小凌河矿回采巷道锚杆支护技术研究.pdf

第3 2 卷 2 0 1 2 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2 A u g u s t2 0 1 2 小凌河矿回采巷道锚杆支护技术研究① 车禹恒1 ，张宏伟1 ，韩军1 ，陈蓥1 ，高 宏2 1 ．辽宁工程技术大学矿业工程学院，辽宁阜新1 2 3 0 0 0 ；2 ．煤炭科学研究总院沈阳研究院，辽宁沈阳1 1 0 0 1 6 摘要针对南票煤电集团小凌河煤矿一5 8 0m 南翼溜煤道处于大倾角、受动载影响的地质条件的情况，通过现场实测确定巷道围 岩地应力，并利用现场实测方法计算围岩的松动圈范围，初步确定锚杆 索 的设计长度、锚杆 索 初始设计参数，最后利用数值模 拟和现场试验段监测对初始支护参数进行稳定分析和优化设计，使巷道支护达到既安全又经济的目的。 关键词锚杆支护；数值模拟；围岩应力 中图分类号T D 3 2 2 文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 8 0 5 2 2 0 3 5 8 0m 南翼溜煤煤体深部经常发生煤炮，煤炮 引起的震动对煤体的整体稳定性影响较大，从而降低 了围岩体的承载能力’3J 。为提高巷道的支护稳定 性，通过数值模拟方法H 。J ，进行锚杆 索 支护技术 研究工作，建立适合小凌河煤矿大倾角煤层巷道锚杆 索 支护参数对矿井的安全生产具有重要的意义。 1 工程地质概况 小凌河矿目前回采四水平北二区⋯5 6 5 5 8 0m 南翼采区，开采方法为水采。矿井四水平北二区一5 6 5 ～一5 8 0m 南翼回采5 3 煤层，煤层走向为N 2 5 。一 3 5 。E ，倾向N W ，倾角3 2 。- 4 2 。，煤层厚度为6 ．5 1 2 ．5 i n ，平均1 0 ．5i n 。坚固性系数为1 ．2 1 ．8 。老顶为安 山岩，厚度为1 2 2 61 1 1 。直接顶泥质页岩，厚度为4 ～ 7m 。伪顶碳质页岩，厚度为0 0 ．21 1 1 。直接底泥质 页岩，厚度3 ～5I n 。老底细砂岩，厚度1 0 ～2 0i n 。 25 8 0m 南翼溜煤道断面参数设计 综合考虑小凌河煤一5 8 0m 北翼溜煤道矿目前的 巷道断面形状、高度、面积，确定巷道参数，见表 1m9 1 。考虑到锚杆支护初次被采用以及巷道围岩应 力与变形的差异性，巷道的高度在设计时是留有余量 的，巷道高度可选择2 ．2 ～2 ．4m 。 表1 巷道断面参数 35 8 0m 南翼溜煤道支护设计方案 根据上述现场探测分析，并经过理论计算，参考以 往类似工程，提出四种锚杆支护方案【1 0 ‘1 1 ] ，具体方案 如下 方案I 巷道形状为梯形，顶板采用钢筋托梁组合 锚杆支护，并进行锚索补强。锚杆选用西2 2m m 22 0 0m m 的全螺纹等强锚杆，间距8 0 0m m ，排距8 0 0 m m ，每排3 根锚杆，配用拱形托盘。锚索选用①1 5 ．2 m m 60 0 0m m 钢绞线，排距16 0 0m m ，每排l 根锚 索；采用菱形金属网护顶。巷道两帮采用钢筋托梁组 合锚杆支护。锚杆选用蛇2m m x 22 0 0m m 的全螺纹 等强锚杆，间距9 0 0m m ，排距8 0 0m m ，每排3 根锚杆， 配用拱形托盘，采用菱形金属网护帮。 方案Ⅱ巷道形状为梯形，顶板锚索根数增至2 根，间距10 0 0m m ，排距l6 0 0m m ，其余参数与方案I 相同。 方案Ⅲ巷道形状为矩形，顶板采用钢筋托梁组合 锚杆支护，并进行锚索补强。锚杆选用啦2m m 22 0 0m m 的全螺纹等强锚杆，间距8 0 0m m ，排距8 0 0 m m ，每排4 根锚杆，配用拱形托盘。锚索选用垂1 5 ．2 m m 60 0 0m m 钢绞线，排距16 0 0m m ，每排1 根锚 索；采用菱形金属网护顶；巷道两帮采用钢筋托梁组合 锚杆支护，锚杆选用蛇2m m 22 0 0m m 的全螺纹等 强锚杆，间距9 0 0m m ，排距8 0 0m m ，每排3 根锚杆，配 用拱形托盘，采用菱形金属网护帮。 方案Ⅳ巷道形状矩形，顶板锚索根数增至2 根， 间距15 0 0m m ，排距l6 0 0m m ，其余参数与方案Ⅲ 相同。 ①收藕日期2 0 1 2 - 0 3 - 2 5 作者简介车禹恒 1 9 8 7 一 ，男，辽宁鞍山人，硕士研究生，主要研究方向为矿山压力与矿井动力灾害防治。 万方数据 2 0 1 2 年0 8 月车禹恒等小凌河矿回采巷道锚杆支护技术研究 4 支护效果模拟分析 4 ．