JS型复合软岩地层切眼围岩变形破坏规律及施工设计优化

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JS型复合软岩地层切眼开挖支护是矿井建设中的难题,尤其是当软岩处于复杂地质水文与应力环境的耦合作用下,巷道围岩由于自身岩性会发生流变、剪胀、崩解等复合破坏,导致巷道围岩产生严重顶沉、底鼓及帮缩破坏。难以修复的围岩破坏会给工作面安装过程中综采设备的运输造成严重影响,严重阻碍正常的采掘交替,给煤矿的安全高效生产带来了严峻的挑战。基于此,本文以新上海一号煤矿JS型复合软岩地层切眼工作面为研究对象,从其所处地应力环境、围岩岩性、开挖及支护方案等多角度分析研究,以探寻该地区围岩的变形破坏规律,并对施工组织进行优化设计。  JS型复合软岩地层岩石矿物成份复杂、胶结程度差,围岩易受外界环境影响而风化、软化是围岩变形破坏严重的根本原因。现场围岩变形监测显示不合理的开挖支护方案是现阶段巷道围岩严重底鼓、顶沉及帮敛的变形破坏的次要原因。通过工程对比,将111082工作面切眼开挖支护优化后应用到112051工作面,一定程度上提高了围岩的稳定性、减少了围岩的变形破坏,并节约了支护材料的使用,提升了工作面的安装效率。但是,巷道围岩严重的变形破坏仍严重阻碍了工作面的安装。  为充分探讨巷道高度、宽度及矢跨比对巷道围岩变形破坏的影响规律,优化巷道的开挖、支护方案,特建立不同条件下的数值模型进行模拟分析,得到围岩变形破坏规律如下:  (1)巷道宽度为4m条件下,随着巷道断面高度的增加围岩失稳破坏逐渐加剧,两帮围岩的变形破坏程度远高于顶底板围岩的变形破坏程度,底板及两墙底角是巷道严重失稳破坏区域;巷道高3.5m时围岩变形破坏相对稳定,围岩整体稳定性达到明显改善。  (2)巷道高度为4m条件下,随着巷道断面宽度的增加围岩失稳破坏逐渐加剧,顶底板围岩的变形破坏程度远高于两帮围岩的变形破坏程度,底板及两墙底角是巷道的严重失稳破坏区域;巷道宽4m时围岩变形破坏相对稳定,围岩整体稳定性达到明显改善。  (3)随着矢跨比的增大,顶底板位移总量逐渐减小,围岩稳定性增强,两帮位移总量增大,围岩变形破坏程度增加,两墙底角及底板为巷道围岩变形破坏最严重区域;当矢跨比为0.9时,巷道围岩处于最稳定状态,此时围岩整体稳定性处于最佳状态。  结合112051工作面切眼导硐段围岩变形特征,对原支护方案进行优化处理,强化了对巷道两墙及底角支护。为了解决轨道运输时因巷道底鼓变形对设备运输造成的严重阻碍,工作面综采设备采用单轨吊机车运输,极大的提高了工作面设备运输效率。在满足单轨吊设备运输的条件下,结合巷道高度、宽度及矢跨比对围岩变形的影响因素,选取切眼导硐段最佳的开挖尺寸为宽×高=4m×3.5m。利用FLAC3D进行数值分析进行方案的可行性验证,结果显示优化后的方案能够有效的控制巷道围岩的变形破坏,112052工作面采用优化方案进行开挖支护,围岩现场变形监测数据与数值模拟结果吻合。  112052工作面采用新型开挖、支护方案有效的控制了围岩变形,工作面设备安装用时由112051工作面费时64天,缩减为112052工作面的35天,减少用时29天,很大程度上提高了工作面的安装效率,经济效益显著。
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