CN106884669B - 一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法 - Google Patents

一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法 Download PDF

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Abstract

一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法,属于矿山开采技术领域;包括:步骤1:获取待控制巷道工作面参数;步骤2:根据巷道工作面参数计算巷道围岩应力;步骤3:绘制巷道围岩应力解析图,确定巷道围岩应力集中区域;步骤4:巷道开采过程中,对巷道围岩应力集中区域进行泄压;本发明能够在回采期间受开采扰动下,使两端头顶板发生片帮、冒顶事故的概率得到减小,保证机头机尾的正常推进和超前端头支架的顺利推移。

Description

一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法
技术领域
本发明属于矿山开采技术领域,具体涉及一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法。
背景技术
传统巷道常采用锚杆+金属网+钢带+锚索联合支护方式,同时对工作面两端头安装两组超前支架和一组端头支架进行超前端头维护,该支护方式基本能够控制巷道顶板及两帮的变形,但受到工作面采动和顶板周期来压的影响,两端头顶角煤帮产生松动、失稳、煤壁承载上覆顶板岩层能力逐渐丧失,超前端头顶角处顶板破碎、下沉严重,造成工作面过机头机尾时,时常出现片帮、冒顶、机头机尾超前端头支架移架困难等现象,影响工作面正常推进速度,为此解决工作面两端头支护问题、保证工作面正常推进是该矿亟需解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足,本发明提供一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法。
本发明的技术方案:
一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法,包括如下步骤:
步骤1:获取待控制巷道工作面参数,包括:围岩应力、巷道x方向上的面力、巷道y方向上的面力和侧压系数;
步骤2:根据巷道工作面参数计算不考虑巷道支护阻力时的围岩应力和只考虑巷道支护力时围岩应力,得到巷道受到围岩应力和支护体共同作用下的巷道围岩应力σθ
其中,p为围岩应力,c0、c1、c2分别为映射函数前3项系数,X为巷道x方向上的面力,Y为巷道y方向上的面力,μ为应变常量,s为巷道侧压系数,θ为角度。
步骤3:绘制巷道围岩应力解析图,确定巷道围岩应力集中区域及最大值;
步骤4:巷道开采过程中,对巷道围岩应力集中区域进行泄压,使巷道围岩得到控制;如巷道围岩应力集中区域为端头顶角,可在靠近工作面端头顶角处煤壁进行扩帮处理,每班扩帮保证一天生产循环进度,扩帮后顶部采用金属网加锚索进行加强端头顶板的支护强度,促使巷道围岩内应力集中区域得到泄压,将端头顶角处的应力集中区域向深部转移,减小煤壁受采动和周期来压影响端头顶板失稳现象的发生概率,使巷道围岩得到控制。
有益效果:一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法与现有技术相比,具有如下优势:在回采期间受开采扰动下,两端头顶板发生片帮、冒顶事故的概率得到减小,保证机头机尾的正常推进和超前端头支架的顺利推移。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法的流程图;
图2为本发明一种实施方式的矩形巷道分析力学模型图;
图3为本发明一种实施方式的平面矩形到ξ平面单位圆的映射示意图,其中,(a)为平面矩形示意图,(b)为ξ平面单位圆示意图;
图4为本发明一种实施方式的巷道各点围岩应力分布图;
图5为本发明一种实施方式的3种情况下巷道围岩受力情况及塑性区分布图,其中,(a)为工作面未开采前巷道围岩受力情况图,(b)为工作面未开采前巷道围岩塑性区分布图,(c)为工作面开采后巷道围岩受力情况图,(d)为工作面开采后巷道围岩塑性区分布图,(e)为扩帮补打加强锚索后工作面开采时巷道围岩受力情况图,(f)为扩帮补打加强锚索后工作面开采时巷道围岩塑性区分布图;
图6为本发明一种实施方式的回风顺槽顶底角测点布置图;
图7为本发明一种实施方式的端头顶角3个测点三种情况下应力变化曲线图,其中,(a)为4号测点三种情况下应力变化曲线,(b)为8号测点三种情况下应力变化曲线,(c)为12号测点三种情况下应力变化曲线,系列1表示工作面未开采时应力变化曲线,系列2表示工作面开采时应力变化曲线,系列3表示工作面扩帮补打加强锚索并开采时应力变化曲线;
图8为本发明一种实施方式的三种情况下3个测点应力变化图,(a)工作面未开采前巷道端头顶角3个测点应力变化图,(b)工作面开采时巷道端头顶角3个测点应力变化图,(c)工作面已扩帮补打加强锚索开采时巷道端头顶角3个测点应力变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。
本实施方式中,以上社二景煤矿15107为例,上社二景煤矿15107工作面位于15#煤Ⅰ采区西翼北部,地质构造简单,进回风巷道均为矩形断面,巷道采用锚杆+金属网+钢带+锚索联合支护方式,同时对工作面两端头安装两组超前支架和一组端头支架进行超前端头维护。
如图1所示,本实施方式的综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法,包括:
步骤1:获取待控制巷道工作面参数:围岩应力p、巷道x方向上的面力、巷道y方向上的面力和侧压系数s;
步骤2:根据巷道工作面参数计算不考虑巷道支护阻力时的围岩应力和只考虑巷道支护力时巷道边应力,得到巷道受到围岩应力和支护体共同作用下的巷道围岩应力σθ
