机载临时支护对煤巷顶板稳定性影响的数值模拟研究.doc

1、机载临时支护对煤巷顶板稳定性影响的数值模拟研究摘要：掘进迎头临时支护安全问题是困扰煤炭生产多年的一项技术难题。根据我国煤巷机械化掘进现状及余吾煤业具体巷道条件，采用数值模拟方法研究煤巷掘进过程中机载临时支护对煤巷顶板的稳定性影响，得出机载临时支护结构因其较大的初撑力，使最大主应力峰值向巷道表面转移，降低了围岩深部应力集中且顶板沉降得到有效控制。建议煤巷施工采用机载临时支护方式，保证巷道安全快速掘进。 关键词：机载临时支护，顶板稳定性，数值模拟，煤巷 中图分类号：TD353 文献标识码: A 文章编号： 0 引言 随着高产高效采煤机械在我国煤矿生产中的使用，从过去单纯追求巷道工程量少，向多开煤巷

2、、少开岩巷方向转变。煤巷锚杆、锚喷和锚杆网支护技术的研究与完善, 更有利于煤巷的大量开掘。尽管工作面日推进速度大大加快，但巷道掘进速度慢常导致准备工作面时间相对较长，造成采掘接替日益紧张，采掘问题失调成了很多大型矿井的当务之急1-2 。高效掘出所需要的准备巷道对煤矿实现高产高效生产有重要的意义，也是煤矿生产者一直追求的目标。实际上对于综掘施工，可充分利用掘进机作为载体，将综掘机与前探支护融为一体，通过综掘机液压系统提供的动力实现临时支护，从而用机载超前支护系统代替原临时支护12 。国内有些地区已经开始要求煤矿在购买掘进机时需配置临时支护装置。鉴于目前机载临时支护对顶板稳定性影响的理论研究尚落后

3、于实践，作者对余吾煤业 S1202 工作面胶带顺槽机载临时支护对巷道顶板稳定性的影响进行了数值模拟分析，以此对工程施工进行指导，保证巷道使用安全和实现快速掘进。 1 工程概况 余吾煤业井主采二叠系下统山西组 3#煤层，平均埋藏深度550m600m，最大埋深大于 800m。煤层 5.00m7.25m。S1202 工作面胶带顺槽沿 3#煤底板掘进，老顶为细粒砂岩，厚度为 013.99m，灰白色，巨厚层状。直接顶为中粒砂岩，厚度为 01.82 m，灰黑色，厚层状，岩芯破碎。直接底为粉砂岩，厚度为 00.63 m，灰黑色，厚层状，与下伏地层过渡接触，含不完整植物化石。老底为细粒砂岩，厚度 01.22

4、m，灰白色，厚层状，参差状断口，与下伏地层明显接触。 2 机载临时支护主要技术参数 掘进迎头临时支护安全问题是困扰煤炭生产多年的一项技术难题，常用的前探梁和支柱加横梁两种支护方式都严重影响着掘进效率，且仍有安全薄弱环节。经多方考察，选用 ZLJ-10/21 型机载临时支护系统。支护面积 2m3m（展开 3.4m3.4m） ，支护超出炮头 1m1.8m（展开2.8m） ，最大支撑力 1t，掘进施工时最大空顶距为 1.8m，最小空顶距为0.2m。 3 机载临时支护数值模拟分析 对于非线性材料，物理不稳定的可能性总是存在的，例如：顶板断裂、矿柱的突然垮塌。在现实中，系统的某些应变能转变为动能，并从力

5、源向周围扩散。采用 FLAC 数值模拟可以在被模拟的物理系统本身是非稳定的情况下，其有限差分数值计算仍有稳定解。 3.1 模型构建 以 S1202 工作面胶带顺槽作为模拟对象，该巷道沿 3#煤层底板掘进。巷道断面为矩形，掘进高度 3.2m，宽度 4.8m，断面积为 15.36m2。针对S1202 胶带顺槽机载临时支护和锚杆+锚索+金属网两种支护方式，建立地质模型。模型尺寸：宽高厚40m40m4.8m，原点在巷道帮顶中线的交叉点上。 3#煤层埋深 585.4m610.3m，根据以往的地应力资料应力以自重引起的铅直应力为主，约为 15.22Mpa15.26Mpa 之间，施加在模型的上边界。模型水平

