大动压巷道锚杆支护技术研究.pdf

2 0 1 2年6月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 9卷第 3 期 大动压巷 道锚杆支 护技术研究 王博 宁夏 建设职业技 术学院 ， 宁夏 银 川 7 5 0 0 2 1 摘 要 陕西象 山煤矿 1 1 5 0 4运输巷在 回采过程 中巷道压力显现 明显， 维护困难 ， 极大地影响 了该工 作面回采工作的进度和效率。针对这一复杂情况 ， 将 H o e k B r o w n强度准则应用于三维显式有限差分法 程序 F L A C 中， 对 围岩变形、 破坏过程进行数值模 拟研 究， 为 即将掘进 的 1 1 5 0 5运输巷和回风巷的支护 设计提供依据。设计方案经过现场实验及研 究取得 良好 的效果。 关键词 煤矿 ； 大动压巷道； 锚杆支护； 设计参数 中图分类号 T D 3 5 3 ． 6 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 2 0 3 0 0 3 0 0 3 对于地下矿山开采而言 ， 保证巷道开挖 与支护 稳定是矿 山安全开采的前提。由于工作 面的生产活 动改变了煤层顶底板 内的原 岩应力 分布 ， 引起 岩层 变形 、 移动和破坏等一系列矿压现象 ， 给生产带来不 利 的影响。尤其 当巷道上方受 采动影响后 ， 在煤壁 前方有一应力增高区 ， 随着采煤工作面 的推进 ， 给 围 岩带来极大压力 ， 也 给下方巷道 的支护 和维护造成 极大的困难 。因此 ， 了解 煤层 围岩应力 的重新分布 规律 ， 掌握采动破坏特征 ， 是正确指导巷道布置 以及 煤矿安全生产的主要措施 。 1 动压 巷道特 点 大动压巷道的基本特点 在巷道掘进 过程 中， 多 数处于原岩应力场 中的岩体 ， 一旦受 到周 围的采动 影响 ， 在各种集 中压力作用下 ， 改变了原岩应力场中 的静压状态 ， 应力值突然增大 ， 导致巷道 围岩应力的 再次或多次重新分布。巷道原有静压状态下 的稳定 平衡被打破 ， 围岩发 生显著变形 ， 位移和压力增 大 ， 需要经过应力重新 分布达 到新 的平衡 ， 巷 道围岩才 能重新稳定下来 。如果巷道 的支护不能适应采动影 响带来 的应力 变化 ， 或未及 时采取相应 的加 固补救 措施 ， 则巷道会受 到不同程度 的破坏 ， 或断 面变形 ， 或围岩松动失稳 ， 影响巷道 的正常安全使用。 随着 回采工作面向前推进 ， 由于煤炭大量采出 ， 打破了采 区原岩应力静态 的平衡 状态 ， 在采 区工作 收稿 日期 2 0 1 1 1 0 3 1 ； 2 0 1 2 0 3 1 4修订 作者 简 介 王 博 1 9 8 4 一 ， 男 ， 宁夏银 川 人 ， 硕 士研 究 生， 毕业于西安科技大学， 现在宁夏建设职业技术学院任教， 主要从 事隧道施 工及 岩土锚 固方面 的研 究工 作。 3 0 面上方形成垮落 、 断裂 、 弯 曲下沉 3个地 带 ， 采空 区 上覆岩体的重量转嫁于采 区四周 ， 形成各种状态 的 集中压力带 。 因此 ， 动压巷道 的支护结构和主要参数不能象 支护静压巷道只考虑原岩应力场的作用 ， 还必须 充 分估计巷 道受 各种采 动影响 的集 中压 力 的程 度及 其相应的变形 、 位移 、 压力值 ， 并 以此 为依据全 面考 虑 ， 选择适 当的锚 杆 索 支 护结 构 和正 确 的支护 参数 。 2 实际工况 1 1 5 0 5综采工作面位于象 山煤矿北一采 区， 紧邻 1 1 5 0 4回采工 作面运输巷 ， 开采 5 煤 层。煤层 平均 倾角 3 。 ， 平均厚度 3 ． 6 m， 埋藏深度 2 3 0 2 4 5 m。伪 顶为薄层状泥岩 ， 厚度 0 ． 6～ 0 ． 8 m； 直接顶为中细砂 岩 ， 致密坚硬 ， 厚度 1 ． 8～2 ． 1 m； 基本顶 为中细粒砂 岩 ， 厚度 6 ． 0～6 ． 5 m； 煤层 以下为砂 质 泥岩 ， 厚 度 5 ． 2 m。该工作面走向长 1 2 4 0 m， 倾 向宽 1 5 0 m， 采 高 3 ． 6 m， 循环进度 0 ． 8 m， 日进度 2 ． 4 m。煤岩参数 如表 1所示 。 表 1 巷道 顶底板岩层物理 力学参数 2 0 1 2 年6 月 矿 业安 全 与环 保 第3 9 卷第3 期 3 数值模 拟 目前 F L A C 如模拟煤层开采大多采用 的是 Mo h r C o u l o mb材料破坏准则 ， 但是根据大量岩石力学实验 证实 ， 岩石破坏后强度 明显 降低 ， 产生弱化 ， 该准则 不能动态地反 映岩石破 坏时的力学行为 ， 而 H o e k B r o w n强度准则能够更加客观地反 映围岩受采动影 响时黏聚力和 内摩擦 角的变化 。