由于工作面进回风巷道的高宽远远小于巷道长度,故将矩形巷道应力计算问题转化到平面矩形应变问题上,运用复变函数理论和弹塑性力学理论进行无支护状态和有支护状态下求解,得出围岩应力解析式。
假设作用在巷道上覆岩层的压力与巷道埋深成正比p=γH,巷道的埋深远远大于巷道的高度,可认为巷道顶底板受到的力一样,作用在巷道水平方向上的力与巷道的侧压系数s成比例关系,即为sp,其中s表示侧压系数,为了考虑计算方便,将巷道断面高宽设为2a×2b,鉴于要消除围岩边界效应,将模型设置为巷道的5倍,如图2所示。
结合复变函数理论和弹塑性力学理论对巷道围岩受力分析情况进行假设解析,即巷道在仅巷道受支护阻力和不考虑巷道支护阻力两个方面进行分步解析,推导过程为:
建立应力组合的复变函数表达式为:
利用保角变化,将物理平面转化到像平面上进行问题的求解,原有的物理平面上的关系也随着转化到像平面上进行计算,应力函数表达式:
式3中X、Y分别为巷道支护体所提供在x、y方向上的面力,利用巷道远场应力σ1、σ2可推导计算出B、B′、C,其表达式为:
其中,α为主应力方向。为ξ在单位圆之内的解析函数,ξ在圆周范围内连续,为保证矩形能完全映射到单位圆上,如图3(a)和图3(b)所示,结合施瓦茨一克里斯托菲尔法和保角变换,根据相应的映射关系可得到:
其中,c0、c1、c2分别为映射函数前3项系数。
针对围岩压力和巷道支护阻力之间计算问题的复杂性,可将计算分步为巷道仅受支护阻力和不受支护阻力两种情况进行分别计算。
(1)不考虑巷道支护阻力时巷道围岩应力计算
设巷道远处围岩在与x轴成α角的方向上受均匀压力p,巷道内表面不受面力,如图2外部受力一致。
σθγ=4ReΦ(ξ)为巷道边的应力值,在巷道边,σγ=0,σθ=ξ=cosθ+isinθ,经简化可得:
(2)只考虑巷道支护力时巷道围岩应力值计算
如图2中内部受力表示一样,巷道围岩只受到支护体所提供的支护阻力,支护阻力位均布载荷,巷道表面不受任何剪切力,即:
由于σθγ=4ReΦ(ξ),而σγ=0得:
其中,μ为应变常量。
由上述推导可得出巷道受到围岩应力和支护体共同作用下的巷道边的应力计算公式为:
步骤3:绘制巷道围岩应力解析图,确定巷道围岩应力集中区域及最大值;
结合上社二景煤矿15107工作面的地质资料参数,运用Mathcad 14软件对式(12)进行整体赋值解析,通过计算得出σ(θ)解析图如图4所示,从图中可得巷道围岩应力集中区域主要存在巷道的顶底角上,呈现对角方式,且在顶底角处应力达到最大值,接近于30MPa,当工作面端头处受开采扰动时,两端头顶角处煤帮受到开采扰动顶角应力σ(θ)是静压条件下的数倍,且顶角应力σ(θ)会随着工作面采煤机割煤距端头之间距离的减小而增大,当采煤机继续向端头方向割煤,σ(θ)达到一定临界值(30MPa)时,端头处顶角周围围岩应力σ(θ)达到最大值(大于30MPa),此时顶板开始松动、失稳,呈现裂隙破坏,出现片帮、冒顶事故现象。
步骤4:巷道开采过程中,为解决工作面端头处时常出现片帮、冒顶事故,保证工作面超前端头支架的顺利推移和工作面的正常推进,上社二景煤矿采用在靠近工作面端头顶角处煤壁进行扩帮处理,每班扩帮保证一天生产循环进度(长4m×宽1m×高1m),扩帮后顶部采用金属网加锚索(φ17.8mm×8300mm,间距0.5m,排距1m)进行加强端头顶板的支护强度,促使巷道围岩内应力集中区域得到泄压,将端头顶角处的应力集中区域向深部转移,减小煤壁受采动和周期来压影响端头顶板失稳现象的发生概率,使巷道围岩得到控制。
为验证方法的有效性,利用FLAC3D对回风顺槽巷道围岩受力情况进行数值模拟,从图5(a)~(f)中巷道在3种状态下围岩受力情况及塑性区可以看出:工作面未开采时巷道围岩应力集中区在顶底角处,在工作面开采过程中,巷道顶角(靠近工作面侧)发生塑性破坏,至此随着工作面在机尾处进行割煤,造成机尾顶角处出现片帮、冒顶现象,影响工作面的推进及回风顺槽超前端头支架的推移,给生产造成了重大阻力。而当工作面开采前对回风顺槽端头处进行扩帮补打加强锚索后,端头处应力集中区域得到泄压,塑性区域向工作面顶板深部转移,工作面开采过程中端头处不在出现片帮冒顶现象,为工作面顺利推进奠定了良好的安全基础。
如图6所示,对回风顺槽顶底角布置12个测点,沿对角方向布置,每个角布置3个测点,测量巷道顶底角受采动影响应力分布情况。
(1)在工作面开采前、后及扩帮补打加强锚索后对测点4号、8号、12号围岩受力分别进行应力分析,如图7(a)~(c)所示:
①由图7(a)可看出4号测点在工作面未开采时,巷道围岩受力稳定,受力均在30MPa以内,端头顶角压力最大,端头处围岩未出现片帮、冒顶现象。而在工作面开采后(未扩帮补打加强锚索),端头处将会出现片帮、冒顶事故,围岩应力集中区域得到泄压、趋于稳定状态。工作面开采(扩帮补打加强锚索),端头处围岩得到泄压、围岩趋于稳定状态。
②由图7(b)可看出8号测点在工作面未开采和开采时工作面端头处顶角应力集中达到30MPa以上,随着开采扰动影响,易出现片帮冒顶现象,而采取扩帮补打加强锚索后会使得8号测点处的应力得到泄压,并使应力集中区域向深部转移。
③由图7(c)可看出12号测点在工作面未开采和开采时工作面端头处顶角应力集中也达到30MPa,但相对于8号测点端头顶角处围岩逐渐减小,随着开采扰动影响,同样也易出现片帮冒顶现象,采取扩帮补打加强锚索后12号测点的应力相对于8号测点应力逐渐增大,验证扩帮后补打加强锚索使端头顶角处应力集中区域得到泄压,并向工作面深部转移,得到控制。
(2)对工作面开采前、后及扩帮补打加强锚索后整个端头顶角围岩应力分析,如图8(a)~(c)所示:
①由图8(a)可知在工作面未开采时,端头顶角处应力4号、8号、12号测点应力呈现微弱的逐渐减小趋势,在4号测点处形成应力集中区域,且4号测点处围岩应力最大,接近于30MPa,处于临界状态,受工作面采动影响,极易出现片帮冒顶事故。
②由图8(b)可知工作面开采时端头顶角4号、8号测点处已出现片帮、冒顶事故,应力集中区域得到泄压,12号测点处应力已超过30MPa,表明片帮、冒顶事故继续向深部扩散。
③由图8(c)可知扩帮补打加强锚索后进行工作面开采时,4号、8号、12号测点应力值均在30MPa以内,应力区域相对集中,端头顶角周围测点应力集中区域得到一定程度上的泄压,并未达到片帮现象出现要求,回采时端头顶角得到控制。