1 应力分析 经模拟计算，4 种支护方案围岩垂直应力分布见 图1 。从图中可以看出，由于煤层倾角较大，巷道围岩 应力分布呈现非对称性。同一断面形状的支护方案 I 与Ⅱ，Ⅲ与Ⅳ 对比可知，顶板打设两根锚索的方 案形成的应力降低区范围小于顶板打设一根锚索的方 案。不同巷道断面形状的支护方案对比可知，梯形巷 道在锚杆 索 支护下，围岩中的应力降低区范围小于 矩形巷道。 图l 锚杆支护方案垂直应力分布对比 a 方案I ； h 方案Ⅱ； t - 方案Ⅲ； d 方案I 、 4 种支护方案中，在巷道两帮锚杆的锚固端形成 了应力升高区。梯形巷道中，锚固端的最大应力为 2 6 ．0 ～2 7 ．0M P a ；矩形巷道中，锚固端的最大应力为 2 6 ．0 ～2 8 ．2M P a 。4 种支护方案在帮锚杆锚固端的最 大应力差别不明显。应力云图说明，与矩形巷道相比， 梯形巷道在锚杆 索 预紧力的作用下，围岩的塑性破 坏区范围减小，围岩的承载能力得到提高，巷道更易于 支护‘1 2 1 。 4 ．2 位移分析 经模拟计算，梯形巷道顶板及两帮位移曲线见图 2 ～3 。矩形巷道顶板及两帮位移曲线见图4 ～5 。 模拟结果表明，控制巷道两帮收敛方面，梯形与矩 形巷道两帮变形基本一致，控制顶板下沉方面，顶板打 设两根锚索的支护方案优于打设一根锚索的，而且梯 形巷道控制顶板下沉优于矩形巷道。 4 种锚杆支护方案巷道表面位移对比见表2 。通 过以上4 种锚杆支护方案的模拟对比分析，根据小凌 距离／r a m 图2 梯形巷道顶板位移曲线 距离／m m 图3 梯形巷道两帮位移曲线 1 8 0 1 6 0 I m ；1 2 0 鲫1 0 0 藉8 0 牛6 0 若 4 0 2 0 0 距离／m m 图4 矩形巷道顶板位移曲线 距离／r a m 图5 矩形巷道两帮位移曲线 河矿现有锚杆支护材料，考虑材料消耗量及经现场施 工，确定小凌河矿一5 8 5m 南翼溜煤道采用锚杆支护 方案Ⅱ进行支护。 万方数据 5 2 4 矿冶工程 第3 2 卷 表2 模拟结果汇总表 注“％”表示相对变形量，方案Ⅱ为1 ．0 0 ％，其他方案与之进行对比。 5 结论 1 通过数值模拟分析得出4 种锚杆支护方案中， 方案Ⅱ的支护效果最为理想。 2 锚杆支护是一种积极主动的支护方式，有效地 控制了顶板的离层和冒落，是水采煤巷有效、经济的支 护方式，是水采矿井降低成本、提高效益、适应市场经 济要求有效的支护手段，必将成为水采矿井煤巷支护 的发展方向。 参考文献 『1 ] 何满潮．李春华．王树仁．大断面软岩硐室开挖非线性力学特性 数值模拟研究[ j ] ．岩土工程学报，2 0 0 2 ，2 8 3 3 7 7 3 8 1 ． [ 2 ]张向阳，常聚才，王磊．深井动压巷道群围岩应力分析及煤柱 留设研究[ J ] ．采矿与安全工程学报，2 0 1 0 ，2 7 1 7 2 7 6 ． [ 3 ]孙广中．岩体力学基础[ M ] ．北京科学出版社，1 9 8 3 ． [ 4 ]高富强．最大水平主应力对巷道围岩稳定性影响的数值分析 [ J ] ．矿业研究与开发，2 0 0 8 ，2 8 1 6 2 6 4 ． [ 5 ] 郭力，赵静，元永国，F L A C 3 D 在巷道支护中的模拟分析[ J ] ． 出西焦煤科技，2 0 1 1 3 2 0 2 2 ． [ 6 ]张拥军，安里千，于广明，等．锚杆支护作用范围的数值模拟和红 外探测实验研究[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 6 ，3 5 4 5 4 5 5 4 8 ． [ 7 ] 李万里，高怀正，王培强．大倾角三软厚煤层巷道支护参数优化 的研究[ J ] ．煤炭技术，2 0 1 1 ，3 0 6 9 7 9 9 ． [ 8 ]魏延诚，汪仁和，张杰．基于M A T L A B 神经网络在巷道支护参 数设计中的应用【j ] ．煤炭工程，2 0 1 0 1 2 1 1 一1 3 ． [ 9 ]张占涛．大断面煤层巷道围岩变形特征与支护参数研究[ D ] ．北 京煤炭科学研究总院，2 0 0 9 ． [ 1 0 ] 范伯瑜，巷道支护分析[ J ] ．中国科技信息。2 0 0 9 1 4 7 2 7 4 ， [ 1 1 ] 兰奕文．巷道支护分析[ J ] ．煤炭技术，2 0 0 7 ，2 6 4 6 4 6 7 ． [ 1 2 ] 李大伟，侯朝炯．低强度软岩巷道大变形围岩稳定控制试验研 究[ J ] ．煤炭科学技术，2 0 0 6 ，3 4 3 3 6 3 9 ． 万方数据