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随着煤层巷道宽度、高度的增大,顶板及两帮的拉应力及拉应力区增大、两肩角处易受剪切破坏、巷道顶板易离层,因此大断面煤巷维护更加困难。针对某矿生产地质条件和大断面巷道的维护特征,应用理论分析、数值计算和工程实践的方法,提出了大断面煤巷稳定机理与控制技术。
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大断面煤巷顶板稳定机理分析与控制技术
张永杰
1
, 郝云新
2
, 柏建彪
1
, 王襄禹
1
, 周 贤
3
, 张科学
1
(1.中国矿业大学矿业工程学院 煤炭资源与安全开采国家重点 实验室 , 江苏 徐州 221008 ;
2.内蒙古煤炭科学研究院 有限责任公司 , 内蒙古 呼和浩特 010010;3.彬县煤炭有限责任公司 , 陕西 咸阳 713500)
摘 要 :随着煤层巷道宽度 、高度的增大 , 顶板及两帮的拉应力及拉应力区增大 、两肩角处易受
剪切破坏 、巷道顶板易离层 , 因此大断面煤巷维护更加困难 。 针对某矿生产地质条件和大断面巷
道的维护特征 , 应用理论分析 、数值计算和工程实践的方法 , 提出了大断面煤巷稳定机理与控制
技术 。
关键词 :大断面煤巷 ;围岩稳定 ;控制技术
中图分类号 :TD353
+
.6 文献标志码 :B 文章编号 :1003 -496X(2011)01 -0050 -04
基金 项目 :国家自然科 学基金项 目 (50774077);煤炭 资源与安 全开
采国家重点实验室自主研究课 题资助项 目 (SKLCRSM08X04);全国
博士学位论文作者专项资金资助项目 (200760);教育部新世纪 优秀
人才支持计划资助项目 (NCET-06 -0475)
1 工程概况
某矿 23盘区南轨道下山布置在 9
#
煤层中 , 埋深
410 m, 9
#
煤层平均厚度为 4.6 m, 倾角 2°~ 4°, 局部
有宽缓伏 , 岩石普氏系数 f=1.5,煤层节理发育。 直
接顶为泥岩及砂质泥岩 , 厚度为 5.7 m;老顶为细砂
岩 , 厚度为 3 m;直接底为泥岩或细中砂岩 , 厚度为
40 m。
南轨道下山沿 9
#
煤层顶板掘进 , 断面 20 m
2
, 采
用锚杆支护 , 顶板采用 Υ22 mm×2 500 mm左旋无
纵筋高强度螺纹钢锚杆 , 加长锚固 , 螺母安装扭矩
100 N· m;两帮采用 Υ16 mm×1 600 mm圆钢锚
杆 , 树脂药卷锚固 , 安装螺母扭矩 60 N· m。锚杆间
排距 800 mm×800 mm, 钢筋梯子梁采 用 Υ14 mm
圆钢焊接 。 采用 Υ17.8 mm× 8000 mm锚索 , 加长
锚固 , 锚索预拉力 70 kN, 每排 2根, 排距 1 600 mm。
在该支护系统下 , 大断面煤巷围岩收敛剧烈 , 两
帮破碎 , 顶板下沉和离层量大 , 甚至发生了一次冒顶
事故 , 巷道安全隐患多 , 维护困难 。
2 大断面煤巷顶板稳定机理分析
对于实体煤巷道 , 由于其长度远大于宽度 , 可将
巷道顶板视为两端由煤壁支撑的固定端支座模型 ,
此时 , 上覆岩层的重量将通过岩层 “梁 ”传递至两端
固定端支座上 , 即煤体上
〔1〕
。假设 “梁 ”上受均布载
荷 q, 巷道宽 L, 根据弹性梁理论可知道 ,巷道顶板所
受剪力最大值处于两肩角处 , 且与 L成正比 , 大小为
qL
2
;巷道中央挠度最大 , 与巷道跨度 L的 4次方成正
比, 其值为 v
max
=
qL
4
384EI
, 大断面煤巷由于跨度 L大,
顶板在两肩角处所受剪力和中部所受拉力较普通巷
道更大,更易在这些区域分别受剪破坏和拉破坏 。
根据弹性梁理论分析结果 , 采用有限元数值计
算软件 FLAC进一步分析大断面煤巷顶板破坏过程
与机理。
2.1 FLAC数值计算模型
依据地质柱状图, 建立有限元数值分析模型 , 如
图 1。模型尺寸 100 m×50 m, 模拟条件 :巷道断面
5 m×4 m, 埋深为 410 m, 煤层厚度为 4.6 m, 直接顶
为 5.7 m厚泥岩 , 老顶为 3.0 m厚细砂岩, 直接底为
4.0 m厚泥岩 , 老底为 6.0 m厚砂质泥岩。 模型先
加载后开挖 。 各岩层力学参数见表 1。
图 1 FLAC数值计算模型
·50·
(第 42卷第 1期)
技术 ·创新
DO I :10.13347/j .cnki .mkaq.2011.01.006
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weixin_38623080
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