綜放全煤回采巷道支護參數(shù)優(yōu)化分析

綜放全煤回采巷道支護參數(shù)優(yōu)化分析

結果表明，張飛礦區(qū)煤層厚度和厚度強度發(fā)生了很大變化，表現(xiàn)出北部強度大、厚度小、南部強度大、強度低的特點。上述研究成果，從支護材料、支護方法和支護理念等方面對不同類型的綜放全煤巷道圍巖控制進行了闡述。但由于煤礦工程地質條件千差萬別，本文結合鶴煤礦區(qū)的工程地質條件，采用正交數(shù)值模擬方法研究埋深、支承壓力系數(shù)、頂煤厚度、錨索布置和煤層強度5個因素對巷道斷面收縮率的影響，提出了礦區(qū)綜放煤巷的圍巖控制方法。1型鋼支護時織物上分層支護鶴壁礦區(qū)回采巷道層位受回采工藝的影響，如早在2003年推廣錨桿支護時，一般為頂分層沿頂掘進巷道，下分層一般采用型鋼支護形式;根據(jù)回采巷道與采空區(qū)的相對位置關系，可分為實體煤巷道、煤柱—煤體巷道，其支護形式種類較多，包括錨網(wǎng)索支護、型鋼支護和聯(lián)合支護等。1.1被動安裝和維護道鶴壁礦區(qū)目前采深700～800m，自推廣綜放回采工藝以來，沿底板布置的巷道一般采用被動支架支護，如工字鋼、U型鋼、鋼管混凝土等1.2強力支護技術早期錨網(wǎng)索支護以沿頂掘進煤巷為主，綜放回采沿底掘進巷道支護以U型鋼支架為主。當時埋深淺，采掘系統(tǒng)簡單，能夠滿足需要。隨著開采強度增加，采掘深度日趨加大，采掘系統(tǒng)日趨復雜，原巖應力和支承壓力較高;給深部回采巷道圍巖控制造成很大的困難。隨著支護技術的進步，高強度、高剛度、高預緊力的強力支護技術應為鶴壁礦區(qū)全煤回采巷道圍巖控制的首選。因此，為減輕工人勞動強度、提升礦井高產高效水平，依托當前的錨網(wǎng)索支護材料和施工工藝，根據(jù)鶴壁礦區(qū)煤層賦存條件，亟須開展鶴壁礦區(qū)錨桿支護參數(shù)和工藝優(yōu)化方面的研究。2正交值分析2.1錨索和頂煤厚度、錨索布置根據(jù)正交模擬的要求選取相應的因素和水平。巷道埋深分別為600、700、800、900m;支承壓力集中系數(shù)分別為1.0、1.5、2.0和2.5;頂煤厚度分別為1、2、3、4m;錨索布置分別為1、2、3、4根;煤層單軸抗壓強度分別為2、3、4、6MPa，對應的變形、強度參數(shù)和節(jié)理面參數(shù)見表1。所采用的模擬軟件為UDEC，該軟件能夠較好地模擬開挖、支護。選用矩形巷道斷面，取巷寬5.0m，巷高3.2m，巷道斷面16m2.2巷道斷面收斂分析各個方案的塑性區(qū)如圖2所示。從圖2可以看出，不同圍巖、不同應力邊界條件下，巷道圍巖的變形有很大的差異;這與巷道埋深、支承壓力系數(shù)、頂煤厚度及錨索數(shù)目、圍巖力學性質等有直接的關系，巷道圍巖塑性區(qū)受到上述因素和不同水平的影響。頂板塑性區(qū)受煤層厚度和巖性的影響較大，即煤層強度越低，錨索根數(shù)少，塑性范圍越大，因此，對厚煤層松軟條件下的頂板條件，應增加錨桿數(shù)量。隨著支承壓力系數(shù)的增大，兩幫塑性區(qū)由“V”形向條形過渡，如方案8、12和方案16，其支承壓力系數(shù)分別為2.0、2.5和3.0。以巷道斷面收縮率目標值，進行極差分析(R)，過程如下。(1)將16個試驗結果，填在表2的試驗指標欄內。16個試驗的指標總和為247.34。第16號試驗的巷道收斂指數(shù)最大，埋深900m，支承壓力集中系數(shù)3.0，錨索2根，頂煤厚度1m，煤層強度2MPa，即A(2)計算各列的K(3)對各個因素作用下的極差進行比較，極差的大小反映了因素變化時試驗指標的變化幅度。因此，因素的極差越大，就是該因素的影響越大，對收斂指數(shù)的影響越大。這樣，就可以由R的大小把各因素的主次關系，由主到次:B→A→C→D→E。