厚煤层巷道支护方案的改进与应用.pdf
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1、第 卷第 期煤炭科技 年月 收稿日期:;:作者简介:郭艳军(),男,内蒙古通辽人,工程师,年毕业于内蒙古科技大学采矿工程专业,现从事煤矿开采技术与工艺方面的研究工作。引用格式:郭艳军 厚煤层巷道支护方案的改进与应用 煤炭科技,():,():,文章编号:()厚煤层巷道支护方案的改进与应用郭艳军(晋能控股煤业集团 北辛窑煤业公司,山西 忻州 )摘要:北辛窑煤矿原有支护工艺存在顶板变形严重、支护工序多等问题,采用 ()型细牙螺纹钢锚杆和快速整体式聚酯纤维网,并在该基础上利用 有限差分软件开展了支护参数的分析与优化,确定了顶板锚杆长度为、支护网度为 的支护方案。实际应用效果表明,新的支护方案能够控制顶
2、板的下沉变形,显著提高了支护施工效率。关键词:软件;巷道掘进;垂直应力;快速支护中图分类号:文献标志码:(,):,(),:;:北辛窑煤矿 工作面原支护工艺选用 型 无纵肋螺纹钢式金属锚杆,排间距为 。原支护工艺在实际应用中效果并不理想:锚杆的锚固效果较差;采用 钢筋焊接网,规格为 ,勾连方式连接,人工频繁铺连网导致施工速度慢且连网质量不高,网片整体性不强。由于锚杆选型不当、网度参数设计不合理、钢筋网的强度较低且安设工艺繁琐,导致出现巷道顶板变形严重、支护施工进度较慢等问题。巷道赋存条件概况北辛窑煤矿 号煤层 采区 工作面煤层结构复杂,煤层厚度 ,含 层夹矸,夹矸厚 ,属于稳定厚煤层。煤层大致走
3、向为东西,倾向北,倾角为 。煤矿为低瓦斯矿井,自燃倾向性为类自燃,自然发火期为 ,有爆炸性。该工作面基本顶为中砂岩,厚度为 ;直接顶为砂质泥岩,厚度为 ;直接底为砂质泥岩,厚度为 ;基本底为中细砂岩,厚度为 。工作面胶带巷道为三心拱断面,断面参数为:掘宽 、净宽 ,掘高 、净高 ,掘进断面 。年第 期郭艳军:厚煤层巷道支护方案的改进与应用第 卷 原有支护工艺 原支护参数()锚索选用 的预应力钢绞线,钢绞线型号为 ,破断载荷 ,破断强度 ,延伸率 ;锚索长度 ,安设排距 、间距 ,垂直巷道顶板安装,如图 所示。图 巷道断面原支护方案示意 ()锚杆使用规格为 型 、长 的无纵肋螺纹钢式金属锚杆,排
4、间距为 ,每排 根(两帮各 根,顶板 根)。()采用 钢筋焊接网,孔网为 ,规格为 ;钢筋网采用勾连方式连接,无法勾连时采用双股 号铁丝进行扎接,扎接间距不大于 。原支护工艺存在问题现场应用效果表明,两帮变形较小,但存在顶板变形严重、支护工序多等问题。分析其原因,主要体现在 个方面:支护材料问题,锚杆的锚固效果差、支护网的强度低且安设工艺繁琐;支护参数问题,顶板锚杆的网度参数设计不合理造成支护强度不达标。支护材料的改进 新型细牙螺纹钢锚杆的应用新型细牙螺纹钢锚杆(图 ),该锚杆结合了等强螺纹钢锚杆与无纵肋螺纹钢式树脂锚杆的优点 :全长等强度性能。热轧细牙螺纹钢锚杆采用特殊工艺轧制,杆体表面均布
5、热轧细牙连续螺纹,实现全长度等性能。高强度。选用低合金高强度材料轧制,屈服强度可达 以上。全长度预紧。杆体采用连续螺纹,减小了螺旋升角,配合精制机加工螺母,克服了因螺旋升角大造成预紧力小,易松动等缺点。实现多次预紧。杆体全长度均布连续螺纹,在岩壁片帮或局部破碎时,可轻易实现二次或多次预紧,减少二次支护,降低支护成本。改进选用 ()型细牙螺纹钢锚杆,屈服强度在 以上,延伸率大于 。图 新型细牙螺纹钢锚杆 快速整体式聚酯纤维网传统的人工频繁铺连网,施工速度慢;连网质量不高,网片整体性不强。改进应用高强聚酯纤维柔性支护网,该支护网采用高强度、高模量、低蠕变的聚酯工业长丝纤维经纬向整体编织及表面涂层处
6、理制成 ,性能对比见表 。表 钢筋网性能的对比 序号最大抗拉力 最大变形量 编织带破断力 编织带破断时位移 聚酯纤维网 钢筋网 可在地面根据支护需要使用尺寸预先编织为整体网片,最大幅宽 ,长度 ,网孔尺寸 。根据巷道宽度定制支护网的宽度,沿长度方向卷成网卷状;网卷直径根据铺网装置容量,应留有一定的富裕量方便自动出网;长度应尽量满足一个班的掘进量,一般为 。采用综合型机载临时铺网护顶支架或独立的自移式铺网设备,通过配套的工具实现掘、支、护工作的机械化作业,缩短了支护时间,从而大幅度提高煤巷掘进支护速度。实现铺网和临时支护、锚杆支护工序的平行、连续化、同步支护 。年第 期煤炭科技第 卷 支护参数的
7、分析与改进 巷道模型的建立与分析思路为分析顶板锚杆的网度参数合理性,结合北辛窑煤矿 工作面轨道巷地质条件,采用 有限差分软件建立巷道模型 。模型长 、宽 、高 ,巷道顶板初始应力 (埋深模型以上岩层高)平均容重 。()模拟 工作面轨道巷采用不同顶板锚杆长度(、),帮部锚杆均采用 锚杆保持不变,分析不同顶板锚杆长度对锚固应力场分布的影响情况,确定顶板锚杆最佳长度。()根据上一组模拟的结果,顶板锚杆选择最佳长度基础上,模拟 工作面轨道巷顶板锚杆采用不同间排距(、),巷道围岩应力有效压力区分布情况及巷道顶板情况,同时考虑快速掘进,选择合适的排距。锚杆长度的确定模拟 工作面轨道巷采用不同顶板锚杆长度(
8、、),帮部锚杆均采用 锚杆、锚杆排间距保持不变,模型巷道长度为 ,共计 排锚杆,其中锚杆锚固力为 。()不同锚杆长度下巷道顶板的下沉量分析。不同锚杆长度垂直位移模拟结果表明,随着锚杆长度(、)增加,巷道顶板垂直位移减小,这是由于锚杆锚固范围增加能深入岩层内部及时控制顶板下沉 。当锚杆长度从 增加到 时,由于巷道的顶板条件好,不同巷道顶板垂直位移变化量较小,顶板垂直位移平均约为 。从控制顶板垂直位移考虑不同长度的锚杆支护均可达到巷道支护强度要求。()不同锚杆长度垂直应力分析。不同锚杆长度垂直应力模拟结果表明,巷道垂直应力分布主要集中在巷道两帮距离表面 处位置,应力集中的峰值约为 ,随着锚杆长度(
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