一种深部大断面切眼成巷方式及支护时机的确定方法

文档序号:25991872发布日期:2021-07-23 21:03阅读:147来源:国知局
一种深部大断面切眼成巷方式及支护时机的确定方法

本发明涉及煤矿开采技术领域,具体涉及一种深部大断面切眼成巷方式及支护时机的确定方法



背景技术:

开切眼是采煤工作面设备安装与开始回采场所,随着综放工作面机械化程度的逐渐提高,综放工作面的开切眼宽度也逐渐增大,同时近年来伴随着浅部煤炭资源的枯竭,许多矿井也开始向深部转移。切眼的服务时间一般较短只有几个月,如果为满足对深部大断面切眼围岩变形控制起到良好效果而注重支护强度、密度,将会导致支护过度,不仅增加成本,而且对于综放工作面还将导致首次放煤困难、增加工作面顶板管理难度等严重后果。若考虑到其服务时间短而降低支护强度导致围岩变形破坏严重致使设备无法安装,须再次刷顶或卧底等,影响矿井安全高效生产。

尽管对深部大断面切眼顶板破坏机理有大量的研究,连续体方法不能模拟顶板裂缝张开和滑动的抑制作用,但是利用离散元方法研究顶板破坏过程与顶板控制相对较少。关于深部大断面切眼的成巷方式、顶板岩层裂缝的启动、滑移和扩展特征的研究较少,现有研究没有一种能够确定深部大断面切眼的成巷方式及支护时机的方法,导致深部大断面切眼顶板控制问题难以解决。



技术实现要素:

针对上述存在的技术不足,本发明的目的是提供一种深部大断面切眼成巷方式及支护时机的确定方法,通过本方法能够确定深部大断面切眼的成巷方式及支护时机,进而有效的控制深部大断面切眼顶板岩层的稳定,提高了矿井的机械化效率,有利于推广深部大断面切眼的应用。

为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:

本发明提供一种深部大断面切眼成巷方式及支护时机的确定方法,具体包括以下步骤:

s1、深部大断面切眼顶板变形力学模型分析及成巷方式选择;基于简支梁模型,建立深部大断面切眼顶板挠曲计算模型,根据梁的弯矩方程和挠曲线微分方程得到顶板最大挠度与跨度的关系式,并进行成巷方式的选择;

s2、深部大断面切眼顶板破坏过程udec模型建立,调整模型参数匹配岩体强度并进行全局参数校正匹配现场变形特征;通过数值标定获得用于表示岩体特征的接触面和多边形的力学参数,根据现场切眼顶板岩层顺序建立udec数值计算模型,并进行全局模型参数校正匹配切眼导硐掘进后现场变形特征,保证模型的合理性;

s3、反演导硐掘进期间和二次扩刷期间顶板裂隙特征和破坏过程;通过数值模拟反演深部大断面切眼导硐掘进期间和二次扩刷期间三个不同阶段顶板裂隙扩展特征和顶板破坏模式,确定合理的支护时机;

s4、对比不同支护强度和支护时机顶板控制效果;提出适用于现场深部大断面切眼的支护方案,并通过数值模型模拟对比分析三种支护方案下切眼顶板岩层支护效果;

s5、确定深部大断面切眼成巷方式和支护时机;基于深部大断面切眼顶板破坏模式、裂隙分布和损伤特征分析,确定两次成巷的成巷方式,并提出高预应力锚索配合钢筋网片、钢筋梯子梁和托盘的高强度护表构件和二次扩刷期间顶板及时支护、对两次开挖交界面区域重点支护的控制策略。

优选地,步骤s1中,通过在建立深部大断面切眼顶板简支梁力学模型,求解深部大断面切眼顶板最大挠度与跨度的关系式(1):

式中,ωmax为深部大断面切眼顶板最大挠度;q为上覆岩层载荷;e为梁的弹性模量;h为梁的高度;l为梁的跨度。

优选地,步骤s2中,建立宽度为2m高度为4m的ucs试块模型和直径为2m的巴西圆盘试块的udectrigon逻辑校正模型,采用试错法调整块体和接触面的输入参数进行校准以匹配岩体特性。