在此 ， 以陕西省韩 城市象山煤矿动压巷道为研究对象 ， 将 Ho e k B r o w n 强度准则应 用于三维显式 有限差分法程序 F L A C 如 中， 对动压巷道开挖进行数值模拟研究。 3 ． 1 Ho e k B r o w n强 度准 贝 U Ho e k B r o w n强度准则是在分析 G r i ff i t h理论和 修正 G r i f fi t h理论的基础上 ， 通过分析大量现场岩石 试验结果和对岩石抛物线型破坏包络线的系统研究 后 ， 总结 出的一种描述完整岩块 或岩体应力 引起破 坏的经验关系。此强度准则假定流动法则和破坏准 则之间具有某种 固定 的关系 ， 并 且流动法则是各 向 不同性 的 。 Ho e k B r o w n准则除适用 于结构完整且 各 向同 性的均质岩石外 ， 还适用 于碎裂 岩体及各 向异性的 非均质岩体等。该准则能够解释低应力 区、 拉应力 区和最小主应力对强度的影响 ， 可以较 客观地反映 煤岩体受采动 影响后强 度有所 降低这一 力学行 为 特征。 H o e k B r o w n强度准则表达式如下 o r ， or “4- 丽2 1 式中 o r 为岩体破坏时 的最大主应力 ； Or 为作用在 岩体上的最小 主应力 ； 为完整岩石单轴抗压强度 ； m， s为经验参 数 ， m反映岩石 的软硬程度 ， s反映岩 体的破碎程度。 3 ． 2数值模拟分析 F L A C 是一种用于工程力学计算 的三维显式有 限差分程序 ， 其可以准确地模拟岩土 、 岩石和其他到 达屈服极限时会发生塑性流动的材料所建造的结构 的特性。利用 F L A C 如软件 ， 在动压巷道条件下进行 模拟， 其巷道主应力云图如图 1 2 所示。 巷道开挖 以后 ， 原有的天然应力状态被破坏 ， 围 岩中的应力重新分布， 在切向应力增大的同时， 径向 应力减小 ， 并在硐壁处达 到极 限。这种变化促使 围 岩 向巷道 内空 区变形 ， 围岩本身 的裂隙发生扩容 和 扩展 ， 力学性质随之不断恶化。在围岩应力条件下 ， 切 向应力在硐壁 附近发生 高度集 中， 致使这一 区域 岩层进入塑性 工作状态。塑性 区的出现 ， 使应力增 图 l 巷道 最大主应力云图 图 2巷道 最小 主应 力 图 高区从岩壁向纵深偏移 ， 当应力集 中的强度超过 围 岩屈服强度时 ， 又将 出现新 的塑 性 区， 如此逐层推 进 ， 使塑性区不断 向纵深发展。假如不采取适 当支 护措施 ， 临近采空塑性 区将随变形加大而出现松动 破坏。 4 支 护方案设计 由相关实验可知， 围岩体产生塑性破坏甚至断 裂破坏时 ， 如果其处于挤压状态下仍具有一定 的承 载能力 。这 种承载 能力往往 能满足 围岩稳 定 的要 求 。因此巷道顶部潜在的危险是某些单元体 中曾经 存在拉应力 的岩体 ， 破坏岩体在挤压状态下可 以不 考虑其危害性。据此观点， 巷道顶板 中拉应力大于0 的单元体所组成的岩体才是潜在危 害岩体 ， 这些应 力单元 中水平方向拉应力为 0的单元联线后所形成 的曲面可以近似用下式求得 ．1 f 2、 一 式 中 。为巷道顶板宽度 ； p 。为巷道顶部垂直地压 力 ； or 为岩体破坏时的最大主应力； 为巷道横向坐 31 2 0 1 2 年6 月 矿 业安 全 与环 保 第3 9 卷第3 期 标 ； ， 为巷道纵向坐标。 利用式 2 所求得 的曲面作为设计基准并结合 数值模拟岩体应力云图， 得到相关的设计支护参数 ， 结果如下 1 锚 杆及 锚 固剂 。锚 杆 采 用型 号 为 M S G M一 2 3 5 451 8 m m的金属锚杆 ， 长度为 2 r n 。每根锚杆使 用 3支树脂锚 固剂 ， 锚 固长度不小于 7 0 0 m m， 锚杆 的外露长度为 3 0 5 0 mil l ； 托板 由厚 8 mm、 1 2 0 mmx 1 2 0 mm的正方形钢板制成 。每根锚杆均使用配套 标准螺母紧固。 树脂锚 固剂型号为 MS Z 一 2 3 7 0 ， 直径为 2 5 m m， 每 条长度为 3 5 0 m m， 每根锚杆的锚固力不小于7 0 k N 。 2 网片采 用直径 9 mi l l的冷 拔丝制 作 的经 纬 网， 规格为长 宽 2 0 0 0 r n mx 1 0 0 0 mlT l ， 网格为长 宽 1 0 0 mi l l 1 0 0 m m， 网要 压茬 连接 ， 搭 接 长 度 1 0 0 mm， 并用 1 0号铁丝进行连接 。