综放沿空留巷支护结构的可靠性研究

综放沿空留巷支护结构的可靠性研究

许程远

鄂尔多斯市华兴能源有限公司 内蒙古自治区鄂尔多斯市 017100

摘要：深井综放沿空掘巷围岩应力演化规律研究一直是采矿工程界的重要课题，相关学者采用理论分析、数值模拟、模型试验和现场实测的手段开展了大量研究，得出许多有益结论；然而由于矿井综放开采条件及地质因素的复杂性，对综放沿空掘巷围岩应力及演化规律的认识仍需要不断深入和完善。地质力学模型试验可模拟多种地质条件、开采条件下的巷道围岩变形破坏特征及围岩应力变形演化规律，直观反映所研究系统的物理力学现象，弥补理论分析与现场试验的不足，在国内外岩土工程与采矿工程界得到广泛应用，成为地下工程研究的必要手段。鉴于此，文章结合笔者多年工作经验，对综放沿空留巷支护结构的可靠性研究提出了一些建议，仅供参考。

关键词：综放沿空留巷支护；结构的可靠性；研究

引言

受侧向支撑压力及超前支承压力的影响，沿空巷道两帮煤岩体承载力急剧减弱，且实体煤侧受到的支承压力明显大于围岩竖向应力，建议采取煤柱帮加强支护和实体煤帮钻孔卸压相结合的支护措施；通过采用高强高韧性支护构件，并施加高预紧力，提高煤岩体表面支护荷载，增强围岩主动约束效果，以提高两帮破碎煤岩体的自承能力；通过采取钻孔卸压的方式将高应力向深部转移，维护巷道围岩的稳定。

1、厚煤层沿空留巷围岩变形特征及机理

1.1留巷围岩变形分类

任何围岩的变形都由连续变形和不连续变形组成。具体到沿空留巷，连续变形指由于顶板岩层受采动影响发生断裂、偏转等导致的巷道顶板下沉、煤柱帮整体移近等;不连续变形指巷道浅部围岩受岩层运动等采动影响下，发生离层、滑移、碎胀等变形。特别是厚煤层沿空留巷巷道，巷道顶板、煤柱帮均为软弱煤体，不连续变形更大、更易发生。不少矿井沿空留巷的实践中，过于关注充填体的强度和类型，忽视了巷内支护，导致留巷变形大，无法满足使用要求。因此要想留巷成功，就必须同时控制连续变形和不连续变形，二者均可以通过一定的工艺进行控制。连续变形可以通过巷旁充填体的参数设计、沿空顶板结构的人工干预等综合措施进行控制，不连续变形则可以通过提高锚杆、锚索的主动支护效果、注浆加固提高破碎煤岩强度等措施来控制。连续变形由于受岩层结构、采高、顶板垮落结构的影响，在巷旁支护有效的前提下其变形量变化不大，而不连续变形则和支护密切相关，可控性较大，不同的控制方式下变形量相差较大。

1.2厚煤层沿底留巷巷道变形特征

①顶煤变形大，受采动影响最为软弱的煤体破坏严重;由于充填体与煤体有一定的刚度差，包括充填体上方未放出煤体在内的煤出现强碎胀、剪切滑移，挤出流动效应显著。②煤柱帮变形大，从剪切应变增量图中可以看出，除了充填体及上方煤体在顶板回转作用下出现强剪切变形外，煤柱帮的上部分及对应顶角处也出现了强剪切区域，造成煤柱帮煤体滑移，变形严重，煤柱帮支撑能力的降低又进一步造成顶板剪切。