优选地,步骤s2中,在全局参数校正匹配现场变形特征过程中,导硐的掘进模拟方法通过fishfunction嵌入udec模型中,等效力被分解为10个阶段来模拟逐渐开挖的过程,在每个阶段,施加在开挖边界上的内应力减小原始等效力的10%,并计算足够的数值时间步长,以确保模型达到平衡,减小瞬态对材料失效的影响,提供更静态的计算方案。

优选地,步骤s3中,顶板岩石的断裂可以通过微震活动来识别,在udec模型中,块接触的破坏是微震的主要来源,因此通过统计特定计算时长内裂纹增量的数量,用来模拟微震活动,通过微裂纹的扩展过程确定合理的支护时机,术语“损伤”定义为破坏接触(拉伸或剪切)的数量与顶板中所有预定义接触的数量之比d,计算式(2)为:

d=(ls+lt)/lc×100%(2)

式中:ls是剪切裂隙总长度,lt是拉伸裂隙总长度,lc是总的接触长度。

优选地,步骤s4中,为了更加清晰的表示顶板上方不同区域顶板损伤程度,将深部大断面切眼顶板上方9m范围内岩层分为1m×1m的正方形网格,每个子网格的损伤计算按照步骤s3中式(2)计算。

本发明的有益效果在于:

1)本发明通过建立深部大断面切眼顶板变形力学模型,得到了顶板挠度与跨度的关系,确定了深部大断面切眼二次成巷的成巷方式,通过udec数值计算模型反演了导硐掘进和二次扩刷期间顶板裂隙的扩展过程,合理的支护时机能够控制顶板微裂纹的扩展降低宏观裂隙的发育高度;

2)分析了三种支护方案下切眼顶板岩层支护效果,通过本方法能够确定深部大断面切眼的成巷方式,进一步的确定支护时机以及合理的支护强度,保证深部大断面切眼的稳定,一定程度上提高了矿井的机械化程度和生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例提供的深部大断面切眼及工作面布置图;

图2为本实施例提供的深部大断面切眼综合钻孔柱状图;

图3为本实施例提供的深部大断面切眼顶板变形力学模型图;

图4为本实施例提供的深部大断面切眼数值模型示意图;

图5为本实施例提供的深部大断面切眼顶底板煤岩体参数校正数值模型图;

图6为本实施例提供的深部大断面切眼全局模型参数校正匹配现场变形量图;

图7为本实施例提供的深部大断面切眼导硐掘进期间15202回风顺槽底鼓量与煤柱内垂直应力分布规律模拟图;

图8为本实施例提供的深部大断面切眼导硐掘进期间三个不同阶段内顶板裂隙扩展高度与顶板破坏模式图;

图9为本实施例提供的深部大断面切眼二次扩刷期间三个不同阶段内顶板裂隙扩展高度与顶板破坏模式图;

图10为本实施例提供的深部大断面切眼三种支护方案下切眼顶板控制效果模拟结果图;

图11为本实施例提供的深部大断面切眼现场监测变形量图;

图12为本实施例提供的分析方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

本实施例的工程背景:某矿采用长壁开采法开采5#煤,开采高度为10m,煤层埋深平均800m左右,深部大断面切眼位于某矿5202工作面,该盘区包含3个长壁盘区,5202工作面的推进长度为1500m,工作面宽度为250m,深部大断面切眼位置关系如图1所示;顶板由细砂岩砂质、泥岩组成,底板由砂质泥岩、细砂岩组成;综合钻孔柱状图如图2所示;

本实施例提供的一种深部大断面切眼成巷方式及支护时机的确定方法,具体包括以下步骤:

1)深部大断面切眼顶板变形力学模型及成巷方式选择

采用一次成巷的方式,随着掘进的进行,顶板承受上覆岩层载荷逐渐增大,顶板下沉量也逐渐增加,根据材料力学简支梁模型,建立深部大断面切眼顶板下沉量的计算模型如图3所示,模型中左右两铰支座处的挠度均设为零,求解深部大断面切眼顶板最大挠度与跨度的关系式:

式中,ωmax为深部大断面切眼顶板最大挠度;q为上覆岩层载荷;e为梁的弹性模量;h为梁的高度;l为梁的跨度。

深部大断面切眼顶板最大挠度与跨度l的三次方成正比关系,因此,顶板必须选择合理的支护方式,及时支护,成巷方式选择两次成巷的方式,即导硐掘进期间开挖适当断面贯穿切眼,释放部分能量后,导硐掘进进行合理支护后,再二次扩刷至设计的断面尺寸,避免深部大断面切眼顶板变形与裂隙扩展向深部转移。

2)udec数值模拟分析

模型建立:

建立二维udec模型来模拟深部大断面切眼顶板破坏模式及支护方案效果分析,数值模型如图4所示,模型宽度70m,高度50m,为了提高模型计算效率,只对感兴趣的区域即直接顶使用udectrigon逻辑进行离散化;研究区域内三角形块体的平均尺寸为0.2m,使用平均块体尺寸为0.5m的较粗多边形voronoi块体,使用平均块体尺寸为1.0m和2.0m的较粗多边形voronoi块体模拟模型边界处的煤系地层;在模型底部和两侧面边界分别在垂直和水平方向上固定位移,根据现场测量表明,垂直应力为19.3mpa,最大主应力垂直于切眼的轴线值为23.2mpa,最小主应力平行于切眼的轴线值为15.8mpa,将这种原岩应力状态施加到模型中,在模型上边界施加19.3mpa的垂直应力来模拟上覆岩层的压力。

模型参数选取:

(1)岩体参数校正:通过数值标定来获得用于表示岩体特征的接触面和多边形的力学参数,因此建立了udectrigon逻辑校正模型,分别为宽度为2m高度为4m的ucs试块模型和直径为2m的巴西圆盘试块模型,块体和接触面的输入参数采用试错法进行校准以匹配岩体特性,岩石和煤的校正结果如图5中5a-5c图所示。

(2)切眼开挖方式模拟:切眼在现场开挖中是通过掘进机逐步连续开挖的,切眼边界产生的是静应力路径,为了模拟这种更加真实的开挖效果,通过fishfunction嵌入udec模型中,等效力被分解为10个阶段来模拟逐渐开挖的过程。在每个阶段,施加在开挖边界上的内应力减小原始等效力的10%,并计算足够的数值时间步长,以确保模型达到平衡,减小瞬态对材料失效的影响,提供更静态的计算方案。

(3)全局参数校正:udec模型再现了一次开挖断面水平和垂直方向的变形过程,图6显示了数值模拟结果与现场监测变形量结果的对比,一次开挖断面的水平方向收敛量最大值为248mm,垂直方向收敛量最大值为410mm,数值计算结果与现场监测结果吻合较好,验证了udec模型及所用岩体力学性质的准确性。

模拟结果分析:模拟结果分析主要分为三个方面:

(1)导硐掘进期间顶板破坏过程及支护时机;

(2)二次扩刷期间顶板破坏过程及支护时机;

(3)不同支护强度和支护时机顶板控制效果;

顶板岩石的断裂通过微震活动来识别,在udec模型中,块接触的破坏是微震的主要来源,因此通过统计特定计算时长内裂纹增量的数量能够模拟微震活动,将顶板接触破坏与微震活动联系起来,通过微裂纹的发展确定合理的支护时机。图7显示了导硐掘进断面的顶板裂隙破断与损伤的大小,图8显示了导硐掘进期间三个不同阶段内顶板裂隙扩展高度与顶板破坏模式,术语“损伤”定义为破坏接触(拉伸或剪切)的数量与顶板中所有预定义接触的数量之比。

d=(ls+lt)/lc×100%(1)