6、边界限制 x 方向的位移；底边为固定约束，x、y 和 z 三个方向上无位移；模型沿轴向 z 向没有位移。建立的地质模型及机载临时支护数值计算模型如图 1 及图 2 所示。 图 1 地质模型图 图 2 机载临时支护数值计算模型 3.2 巷道机载临时支护数值模拟分析 S1202 胶带顺槽超前支护形式采用机载临时支护，结合锚杆锚索永久支护形式，模拟分析巷道在无临时支护和最大初撑力为 1t 时，掘进头围岩应力，位移的变化，如图 3 及图 4 所示。 a）无支护时巷道主应力 b)机载临时支护时巷道主应力 图 3 最大主应力云图 如图 3 所示，巷道掘进时，掘进头无临时支护时巷道最大主应力峰值作用范围为距

7、巷道表面 8.4m；当采用机载临时支护时，最大主应力云图在机载临时支护和永久支护形式上呈现出不同程度的应力集中，且最大主应力峰值作用在机载临时支护上范围为距巷道表面 2.3m，而最大主应力峰值作用在永久支护形式上的范围为距巷道表面约为 7.8m。 数值模拟结果表明，机载临时支护结构因其较大的初撑力，改变了围岩的受力结构，使最大主应力峰值向巷道表面转移，降低了围岩深部应力集中。 a）无支护 b)机载临时支护 图 4 垂直位移云图 如图 4 所示：无临时支护时，巷道顶板垂直位移下沉量最大值为90mm；采用机载临时支护时，巷道顶板位移峰值前移，顶板下沉主要集中在永久支护形式下；在机载临时支护作用下，

8、巷道顶板下沉值最大为30mm。机载式临时支护装置属于主动支护与被动支护相结合的支护方式。初始时采用主动对顶板施加一定的压力，在一定时间内有效控制顶板。当顶板发生变形时，装置又被动受力。因此要求，机载临时支护装置具有足够的强度、刚度和稳定性。 通过以上数值模拟说明，机载临时支护由于其较大初撑力和空顶面积有效的控制了巷道围岩的应力和位移，有效的保护了在支护装置下进行巷道顶板锚固作业的工人。 4 机载临时支护对煤巷安全掘进的意义 采用 ZLJ-10/21 型机载临时支护系统与传统临时支护方式相比，除了具有操作简单、高效、适应性强外，结合工程实际及数值模拟结果，在安全掘进保证上具有具有如下突出优点。

9、（1）传统临时支护没有初撑力、属于被动支护,而机载临时支护对空顶区的支护有初撑力，属于主动支护，随着顶板的变形，才转换为被动受力； （2）传统的前探梁临时支护前探梁与顶板为点和线接触，支护面积小，效果差；采用 ZLJ-10/21 型机载临时支护系统, 支护面积大，使顶板处于安全可靠支护状态，可有效减少巷道顶板垂直位移下沉量，巷道围岩稳定性得到提高； （3）前探梁临时支护护顶是依靠已锚固的锚杆作为其生根点, 一旦发生冒落势必加大冒顶面积, 造成大事故；而采用机载临时支护能及时支护空顶区且受力生根点为掘进机, 生根有力, 支护的可靠性大7 ； （4）工程煤巷掘进中，机载临时支护还起到托锚网、保护安全施工的作用；操作人员在安全区域进行操作，避免人员进入空顶区作业，提高迎头作业的安全性，施工安全系数得到了很大提高；机载临时支护装置作为掘进机的辅机，具有很好的兼容性，支护装置不干涉掘进机的运动、截割、装载作业功能，两者动作呈互锁关系。 5 结论及建议 机载临时支护是综掘工作面临时支护的一个重要发展方向，不仅缓和了采掘失调的矛盾，而且极大的改善了作业环境和降低了工人劳动强度，保证了锚网支护巷道的快速安全掘进，具有广阔的发展前景和应用价值。