2、煤炭开采与岩层控制技术发展现状

煤炭科技创新有力支撑了煤炭工业的快速发展。其中,煤炭开采与岩层控制作为核心,在基础理论、关键技术及工程实践方面均取得重大进展。煤炭开采技术与装备是实现煤炭安全、高效、高采出率开采的基础。经过40年持续不断的科研攻关与创新实践,我国煤炭工业实现了由人工采煤、炮采、普采、高档普采到综合机械化开采、自动化开采的跨越,并逐步向智能化开采迈进。综采是采煤史上的一次重大技术变革,它将井工煤矿工作面的主要生产环节———采、支、运、供电、检测、通信等有机结合、协同配置,极大地提高了采煤效率与安全。我国1970年首次进行了综采技术与设备的工业性试验,70年代中后期引进了上百套国外综采设备,并根据我国煤层赋存条件进行了自主研发,使得80年代综采技术在我国煤矿得到推广应用,实现了采煤技术的跨越。针对我国煤炭资源赋存条件,研发出薄及中厚煤层综采技术与成套装备,厚煤层大采高、超大采高综采成套技术与装备,厚及特厚煤层综采放顶煤开采技术与成套装备等,并针对大倾角、急倾斜、破碎围岩等复杂条件进行了开采技术与装备的创新与实践,基本形成了具有我国煤炭资源赋存特色的开采技术与装备体系。最近几年,我国煤矿智能化开采技术取得快速发展,开发出以采煤机记忆截割、液压支架自动跟机及可视化远程监控为基础,以生产系统智能化控制软件为核心的综采成套装备智能系统,并在多个矿区得到成功应用。此外,小煤柱沿空掘巷技术、无煤柱沿空留巷技术在适宜的条件下得到推广应用,在提高煤炭资源采出率、减少掘进工程量、解决高瓦斯矿井通风与瓦斯问题等方面起到良好作用。

3、综放沿空留巷支护结构的可靠性研究

3.1Matlab优化法

在针对沿空留巷支护结构的稳定性计算工作中，通过优化工具箱的方式可以得到比较可靠的稳定性计算工作指标，其本质原理是将任意的概率分布值进行随机变量的计算，以此来影射成一种标准的正态随机变量参数，运用标准正态随机变量来有效表示功能函数，以此来为功能函数施加相应的约束变量，从正态空间的可靠性指标当中来进行研究，建立起可靠度更高的优化结构模型，有效的运用Matlab的强大优化功能来进行模型的求解，以此可以得到可靠程度较高的标准正态空间的验算参数。由于影响煤矿矿道支护结构可靠性的因素相对比较复杂，在整个支护结构的极限状态功能函数属于一种高度非线性结构函数，如果直接运用一次二阶矩阵的方式来进行可靠性的分析和判断，大量的微积分计算过程非常繁琐，并且整个计算的可靠性相对较低，通过蒙特卡罗法，属于一种通过数字模拟的方法来解决随机变量当中的数学问题，在现阶段的可靠度计算过程当中被认为属于一种相对比较精确的计算方式。

3.2中心点法

中心点法是综放沿空留巷支护结构可靠性研究的最常见的方式，在研究过程当中的基础思想，是将非线性函数随机变量在平均值的中心点区域来进行设计和计算，然后将近似计算功能的函数进行平均值以及标准差的求值，通过可靠性指标的设定直接运用功能函数的平均值和标准差来进行表示。中心点法的稳定性研究最大的特点在于整个计算过程相对比较简单，不需要通过相对比较复杂的数值来进行演算，但是在计算过程当中也存在一定的缺陷问题，不能考虑到随机变量的实际分布状况，只是单纯选用随机变量当中的一阶矩阵和二阶矩阵来进行表示，将非线性的随机变量平均值来进行综合分析和考虑。

结束语

综上所述，得出以下结论：（1）关于围岩应力分布特征，沿空巷道掘进期间，煤柱宽度对煤柱帮应力峰值及应力分布状态均影响较大；不同煤柱宽度下实体煤帮应力峰值均大于煤柱帮。工作面回采期间煤柱宽度较小时，随超载等级增加，煤柱应力峰值先增大后减小，煤柱宽度较大时，煤柱应力峰值增加但增幅降低，煤柱帮浅部应力逐渐减小；实体煤帮应力峰值不断增大。（2）根据综放沿空掘巷围岩应力分布特征，提出了相应的工程建议措施，并将其应用于工程实践。结果表明，掘采期间的巷道变形均得到有效控制。研究结果可为确定合理的煤柱留设宽度及巷道支护参数和强度提供借鉴和参考。

参考文献

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