式中,ls是剪切裂隙总长度,lt是拉伸裂隙总长度,lc是总的接触长度。

(1)导硐掘进期间顶板破坏过程及支护时机:

拉伸裂隙是导致顶板岩层破坏主要的模式,如图7所示,一次开挖断面后顶板岩层破坏与裂隙扩展的过程分为三个阶段,在第一个阶段内,拉伸裂隙事件的发生次数是剪切裂隙发生次数的2.5倍,顶板损伤迅速增大到50%,顶板拉伸裂隙高度扩展到1.8m左右,在开挖断面两帮肩角出现少量的剪切裂隙;在第二个阶段内,顶板拉伸裂隙与剪切裂隙事件的发生次数逐渐较少,顶板损伤缓慢增加,由50%增加到65%,顶板拉伸裂隙高度扩展到4.0m左右,两帮肩角的剪切裂隙也逐渐扩展到顶板中部区域,剪切裂隙扩展高度为1.5m左右;在第三个阶段内,顶板拉伸裂隙与剪切裂隙事件的发生次数趋于较低的稳定值,顶板损伤也由65%趋于68%并保持稳定,顶板的拉伸裂隙高度扩展到4.8m左右,剪切裂隙扩展高度为1.7m左右,伴随着顶板深部也出现少量剪切裂隙。

从图8顶板破坏模式图中可以看出,在第一个阶段内,一次开挖断面内的顶板岩层中并未出现较大的宏观裂缝,拉伸与剪切裂隙在顶板中以微裂纹的形式存在,而在第二、三个阶段内,一次开挖断面内的顶板岩层中开始表现较大的宏观裂缝,这可能是由于在高强度的微震活动后,顶板岩层的损伤迅速增加,在前两个阶段内顶板释放了大量的弹性能。深部大断面切眼开挖后选择合适的支护时机(在第二个阶段之前)是控制顶板裂缝向深部发育的关键。

(2)二次扩刷期间顶板破坏过程及支护时机:

从图9可以看出,二次扩刷期间的第一个阶段内,全断面顶板的裂隙分布呈现不对称性,导硐掘进断面顶板拉伸裂隙扩展高度保持4.8m不变,剪切裂隙扩展高度保持在1.7m不变,二次扩刷断面顶板拉伸裂隙扩展高度到3.8m,剪切裂隙出现在二次扩刷断面的肩角附近,顶板中部出现少量剪切裂隙;二次扩刷期间的第二个阶段,受二次扩刷的影响,导硐掘进断面顶板裂隙的发育高度增加,导硐掘进断面顶板拉伸裂隙扩展高度由4.8m增加到6.8m,剪切裂隙扩展高度由1.7m增加到1.9m,二次扩刷断面顶板裂隙拉伸裂隙扩展高度由3.8m增加到6.3m,剪切裂隙扩展高度由肩角扩展到二次扩刷断面的顶板上方1.6m;二次扩刷期间的第三个阶段,全断面顶板裂隙扩展高度继续增加并趋于稳定,全断面顶板拉伸裂隙高度扩展到7.2m左右,其中两次开挖断面的交界面区域拉伸裂隙高度甚至达9.0m左右,与前两个阶段对比,两次开挖断面的交界面附近区域顶板损伤严重。

随着二次扩刷断面的进行,导硐掘进断面顶板上方的裂缝也逐渐向深部转移,在全断面内顶板破坏模式主要表现为两次开挖交界面区域顶板的宏观裂缝增多并且向深部扩展,因此二次扩刷断面后,选择的合理支护时机应该是在第二个阶段之前,同时必须考虑重点控制两次开挖交界面区域的顶板岩层。

不同支护强度和支护时机的支护方案:

方案一:顶板铺设钢筋网,网格为50mm×50mm,采用直径为17.8mm,长度为4300mm的短锚索进行顶板支护,二次断面内每排4根短锚索,短锚索间排距为800mm×800mm。采用直径为17.8mm,长度为6300mm的长锚索补强支护,二次断面内每排2根长锚索,锚索间排距为1600mm×800mm。长短锚索均使用直径为14mm的圆钢焊制而成的钢筋梯子梁,短锚索与长锚索使用钢筋梯子梁规格分别为80mm×2600mm,80mm×1800mm。长短锚索预紧力为250kn。

