D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2006.03.003 第28卷第3期 北京科技大学学报 Vol.28 No.3 2006年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar,2006 二次动压巷道支护设计与参数优化 吴顺川1)高谦1)刘福军2) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000832)阳泉煤业集团公司，阳泉045000 摘要采用正交数值试验和灰色理论中的关联度分析，进行阳泉矿区二次采场巷道的分析与支 护参数优化决策.选择13因素3水平的正交试验方案，进行27次试验，分析了不同应力状态和支 护参数的巷道稳定性与变形特征，在计算中采用巷道稳定性和变形收敛率等多种评价指标，进行 了局部优化：考惑支护成本和施工难易等因素，采用灰色理论，进行最佳方案的关联度分析.该研 究已应用于阳泉矿区二次采场巷道支护设计，并取得较满意的支护效果. 关键词煤矿巷道；巷道支护；预应力锚索；优化设计 分类号TD325 预应力锚索支护技术在阳泉矿区的应用，解 一个工作面的进风、运输巷道.作为本工作面的 决了采场巷道支护的关键问题，产生巨大的经济 瓦斯尾巷，巷道首先受采场的一次采动影响.在 效益.随着矿区采煤机械化程度的不断提高，巷 结束一次采动以后，整个尾巷都受到采场应力集 道断面加大；矿区开采深度随之增加，采场巷道地 中的影响.由于尾巷作为下一个采场开采的进风 压显现也日趋加剧.另外，阳泉矿区煤层含有大 巷，所以下一采场向前推进时，在尾巷（相对于该 量的CH4气体，不得不在开采布置时，增加了承 采场的进风巷)上产生二次采动应力 受二次动压作用的CH4尾巷，以便作为抽排易燃 4 3 易爆气体的必备巷道，确保采矿生产的安全.该 6 8 尾巷不仅受到一侧回采工作面的采动影响，而且 9 还承受另一侧工作面回采的作用.承受二次动压 的巷道，变形破坏十分严重，垮冒现象屡见不鲜， 1一采区皮带巷；2一采区轨道巷；3一采区回风巷；4,6一瓦斯 尾巷：5,8一工作面回风巷：7一工作面切巷：9一工作面进风巷 本文针对阳泉煤矿二次动压巷道存在的支护问 图1回采工作面巷道布置示意图 题，进行了锚固支护设计与参数优化研究 Fig.1 Sketch of the laneway in the mining area 1矿区工程条件与二次动压 2锚固参数优化正交数值试验 阳泉3#煤层处于层状岩体中，埋藏深度300 2.1正交数值试验设计 ~600m,平均380m;煤层厚度2.3-2.8m,平均 为进行二次动压采场巷道的支护参数优化， 2.15m;煤层倾角2~10°，平均5°；煤层坚固系数 需要建立采动应力与锚固支护参数的关系，在此 f为2~3.煤层老顶为灰白色中粒砂岩，厚度 采用了正交数值试验方法，正交试验是进行多因 3.45m;直接顶为黑灰色砂质页岩，厚度1.65m, 素分析的研究方法，它是根据正交性从全面试验 含植物化石，局部被冲蚀；伪顶为灰黑色高岭石泥 中挑选出部分有代表的点进行试验，这些代表点 岩，厚度0.12~0.36m,平均厚0.28m. 具有“均匀分散，齐整可比“的特点山.针对二次 煤层回采工作面的巷道布置如图1所示，3# 动压巷道的实际情况，综合考虑了各个因素，选取 煤层开采涉及进风巷、回风巷和瓦斯尾巷等采场 了如表1所示的13因素3水平的正交试验 巷道.如图所示，承受二次动压瓦斯尾巷将服务 表2-].假设各因素间无交互作用，对所确定的 于两个工作面，即作为本工作面的瓦斯尾巷和下 13个因素选择L27(133)正交分析表安排试验，即 收稿日期：2005-06-15修回日期：2005-09-14 对于二次动压尾巷的铺固设计，3水平13因素的 作者简介：吴顺川(1969一)，男，副教授，博士 正交试验最少试验次数为27次，第 2 8 卷 第 3 期 2 0 0 6 年 3 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n ive rs i ty o f S e i e n ce a n d T e e h n o log y B e幼in g V o l . 2 8 N o . 3 M ar . 2 0 0 6 二次动压巷道支护设计 与参数优化 吴) ,项川 ` ) 高 谦 ` ) 文 , J福 军 2 ) l) 北京科技大学金属 矿山 高效开采与安全教育部重点实验 室 , 北京 10 0 0 8 3 2 ) 阳 泉煤业 集团公司 , 阳泉 。 4 5 0 0 摘 要 采用正交数值试验和 灰色理论 中的关联度分析 , 进行阳 泉矿 区二次采 场巷道的分析与支 护参数优 化决策 . 