连接点要均匀布 置 ， 间距 2 0 0 m m， 每 1 0 0 1T I 隔开 5 0 0 m l T l 距离进行隔 离 ， 防止导电。 3 锚索采用 S K P 8 1 451 5 ． 2 4 m m、 长为 6 0 0 0 m i l l 锚 固稳定岩层为 1 ． 5 n 1 的钢绞线 配合 锁头 、 托盘 制作 ， 其 中锚 索的有效长度为 5 5 0 0 i n m， 外露部分 为 0 ． 5 1 T I ， 每孔使用 5块 q 5 2 5 1T l r l l 、 长为 3 5 0 m m 的 树脂锚 固剂 其 中快速 2块 ， 中速 3块 固定 ， 锚 固力 不小于 2 0 0 k N ／ 根 ， 铁托盘规格为 1 2 m mx 2 5 0 mmx 2 5 0 IT l ff l 。锚 固剂型号为 MS K 2 5 3 5 ， 锚索 到工作面的 距离不大于 5 1 1 3 。 5 位移监测 为了保证动压巷 道的稳定性 ， 对大动压巷道采 用十字布点法进 行位移 监测 ， 并对数 据进行 分析 。 在掘进和监测过程 中 ， 对动压巷道 的不稳定 因素进 行科学探讨 ， 并反馈至支护设计 ， 修正支护参数。 监测表 明， 两帮最大位移量 为 1 1 1 mm， 顶 板最 大位移量 为 1 2 6 m m， 均在允许 范围内 ， 支护效果较 理想。 6 结语 基于 H o c k B r o w n准则 的锚杆支护技术可 以用 于大动压巷道 的设计 ， 实践表 明， 该技术可 以有效地 控制 围岩变形 ， 并为此类型巷道设计提供参考 。 参考文献 [ 1 ]张农， 高明仕． 煤巷高强预应力锚杆支护技术与应用 [ J ] ． 中国矿业大学学报， 2 0 0 4 9 5 2 45 2 7 ． [ 2 ]康红普， 王金华． 煤巷锚杆支护理论与成套技术[ M] ． 北 京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ]陆士良． 锚杆锚固力与锚固技术[ M] ． 北京 煤炭工业出 版社 ， 1 9 9 8 ． 责任编辑 卫蓉 上接第 2 9页 二氧化碳传感器具有检测精度高 、 调 校周 期长等优 点 ， 正逐渐成为煤矿气体检测技术的主流。 基于激光光谱 吸收技术 的气体检测技术已经成 为新的研究热点 ， 目前 比较 成熟的产品主要集 中在 英 国、 美国等。在 国内， 由于受 制于 D F B激光器 的 制造技术 ， 该气体检测技术发展较 为滞后 ， 还没有出 现较为成熟 的产品。但是 ， 激光光谱吸收检测技术 在检测谱线上具备独特 的优 势 ， 即对环境湿度不敏 感 、 具备 自校正功能 ， 且容易 实现分布式检测 ， 其具 有巨大 的市场前景。 参考文献 [ 1 1 G a s S e n s o r s a n d G a s Me t e r i n g A p p l i c a t i o n s a n d Ma r k e t s 3 2 [ R J ．B u s i n e s s C o mm u n i c a t i o n s C o ． ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 刘志存 ， 于海珠．催 化元件配对 工艺及 瓦斯检 测方法优 化[ J ] ．传感器技术， 2 0 0 5 ， 2 4 2 8 1 8 5 ． [ 3 ]李琦．光干涉甲烷检测仪器 计量检定规程操作实践 [ J ] ．现代仪器， 2 0 0 6 2 6 1 6 3 ． [ 4] P A U L C，A U S T I N E A D ． T h e o r e t i c a l a n a l y s i s o f a me t h a ne g a s d e t e c t i o n s y s t e m ， us i n g t h e c o mp l e me n t a r y s o u r c e m o d u l a t i o n m e t h o d o f c o r r e l a t i o n s p e c t r o s c o p y[ J ] ． Me a s u r e m e n t S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，2 0 0 4 8 1 6 2 9 1 6 36． [ 5 ]张景超， 管立君， 肖长江， 等．基于谐波检测原理 的双光 路 C H 检测研究[ J ] ．光电子激光， 2 0 0 7 ， 1 8 1 2 1 4 4 2 1 44 4． 责任编辑 李 琴