巷道锚杆分次支护方案探析与应用研究_苏登峰.pdf
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1、72023 年第 5 期苏登峰:巷道锚杆分次支护方案探析与应用研究苏登峰:巷道锚杆分次支护方案探析与应用研究巷道锚杆分次支护方案探析与应用研究苏登峰(临汾宏大豁口煤业有限公司,山西 临汾 041000)摘 要 针对山西临汾宏大豁口煤业掘进作业中掘进和支护不平衡,支护制约掘进效率的问题,提出巷道锚杆分次支护工艺。结合实际情况,分析掘进过程中围岩变形时空特性,进行分次支护工艺参数计算、方案设计。实际应用表明,巷道锚杆分次支护方案在保证巷道掘进稳定安全的前提下,提升 21%的月掘进效率。关键词 巷道;锚杆;分次;支护中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.100
2、5-2801.2023.05.003Analysis and Application Research on the Graded Support Scheme of Roadway Anchor RodsSu Dengfeng(Linfen Hongda Huokou Coal Industry Co.,Ltd.,Shanxi Linfen 041000)Abstract:In response to the problems of imbalanced excavation and support during the excavation operation of Shanxi Linf
3、en Hongda Huokou Coal Industry,and the constraint of support on excavation efficiency,a graded support technology of roadway anchor rods is proposed.Based on the actual situation,the spatiotemporal characteristics of surrounding rock deformation during the excavation process are analyzed,and the gra
4、ded support process parameters are calculated and the scheme design is carried out.The practical application shows that the graded support scheme of roadway anchor rods can improve the monthly excavation efficiency by 21%while ensuring the stability and safety of roadway excavation.Key words:roadway
5、;anchor rod;gradation;support收稿日期 2022-09-29作者简介 苏登峰(1985),男,山西临汾人,2022 年毕业于中国矿业大学采矿安全工程专业,本科,助理工程师,研究方向:采矿或安全工程。苏登峰:巷道锚杆分次支护方案探析与应用研究苏登峰:巷道锚杆分次支护方案探析与应用研究1 工程背景山西临汾宏大豁口煤业 1018 工作面主采 5#、9#煤层,地质构造简单,掘进巷道煤层构造为单斜构造,倾角为 2.1 5.3,无断层,煤层平均厚度 5.6 m,煤层上覆基岩 90130 m。工作面不存在积水区,无需探放水,煤层顶底板性质见表 1。表 1 1018 工作面煤层顶底
6、板特性名称岩石构成厚度/m饱和抗压强度/MPa变形指数抗剪强度抗拉强度/MPa弹性模量Eso/GPa泊松比 c/MPa/()顶板基本顶中砂岩、细砂岩13.519.22.20.320.75312.59直接顶粉砂岩9.8底板直接底粉砂岩、碳质砂岩8.617.41.90.290.8292.31基本底粉砂岩、细砂岩7.92 锚杆分次支护方案研究2.1 巷道掘进围岩破坏特性巷道开挖前围岩为三向受力,开挖后应力变为二向受力或者单向受力,围岩出现变形。在无支护情况下,围岩破坏类型分为拉裂破坏、底鼓破坏、82023 年第 5 期局部冒落破坏等多种类型。巷道开挖后,当围岩二次应力大于本身岩体强度时,围岩将发生塑
7、性变形,如不进行支护,则巷道将失稳坍塌,巷道失稳机理有明显的变形压力、松动压力、膨胀压力等地层压力效应1。在支护作业时,支护过早能较好控制围岩变形,但支护结构受压会较大;支护过晚,支护受压小,但围岩变形将变大,支护效果将不理想。支护刚度与压力成正比,具体关系如图 1。图 1 巷道围岩与支护特性关系曲线2.2 巷道掘进中的时空特性2.2.1 空间效应巷道开挖时,开挖面附近围岩受空间作用,变形和应力释放不会一次完成、立即发生破坏,应力和变形随开挖面推进而不断变化,开挖面逐渐推进对围岩变化有空间效应。2.2.2 时间效应巷道掘进中围岩变形过程较为复杂,一般围岩变形随时间变化的规律统称为“流变”2。围
8、岩随时间变化产生的变形有弹塑性变形、岩体流变变形、非连续变形等,巷道掘进中围岩随时间的流变有变化应力下的流变和不变应力下的流变。假设巷道瞬间完成开挖,则围岩变形和应力释放可瞬间完成,支护强度足够时,巷道开挖后应力释放过程中不会坍塌,并且一致稳定,变形也不再变化。然而实际巷道形成初期是稳定的,由于开挖的空间效应,围岩变形会随着开挖不断变化,影响时间 t 由掘进速度而定。在 t 时间内,围岩应力不断改变,且这个改变还会随着时间的变化而变化,为变应力的流变;在 t 时间后,围岩应力释放完成,应力不再变化,为不变应力的流变。2.3 锚杆分次支护工艺众多专家学者通过改进掘进设备、优化支护参数、合理安排施
9、工工序实现快速掘进,提升巷道掘进效率,但仍不能使支护与其他作业平行进行,支护工序仍然制约着掘进效率3。传统掘进作业中,常通过提高设备钻孔效率4来减少锚杆支护时间,此方法对巷道断面、工作面地质以及施工水平和设备要求较高,效率提升有限且较困难;也有的改变巷道施工布置,利用双巷或多巷掘进5,实现割煤和支护交叉作业,从而提高效率,该方案同样对地质有较高的要求,且依然未实现掘进和支护平行作业,只适用于小部分工程。传统支护忽略巷道掘进的时空效应,且通常采用最大释放应力设计支护,方法过于保守,工程量大。结合上文分析的巷道掘进过程中围岩特性,提出巷道锚杆分次支护工艺,充分考虑开挖时空效应、围岩变形特性和自承载
10、能力进行支护设计,将一次成巷支护分成几个阶段分次支护,如图 2。ad 段为传统支护工艺,ab 和 bc 为分次支护工艺,ab 为确保掘进空间安全的掘进安全支护,该阶段允许围岩发生一定的变形,bc 为不影响掘进作业的支护。在开挖面附近,受时空效应作用,围岩应力释放和变形较小,此时支护少量锚杆保证掘进安全并限制围岩变形即可。随着开挖面推进,围岩变形和应力释放逐渐增大,再对断面进行支护,此时支护已经不再影响掘进施工,能有效解决传统掘进中支护耗时过长的问题,提高掘进效率,实现快速掘进。图 2 围岩变形与支护3 1018 工作面分次支护方案设计应用3.1 参数计算1018 工作面埋深 180200 m,
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