Claims (1)

1.一种综采工作面端头顶板受采动扰动下的围岩控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:获取待控制巷道工作面参数;所述待控制巷道工作面参数包括:围岩应力、巷道x方向上的面力、巷道y方向上的面力和侧压系数;
步骤2:根据巷道工作面参数计算巷道围岩应力;所述围岩应力的计算方法包括:根据巷道工作面参数计算不考虑巷道支护阻力时的围岩应力和只考虑巷道支护力时围岩应力;巷道受到围岩应力和支护体共同作用下的巷道围岩应力σθ为:
其中,p为围岩应力,c0、c1、c2分别为映射函数前3项系数,X为巷道x方向上的面力,Y为巷道y方向上的面力,μ为应变常量,s为巷道侧压系数,θ为角度;
步骤3:绘制巷道围岩应力解析图,确定巷道围岩应力集中区域;
步骤4:巷道开采过程中,对巷道围岩应力集中区域进行泄压,使巷道围岩得到控制,具体方法为:在靠近工作面端头顶角处煤壁进行扩帮处理,每班扩帮保证一天生产循环进度,扩帮后顶部采用金属网加锚索进行加强端头顶板的支护强度,促使巷道围岩内应力集中区域得到泄压,将端头顶角处的应力集中区域向深部转移,减小煤壁受采动和周期来压影响端头顶板失稳现象的发生概率。
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