī)律和變形情況，尤其是鉛垂應(yīng)力分布規(guī)律和頂板的下沉量。為此，繪制了頂板表面附近圍巖的鉛垂應(yīng)力分布規(guī)律圖和頂板下沉量分布規(guī)律圖。

交叉口頂板的鉛垂應(yīng)力云圖及鉛垂應(yīng)力分布三維圖見圖3和圖4。從圖看出，鉛垂應(yīng)力在交叉口中央處最小，（接近零），往四周方向延伸逐漸增大：在煤體內(nèi)部一定范圍內(nèi)達(dá)到最大值，隨后減小，直到和原巖應(yīng)力相同為止。這表明在頂板高度的煤體中形成了一定范圍的圍巖破壞區(qū)域，并在深部形成了應(yīng)力集中帶。鉛垂應(yīng)力分布圖表明，在交叉口處頂板上存在一個三邊都為弧形的三角形卸壓區(qū)域。

交叉口頂板的鉛垂位移云圖及鉛垂位移分布三維圖見圖5和圖6。從圖可知，鉛垂位移在頂板高度

圖3 巷道頂板水平面鉛垂應(yīng)力云圖

圖5 巷道頂板水平面鉛垂位移云圖

圖6 巷道頂板水平面鉛垂位移分布三維圖

圖4 巷道頂板水平面鉛垂應(yīng)力分布三維圖水平上中央的鉛垂位移最大，往四周方向延伸逐漸減小，直到煤體深部為零為止。頂板的鉛垂位移可以明確反應(yīng)頂板的下沉量，頂板的鉛垂應(yīng)力則可反映頂板的受力狀況。從交叉口處頂板的應(yīng)力分布和位移分布情況來看，拐角處的卸壓區(qū)域較大，圍巖也較破碎，應(yīng)力集中主要表現(xiàn)在拐角處煤體的深部，頂板的下沉最大處在交叉口的中央部位。

針對交叉口頂板的受力和變形特性，在工作面開切眼和推進(jìn)中，應(yīng)對交叉口頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，加強(qiáng)支護(hù)的范圍應(yīng)為頂板巖層的卸壓區(qū)域及頂板下沉量嚴(yán)重的區(qū)域，應(yīng)采用錨網(wǎng)支護(hù)；在圍巖較破碎情況下建議采用錨網(wǎng)+W鋼帶+鋼筋梯梁等聯(lián)合支護(hù)，建議此處加大錨桿支護(hù)的深度和密度；如果需要，應(yīng)采用單體支柱之類的工具進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

3 結(jié)論

回采巷道的支護(hù)問題是采礦工程中較復(fù)雜難控制的問題之一；由于受巖層厚度、工作面埋深、地質(zhì)構(gòu)造、開采工藝、巷道尺寸及形狀等因數(shù)的影響，不同條件的礦井應(yīng)采用不同的支護(hù)手段，但就工作面順槽和開切眼交叉口的總體研究情況來看，主要得到以下結(jié)論：1）在交叉口處頂板高度的煤體中形成了一定范圍的圍巖破壞區(qū)域，并在深部形成了應(yīng)力集中帶。鉛垂應(yīng)力分布圖表明，在交叉口處頂板上存在一個三邊都為弧形的三角形卸壓區(qū)域。2）交叉口處鉛垂位移在頂板高度水平上，交叉口中央的鉛垂位移最大，往四周方向延伸逐漸減小，直到煤體深部為零為止。3）交叉口加強(qiáng)支護(hù)的范圍應(yīng)為頂板巖層的卸壓區(qū)域及頂板下沉量嚴(yán)重區(qū)域，應(yīng)采用錨網(wǎng)支護(hù)，在圍巖較破碎情況下建議采用錨網(wǎng)+W鋼帶+鋼筋梯梁等聯(lián)合支護(hù)；如果需要，應(yīng)采用單體支柱之類的工具進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

[1]牛少卿，楊雙鎖，王志剛，寇永嘉.非均勻水平應(yīng)力場中井壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，26(3):60-63.

[2]牛少卿.長壁開采三順槽圍巖控制理論技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2011.

[3]王思紅，牛少卿，寇永嘉.松軟破碎硐室群圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].山西煤炭，2010，30(7):40-42.

[4]毛華晉，牛少卿，顏文艷.長壁開采條件下巷道三岔口穩(wěn)定性研究[J]，山西煤炭，2011，31(1):39-41.

[5]楊雙鎖.煤礦回采巷道圍巖控制理論探討[J].煤炭學(xué)報，2010,35(11):1842-1853.

[6]田柯，田取珍.錨桿支護(hù)參數(shù)對巷道圍巖穩(wěn)定性影響研究[J].山西煤炭，2011，31(5):44-47.

[7]余佳，史鵬飛.長壁開采三順槽錨桿軸力演化特征研究[J].山西煤炭，2011，31(5):40-43.

Roof Stability Analysis and Support Reinforce Extent Determination of Open-off Cut and Crossheading Intersection

ZHANG Zhi-qing;SONG Xuan-min
(College o fm i n i n g E n g i n e e r i n g,T a i y u a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T a i y u a nS h a n x i 030024)

B a s e do nt h es i t u a t i o no f c r o s s h e a d i n ga n do p e n-o f f c u t,u s i n gn um e r i c a l c a l c u l a t i o n,t h e d i s t r i b u t i o no f s t r e s sf i e l da n dd i s p l a c em e n t f i e l da t t h ei n t e r s e c t i o nr o o f o f c r o s s h e a d i n ga n do p e n-o f f c u t w a ss t u d i e dt od e t e rm i n et h er a n g ea n ds i z eo f i n d u c e ds t r e s sf i l e ds u p e r p o s i t i o n,a n dt h a nt od e t e rm i n e s u p p o r tr a n g ea n di n t e n s i t y.T h er e s u l ts h o w e d:t h e r ea p p e a r e das u r r o u n d i n g-r o c kf a i l u r ea r e ai nt h e i n t e r s e c t i o nr o o f,as t r e s s c o n c e n t r a t i o na r e ai nt h ed e e pp a r t;t h ev e r t i c a l s t r e s s d i s t r i b u t i o nm a pi n d i c a t e d a na r ct r i a n g l ep r e s s u r er e l i e f a r e ao nt h ei n t e r s e c t i o nr o o f;t h ev e r t i c a l d i s p o s i t i o nw a sm a x im um i nt h e c e n t e r a t t h er o o f l e v e l,d e c r e a s e dg r a d u a l l yi n t oa l l d i r e c t i o n s,a n db e c am ez e r ot ot h ed e e pp a r t o f c o a l.T h e r e f o r e,t h e a n c h o rm e s hs h o u l db e a d o p t e dt o r e i n f o r c e t h e i n t e r s e c t i o na n dt h e c om b i n e ds u p p o r t(a n c h o rm e s h+W s t e e l b e l t s+r e i n f o r c e ds t e e l t r a p e z i umb e am)s h o u l db eu s e di nt h es u r r o u n d i n gr o c kb r o k e n s i t u a t i o nt o s t r e n g t h e nt h e s u p p o r t d e p t ha n dd e n s i t y;i f n e c e s s a r y,t h e s i n g l e p r o pa n do t h e rm e a s u r e s c o u l d b e u s e d.

o p e n-o f f c u t;c r o s s h e a d i n g;i n t e r s e c t i o n;s t a b i l i t y;n um e r i c a l c a l c u l a t i o n

TD353+.6

A

2011-09-27

張志青（1984—），男，山西原平人，碩士研究生，從事煤礦開采等方面的研究工作。

劉新光