选择 13 因 素 3 水平的正交试验方 案 , 进 行 27 次试验 , 分析 了不同应力状态和支 护参数的巷道稳定性与变形特 征 . 在计算 中采用巷道 稳定性和变形收敛率等 多种评价指标 , 进行 了局部优化 ; 考虑支护成本和 施工难易等因素 , 采用灰色理论 , 进 行最佳方案 的关联 度分析 . 该研 究已 应用于 阳泉矿区 二次采场巷道支护设计 , 并取得较满意的支 护效果 . 关键词 煤矿巷道 ; 巷道支护 ; 预应力锚索 ; 优化设计 分类号 T D 3 2 5 预应力 锚 索支 护 技术 在 阳 泉矿 区 的应 用 , 解 决 了采场巷道 支护 的关键 间题 , 产 生 巨 大 的经 济 效 益 . 随着 矿 区 采 煤机 械 化 程 度的 不 断提 高 , 巷 道 断面 加大 ; 矿 区开采深度随 之增加 , 采场巷道 地 压显现 也 日趋 加 剧 . 另外 , 阳泉矿 区煤层含 有大 量的 c 执 气体 , 不得 不 在 开 采 布置 时 , 增 加 了 承 受二次动 压作用 的 C氏 尾 巷 , 以 便作为 抽排 易 燃 易爆 气 体 的必 备 巷道 , 确保采 矿 生产的 安全 . 该 尾巷 不仅受到 一 侧 回采 工 作面 的采 动影 响 , 而 且 还承 受另一侧 工作 面 回采 的作 用 . 承 受二 次动 压 的巷道 , 变形破 坏十分严重 , 垮 冒现 象 屡见 不鲜 . 本文 针对 阳 泉煤矿 二次 动压 巷道存 在 的支护 问 题 , 进行了锚 固支 护设计与参数优化研 究 . 一个 工 作面 的进 风 、 运输巷 道 . 作 为 本工 作 面 的 瓦斯尾 巷 , 巷道首 先 受 采场 的 一次 采 动影 响 . 在 结束 一次采 动 以后 , 整 个尾 巷 都受到 采场应 力 集 中的影响 . 由于 尾巷作 为下 一个 采场开采 的进风 巷 , 所以下一 采场 向前推 进 时 , 在尾巷 (相 对 于该 采场的进风巷 ) 上产 生二 次采动应 力 . 3 / 6 _ s 1一采 区 皮带巷 ; 2一采 区 轨道 巷 ; 3一采 区 回 风巷 ; 4 , 6一瓦 斯 尾巷 ; 5 , 8一工作面回风巷 ; 7 一工作 面切巷 ; 9 一工作面进风 巷 图 1 回 采工作面巷道布置示意图 F ig . 1 S k et 比 of t h e l an 姗ay i n t h e m i n i gn are a 1 矿区工程条件与二次动压 阳 泉 3 # 煤 层 处于 层状 岩体 中 , 埋 藏深 度 3 0 一 6 0 0 m , 平均 3 8 0 m ; 煤层厚 度 2 . 3 一 2 . s m , 平均 2 . 1 5 m ; 煤 层倾角 2 一 1 0 ’ , 平均 5 。 ; 煤层坚 固系 数 f 为 2 一 3 . 煤层 老 顶 为 灰 白色 中 粒 砂 岩 , 厚 度 3 . 4 5 m ; 直接顶 为黑 灰色 砂 质 页岩 , 厚 度 1 . 65 r L, 含 植物化石 , 局部被 冲蚀 ; 伪顶为 灰黑色 高岭石 泥 岩 , 厚 度 0 . 1 2 一 0 . 3 6 m , 平均厚 0 . 2 8 m . 煤层 回采工作面的巷道布置如 图 1 所示 . #3 煤层 开采涉及 进 风 巷 、 回 风 巷 和 瓦斯尾 巷等采 场 巷道 . 如 图所 示 , 承 受二 次 动 压瓦 斯 尾巷 将 服 务 于两个 工作面 , 即 作为本 工 作 面 的瓦斯 尾 巷 和 下 收稿 日期 : 2 0 0 5 一 0 6 一 1 5 修回 日期 : 2 0 0 5 一 0 9 一 14 作者简介 : 吴顺川 ( 19 6 9一 ) , 男 , 副教授 , 博士 2 锚固参数优化正交数值试验 2 . 1 正 交数值试验设 计 为进 行二次 动 压 采场巷 道的支 护参数 优 化 , 需要建 立采动应 力与 锚固支 护参 数 的关 系 . 在此 采用 了正交数值试验方法 . 正 交试 验是进 行 多 因 素分 析的研究方法 , 它是 根据正 交性 从 全 面试 验 中挑选 出部分有代表 的 点进 行 试验 , 这 些 代表 点 具 有 “ 均 匀分散 , 齐 整 可 比 ” 的 特 点川 . 针对 二 次 动压巷道的实 际情况 , 综合考虑 了各个 因素 , 选取 了如 表 1 所 示 的 13 因 素 3 水 平 的 正 交 试 验 表 〔2 一 ” 〕 . 假设 各 因 素间 无 交 互 作用 , 对 所 确 定 的 13 个 因素选择 L 2 7 ( 13 ” ) 正交分 析表安 排试验 , 即 对 于二次 动压尾 巷的锚 固设 计 , 3 水平 13 因素的 正 交试验 最少试验 次数为 27 次 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2006. 03. 003