煤矿巷道穿越断层的支护模拟和实践

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论文摘要

  1、概况
  
  富强煤矿 13204 工作面入风巷、回风巷在煤层中布置。巷道在掘进施工中必须穿过三组断层,因巷道围岩破碎,应力较大,极易发生冒顶事故。该采区煤层厚度 4.0m 以上,埋深 460m.顶板岩性为粉砂、页岩、细砂岩,厚度计16m;底板岩性为细砂岩、碳页岩、粉砂,厚度计15m.随着开采深度的加深,巷道压力增加,顶板围岩破碎,出现了多处网兜。

  原有的支护方式不能满足要求,必须采用加长锚杆、加长锚索加固巷道支护,方能有效控制巷道围岩稳定,使巷道顶板趋于稳定,达到安全生产。

  2、模拟方案
  
  依 据 富强 煤 矿 地 质 资 料,结合 13204 工作面 入 风 巷、回风巷顶板支护的实际状况,综合论证,设计模型尺寸长×宽×高85m×85m×36m,顶部边界施加 400m上覆岩层的自重。采用摩尔-库伦弹塑性模型进行计算。根据锚杆现有的作业规程锚杆支护计算公式进行计算,得出了锚杆直径许用范围 20 ~22mm,锚杆长度许用范围2.0m~2.4m,锚杆的排间距许用范围 0.8~ 0.9m,锚索直径许用范围15.0 ~17.8mm,锚索长度许用范围 7.0 ~8.3m,锚索的排间距许用范围1.8~2.0m.

  3、模拟分析
  
  巷道穿越断层,岩石比较破碎,采用离散元数值模拟方法进行模拟巷道开挖,依照巷道顶、底板的情况,得出了三种不同方案。第一种方案在没有支护的情况下进行开挖,巷道一帮出现最大位移 269mm, 巷道顶板最大下沉量 53mm,这种状况巷道极易冒顶,巷道出现不稳。第二种情况巷道开挖后立即按照原有支护设计进行支护,巷道一帮出现最大位移 154mm, 巷道顶板最大下沉量 28mm,而这种情况巷道存在较大隐患。第三种情况根据模拟结果进行支护,巷道开挖后同样立即进行支护,巷道一帮出现最大位移 17mm, 巷道顶板最大下沉量 6mm,巷道支护处于正常状态。

  根据以上三种巷道在断层下支护状态分析得出,受到断层影响的巷道,巷道支护时采用锚杆直径 22mm,锚杆长度 2.4m,锚杆的排间距0.8m,锚索直径 17.8mm,锚索长度 8.3m,锚索排拒 1.8m,锚索间距2.0m.这样支护的巷道顶板完整,支护效果良好。

  4、实际应用
  
  富强煤矿掘进 13204 工作面入风巷、回风巷初期支护,在短时间内变形量较大。采用新型设计支护后三个月以来,巷道一帮出现最大位移16mm, 巷道另一帮出现最大位移 19mm,巷道顶板最大下沉量 8mm,巷道的变形量基本趋于平稳状态。

  5、总结
  
  ①断层影响下的巷道易发生冒顶事故,必须对破碎的岩体进行加密支护,锚杆加长,锚索加长,必要时锚索加长至 8.3m,同时排间距减小。②普通的锚索支护效果有限,可以采用新型锚索,锚索顶端采用螺纹式,锚索上索具处采用螺纹式,这样使锚索整体更加完好,锚索支护更加稳固。③每隔 50m 巷道顶板打一个顶板监测离层仪,距离巷道工作面 50m 内每个作业小班观测一次,距离巷道工作面 50m 外每周观测三次,发现巷道变形量异常时,巷道及时加强支护,使巷道支护稳定。
  
  参考文献
  [1] 徐遵玉 , 奚小虎 . 软岩巷道锚杆支护参数设计 .

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