方案二:二次断面内短锚索间距变为900mm×800mm,第一根短锚索在一次开挖断面与二次开挖断面交界面处,补强长锚索间排距变为1400mm×800mm,由方案一的每排2根长锚索增加为每排3根长锚索,一次开挖与二次开挖断面交界面区域两根锚索由方案一的直径为17.8mm长度为6300mm,变为直径为18.9mm,长度为8300mm。第一根长锚索布置在由交界面向一次断面方向偏移500mm的位置。

方案三:在方案二的支护基础上,采用djb-1000型金属铰接顶梁,设置了250kn的dw-250/100型单体液压支柱对顶板进行补强支护,一次断面内的单体液压支柱距离交界面的距离为2000mm,在二次断面开挖之前一次断面内的单体液压支柱全部安装完成,二次扩刷断面内的单体液压支柱距离交界面的距离为1000mm,排距为800mm。

(3)三种方案顶板控制效果模拟结果分析:

三种支护方案下切眼顶板控制效果模拟结果如图10所示:在方案一中,顶板拉伸裂隙扩展高度达到9.0m,其中导硐掘进期间与二次扩刷断面交界面区域损伤严重,并且6.3m的长锚索已经不能控制深部拉伸裂隙的扩展,导致顶板深部出现少量宏观裂缝。在方案二中,对导硐掘进与二次扩刷断面交界面区域进行了补强支护,同时增加了补强锚索的数量和长度,两根8.3m的长锚索能够有效的限制深部拉伸裂隙的扩展,顶板拉伸裂隙高度限制在7.0m范围内,同时宏观裂缝的扩展也受到长短锚索的共同限制,在锚索作用范围内存在明显的岩石桥,这些岩石桥能够减少宏观裂缝之间的相互作用,提高顶板岩层的稳定性。在方案三中,顶板拉伸裂隙的扩展高度由方案二的7.0m降低至6.8m,同时,导硐掘进期间与二次扩刷断面交界面区域的顶板损伤程度也明显下降,说明了单体液压支柱配合金属铰接顶梁对顶板岩层起到了主动承载作用,总的来说,导硐掘进期间与二次扩刷断面交界面区域的补强支护有效的限制裂隙的扩展,在锚索产生了岩桥,避免宏观裂缝的相互作用进而导致深部裂缝的出现,对大断面切眼顶板岩层起到了一定的“减跨”作用。

5)现场应用

深部大断面切眼顶板破坏模式、裂隙分布和损伤特征分析,关于顶板控制时机及控制关键点:

(1)两次成巷的方式开挖切眼,对第一次开挖断面进行及时支护,在二次扩刷断面之前,在导硐掘进断面内除了常规的长短锚索支护外,安装一排单体液压支柱配合铰接顶梁,对顶板进行主动承载支护,确保导硐掘进断面的支护强度。

(2)二次扩刷断面后,及时的对顶板进行支护,短锚索安装后及时安装补强长锚索,同时,对两次开挖断面的交界面区域进行补强支护,确保交界面区域顶板岩层的稳定。

(3)高预应力锚索配合钢筋网片、钢筋梯子梁和托盘等高强度护表构件支护顶板,控制顶板表面及深部裂隙的扩展,提高主动支护效果。

应用效果分析:

采用上述优化后的深部大断面切眼支护方案后,5202切眼的顶板两次开挖断面的顶板变形量如图11所示,监测结果显示,5202切眼顶板岩层变形得到了有效的控制,二次扩刷断面的顶板在一段时间内变形量达到稳定,顶底板收敛变形量以及两帮变形收敛量分别为200mm、300mm、240mm,现场应用表明,在高强长短锚索联合支护、高工作阻力液压支柱的承载结构作用下,顶板围岩得到了有效的改善。

显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

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