(4)從表2可知，5個因素中，對巷道斷面收斂率影響最大的因素和水平依次為:埋深(水平4,900m)→支承壓力集中系數(shù)(4,3.0)→錨索布置(3,3根)→頂煤厚度(4,1m)→煤層強度(2,2MPa)。根據(jù)以上的分析結果，可以看出:應力對巷道斷面影響最為明顯，其次為錨索和煤層參數(shù)。以巷道斷面收縮率為目標函數(shù)，以埋深、支承壓力、頂煤厚度、錨索根數(shù)和煤體強度為自變量，采用多項式二次回歸方法，擬合出二次方程:式中，Y為巷道斷面收斂系數(shù);X結合鶴煤公司九礦3204孤島工作面的工程地質條件，5個因素中，僅變化其中一個因素，可得隨著各參量的變化巷道圍巖的收斂規(guī)律，如圖3所示。當巷道埋深從450m增加到1050m時，巷道斷面收斂系數(shù)從10.20%逐漸增加到38.33%，呈現(xiàn)線性增加的規(guī)律。隨著支承壓力集中系數(shù)K逐漸增加，巷道斷面收斂系數(shù)增加較為明顯，δ從K=1.0時的18.50%增加到K=3.6時的33.58%;其影響規(guī)律與巷道埋深類似。當頂煤厚度從1.0m增加到3.6m時，巷道斷面收斂量先增加后減小，臨界值為2.4m左右，這符合錨桿—錨索協(xié)同支護的規(guī)律。頂煤厚度增加，在錨桿、錨索作用下所形成的錨固梁厚度較大，下沉量亦減小。但整體上看，頂煤厚度對斷面收斂的影響大致在25%左右浮動，變化量不大。當煤層強度從1.0MPa增加到6.0MPa時，巷道斷面收斂值逐漸減小，但再增加強度時，對斷面收斂值影響不明顯。巷道錨索變化時，巷道收斂量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，臨界值為N=4根錨索。因此，針對鶴壁礦區(qū)條件下，在支承壓力集中系數(shù)K=3.5時，應保證巷道頂板至少有4根錨索才能保證其斷面收斂量控制在30%左右。鶴煤公司九礦3204工作面巷道，其埋深為760m，支承壓力系數(shù)1.5～3.5;錨索根數(shù)3根或4根，煤體強度3.8MPa，頂煤厚度為1.64m，計算可得巷道圍巖收斂率系數(shù)為11.99%～28.42%。3托頂錨桿、錨索設置鶴煤公司九礦3204孤島工作面巷道為沿空掘巷布置，小煤柱寬度為3m左右，掘進期間，在支承壓力作用下，即發(fā)生了較大的變形，“網(wǎng)兜”現(xiàn)象比較常見，偶發(fā)錨桿和錨索斷裂;托頂煤厚度為2.0m左右時，鋼帶被錨桿撕裂現(xiàn)象較為常見，巷道成型較差，頂板下沉加劇，安全隱患大。為此，除了加強錨網(wǎng)索支護質量管理外，及時調整支護參數(shù)，錨索排距縮減為700mm，改為“4-3-4”布置，局部地段采用組合式液壓抬棚及單體液壓支柱進行貼幫支護。采用新的支護參數(shù)后，工作面回采期間，巷道面貌大為改觀，只有局部地段進行了返修，滿足了回采工作面正常推進的需要。礦壓觀測數(shù)據(jù)如圖4所示。4全煤回采巷道支護參數(shù)優(yōu)化調研了鶴煤公司厚煤層回采巷道圍巖控制情況，發(fā)現(xiàn)被動U型鋼支護和常規(guī)的錨桿索支護存在巷道變形量大、返修率高的情況。采用正交數(shù)值分析方法，對影響巷道圍巖變形的因素進行了分析，并進行了工業(yè)性試驗。(1)采用單一的U型鋼支架，已無法滿足鶴壁礦區(qū)深部回采巷道圍巖控制的需要，存在巷道變形量大、返修率高、工人勞動強度大和成本高等缺點。隨著支護技術的進步，高強度、高剛度、高預緊力的強力支護技術應為鶴壁礦區(qū)全煤回采巷道圍巖控制的首選。(2)采用正交數(shù)值方法對鶴壁礦區(qū)主采的全煤回采巷道的支護參數(shù)進行了模擬分析。對巷道斷面收斂影響由大到小的順序:埋深→支承壓力集中系