巷道围岩控制技术研究_韩海威.pdf
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1、巷道围岩控制技术研究韩海威(晋能控股煤业集团宏泰矿山工程建设大同有限公司,山西大同037000)摘要:为了解决巷道围岩变形严重的问题,利用数值模拟软件对不同锚杆密度下巷道应力分布进行研究,发现随着锚杆距离的减小,锚杆间的应力场逐步连接,形成整体支护结构。同时随着锚杆长度的增大,锚杆支护应力场分布的高度增加,根据数值模拟结果给出了锚杆锚索的支护参数,为巷道的稳定性作出贡献。关键词:数值模拟锚杆长度锚杆间距中图分类号:TD353文献标识码:A文章编号:1003-773X(2023)02-0273-02引言我国煤矿资源储量丰富,随着多年的开采,覆存较为简单的煤层已经逐步得到开采,煤矿的开采目标逐步向
2、着深部转移,在开采过程中,由于煤层埋深较深,巷道变形严重的问题凸显了出来,为了保障巷道安全开采,高效的巷道支护技术是重要的条件。所以,在进行巷道支护设计时应当满足安全生产、提高经济效益、提高产量等要求。随着科技的发展,综合机械化程度的不断成熟,综掘技术滞后严重的问题暴露了出来,使得采掘接替的工作压力增大,所以提高巷道成巷率,降低采掘接替压力成为了目前矿井支护设计的重要目的1-2。此前李宏彬为解决巷道断面变形大的问题,利用理论研究结合数值模拟的研究方法分析了失稳的原因,提出了采用主动、被动组合的支护方案进行支护,有效地提升了巷道的稳定性。赵飞为解决工作面进风顺槽变形大的问题,提出“让压锚杆+让压
3、锚索+金属网”的支护技术,经过验证发现顶板的下沉量明显降低。本文利用理论计算,给出相应的支护参数,并通过现场实践,验证了支护方案的可行性,为矿井安全开采提供了一定的借鉴。1数值模拟研究工作面煤层总厚度为 23m,平均厚度为 2.78m,煤层赋存稳定,工作面煤层总体呈走向东北至西南,倾向东南的单斜构造,地层倾角变化不大,为110,平均倾角 6。工作面煤层内有 02 层夹矸,黑色,裂隙较发育,条带状结构层理不发育,节理和裂隙比较发育;该煤层呈黑色,强玻璃光泽,断口具阶梯状,容重 1.40t/m3,硬度为 2.0 左右。工作面煤层的柱状图如图 1 所示。910 号煤层位于太原组下段的顶部,上距 7
4、下号煤层 21.2052.90 m,平均为 37.90 m,煤层厚度1.153.90 m,平均 2.67 m,属中厚煤层。煤层结构简单,含 02 层夹矸。井田南部煤层直接顶板为泥岩、砂质泥岩,井田北部煤层直接顶为灰岩,老顶为 K2石灰岩,底板岩性主要为砂质泥岩、泥岩,局部为细粒砂岩,偶见炭质泥岩,属全区稳定可采煤层。为了对巷道支护方案设计,首先对不同支护参数下的支护效果进行分析,给出最佳的支护的方案,锚杆长度是锚杆支护系统的决定性参数,对不同锚杆密度下支护效果进行分析,确定最佳的锚杆布置密度。从下页图 2 中可以看出,随着锚杆间距的不断减小,锚杆间的应力场衔接逐步平缓,当锚杆为单根锚杆时,此时
5、的压应力大致呈现出椭锥形,在锚杆的尾部出现应力的最大值,在锚杆锚固位置的应力集中次之,而在锚杆的自由端位置,应力分布较小。当锚杆的间距(锚杆的密度)增大后,锚杆间形成的压应力区域呈现单独分布的情况,无法有效地结合在一起,此时的支护整体应力结构效果较差。随着锚杆间距的减小,此时单根锚杆应力场出现一定的靠近、叠加,形成一整块应力场,但当锚杆的间距进一步减小时,此时单根锚杆的应力场出现大面积的叠加,此时的无效应力叠加区域增大,使得材料消耗增大,所以一味地减小锚杆间距不能持续改善支护应力场。当锚杆的预紧力加大时,此时的应力场分布增大,所以保持锚杆间距不变时,增大锚杆预紧力同样可以达到应力叠加的收稿日期
6、:2022-05-25作者简介:韩海威(1991),男,山西大同人,本科,毕业于河南理工大学采矿专业,助理工程师,研究方向为矿山掘进。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2,2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.110图 1工作面煤层的柱状图岩性描述石灰岩,深灰色,坚硬,含有丰富的蜓及腕足类化石,裂隙发育含生物碎屑泥岩,灰色,含有丰富的蜓及腕足类化石石灰岩,深灰色,坚硬,含有丰富的蜓及腕足类化石,裂障发育煤,黑色为半亮型煤,夹石为泥岩泥岩,深灰色,含植物碎
7、片化石,夹砂质泥岩条带煤,黑色砂质泥岩,深灰色,含植物碎片化石,下部夹细砂岩条带煤,黑色累计深度/m340.97343.00345.75348.42351.72353.27355.22356.47厚度/m8.402.032.702.93.301.551.95l.35编号K29+10 号10下号11 号柱状技术应用机械管理开发第 38 卷效果。对不同锚杆长度下锚杆应力场进行分析,应力云图如图 3 所示。由图 3 可以看出,随着锚杆长度的增大,此时锚杆支护应力场分布的高度增加,但同样的在锚杆的顶端,应力分布情况出现减弱的趋势,可以看出锚杆长度越长,锚杆顶端的无效区域越长。同时随着锚杆的长度增大,锚
8、杆间的作用效果减弱。在一定的预应力下,锚杆长度越长,锚杆的预应力作用影响效果越小,此时锚杆能够产生的主动支护效果越差,所以在进行锚杆长度设定时,应当考虑锚杆的预应力,增大锚杆的预应力可以达到减小锚杆长度的目的,降低支护成本。同样对锚索不同支护参数下的支护效果进行分析发现:随着锚索长度的增加,压应力区的范围水平方向上逐渐增加,锚索的主动支护作用增强;但在垂直方向上存在减小的趋势;随着锚索长度的增加,锚索中部压应力逐步减小,锚索对中部围岩的支护作用降低;锚索长度越大,锚索间的中部围岩压应力降低,支护作用减小。2支护参数设定完成模拟计算后,进行巷道支护参数的设定:杆体为直径 18 mm 螺纹钢锚杆,
9、屈服强度不低于 335MPa,长度 2 000 mm,杆尾螺纹为 M20。采用树脂加长锚固,钻头直径 28 mm,采用 1 支 MSCK2360 和 1 支MSK2360 树脂锚固剂。采用高强锚杆螺母 M20,托板采用方形带拱托板,托板尺寸为 120 mm120 mm10 mm,托板高度不低于 36 mm,钢号不低于 Q235,配套调心球垫和减摩垫圈。采用 12 号铁丝编制的菱形金属网护顶,网孔规格 50 mm50 mm,网片规格为4 200 mm1 000 mm。网片贴紧岩(煤)面,压茬连接,搭接长度不小于 200 mm,并用双股 14 号铁丝绑扎牢固,间距 200 mm,拧绕不少于 3 圈
10、。锚杆间距 800mm,每排 6 根锚杆,排距 800 mm,锚杆预紧扭矩不低于 150 N m,锚固力不小于 80 kN。选用锚索为 15.2 mm,17 股预应力钢绞线,长度 7 200 mm,钻头直径 28 mm,采用 3 支树脂锚固剂,2 支规格为 MSCK2360 和 1 支规格为 MSK2360。采用 300 mm300 mm16 mm方形锚索托板。两帮支护选用直径 18 mm 左旋螺纹钢锚杆,屈服强度不低于 335 MPa,长度 2 000 mm。锚杆间排距为 800 mm、800 mm,距顶 200 mm,每排 4 根。树脂加长锚固,钻头直径 28 mm,采用 1 支规格为MS
11、CK2360树脂锚固剂。锚杆锚固力不小于 80 kN,预紧扭矩不得小于 150 N m。采用高强锚杆螺母 M20,托板采用方形带拱托板,托板尺寸为 120 mm120 mm10mm,托板高度不低于 36 mm,钢号不低于 Q235,配套调心球垫和减摩垫圈。采用 12 号铁丝编制的菱形金属网护帮,网孔规格 50 mm50 mm,巷帮网长宽=2 700 mm1 000 mm。网片贴紧岩(煤)面,压茬连接,搭接长度不小于 200 mm,并用双股 14 号铁丝绑扎牢固,间距 200 mm,拧绕不少于 3 圈。巷道支护方案如图 4 所示。2-1锚杆间距 1.4 m2-2锚杆间距 1.0 m2-3锚杆间距
12、 0.8 m2-4锚杆间距 0.6 m图 2不同支护密度下围岩应力场对比图3-1锚杆长度 1.6 m3-2锚杆长度 2.0 m3-3锚杆长度 2.4 m3-4锚杆长度 2.6 m图 3不同锚杆长度下围岩应力场对比图图 4巷道支护方案(单位:mm)锚索规格:15.27 200 mm螺纹钢锚杆:187 000 mm锚杆托盘:12012010 mm药卷:1 支 MSCN236010010梯子梁800螺纹钢锚杆规格:182 000 mm8008008008001001 0001 0002 1002 100200800800800800100300500300502 900混凝土强度 C20巷道中心线(
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