大断面矩形巷道锚杆支护技术研究.pdf

第 10期山 西 焦 煤 科 技No . 10 2010年 10月ShanxiCoking Coal Science 大断面; 巷道; 数值模拟; 研究; 效果 中图分类号 TD353 . 6 文献标识码B 文章编号 1672- 0652 2010 10- 0021- 04 在围岩巷道支护领域内, 研究、 提出了多种支护 理论并得到了较好的推广和应用 [ 1- 2], 但由于我国煤 矿地质条件的复杂性, 这些理论与实践往往出现一定 的偏差或应用不合理, 生搬硬套理论, 造成我国煤矿 巷道顶板跨落、 冒顶事故时有发生, 造成巨大的经济 损失和人员伤亡 [ 3- 6]。所以, 本文以某煤矿顺槽支护 为背景, 采用经验公式与数值模拟相结合的方法, 研 究其围岩的受力、 变形及其破坏方式, 进而给出其合 理的支护方案。 1工程概况 本文所研究的顺槽巷道主要布置在 15 煤层附 近, 15 煤层顶底板岩层柱状岩性表见表 1 。由于 15 煤层顶板为 7 . 0m 的砂岩, 为保持巷道有一个完整的 表 1 15煤层顶底板岩层柱状岩性表 岩性厚度 /m特性 中细砂岩9 . 0 灰黑色, 含大量泥质成分, 胶结程度 一般, 遇水、 风易风化。 砂质泥岩2 . 5灰色, 块状结构, 裂隙发育, 含大量砂质成分。 砂岩7 . 0 浅灰色, 块状结构, 裂隙发育, 胶结程度 高, 硬度大。 15 煤上 0 . 9黑色, 块状夹杂粉末状, 半亮型煤。 泥岩0 . 7浅灰色, 含大量砂质成分, 硬度大, 块状结构。 15 煤下 0 . 9黑色, 块状夹杂粉末状, 半亮型煤。 炭质泥岩1 . 5黑色, 含炭量高, 岩性比较破碎。 泥岩3 . 0浅灰色, 岩性破碎, 滑茬发育, 含少量水。 砂质泥岩3 . 0 浅灰色, 局部含有大量植物化石, 胶结一般致密。 细砂岩5 . 5灰色, 胶结程度高,硬度大, 块状结构。 顶板, 将工作面顺槽形式定为矩形巷道, 且沿煤层顶 板而布置。由于 15 煤层和底板泥岩, 岩性比较破 碎, 总体上属于 类不稳定围岩。 2 经验公式法确定锚杆支护参数 经验公式计算法用于锚杆支护设计, 计算得到的 仅为锚杆支护的主要参数, 对于锚杆杆体的结构形 式, 锚固长度, 托板、 螺母结构形式和强度等不能有效 地做出 设计, 所以此 方法只是用 于参数确 定参 考 [ 7- 10]。 由于该矿工作面顺槽大部分沿煤层开拓, 属半煤 岩巷, 所以, 应该采用煤巷锚杆支护的经验公式计算 参数。巷道尺寸 宽 5 . 0m, 高 4 . 0 m, 断面积为 20 . 0 m 2。 1 锚杆长度。 L N 1 . 5 W /10 1 式中 W ∀ 巷道或硐室跨度, m; L∀ 锚杆总长度, m; N ∀ 围岩影响系数 该矿为 类围岩, 取 1 . 2。 2 锚杆间距。 M 1 . 0/N 2 式中 M ∀ 锚杆的间距, m。 3 锚杆直径。 d L /110 3 式中 d∀ 锚杆直径, m。 作者简介 段春生 男1980年出生 2009年太原理工大学在读工程硕士 助理工程师 太原 030024 根据以上公式计算回风顺槽的锚杆支护参数, 见 表 2 。 表 2 巷道锚杆支护参数经验公式计算结果表 巷道名称 最大跨 度 /m 锚杆总长 度 /m 锚杆间 距 /m 锚杆直 径 /mm 回风顺槽5. 02. 40 . 822 3 锚杆支护的数值模拟分析 为了弄清巷道围岩破坏情况, 对顺槽巷道进行了 无支护数值模拟, 数值模拟软件采用离散元软件 UDEC, 通过对此次数值模拟结果的分析, 初步认识了 该区域地质条件下巷道围岩破坏规律, 以便下一步锚 杆支护方案数值模拟有的放矢。 3. 1 无锚杆支护的数值模拟分析 在无锚杆支护的情况下, 顺槽巷道围岩破坏情况 见图 1 a所示, 可见巷道两帮和底板受到较大破坏, 其中巷道两帮破坏尤为严重, 巷道顶板破坏程度最 小, 因此, 此段支护的重点应该是巷道两帮和底板。 图 1 顺槽巷道应力应变分布图 无支护 22山 西 焦 煤 科 技2010年第 10期 巷道围岩的水平应力分布见图 1 b所示, 最大水平 应力为 12MPa , 应力集中区域主要分布于巷道两帮; 垂直应力分布见图 1 c所示, 最大垂直应力值为 12 MPa , 应力集中区域主要分布于巷道的两帮; 剪切力 分布见图 1 d所示, 最大应力值为 8MPa , 应力集中 区域主要分布于巷道两帮与底板交汇处; 图 1 e和 f是最大主应力和最小主应力分布图, 从图中应力 分布来看, 最大主应力在此区域应力达 25 30MPa , 高应力分布在两帮区域。最小主应力同样不如最大 主应力那样显著, 在最小主应力集中区域应力 4 8 MPa , 最高到 8MPa。 3 . 2 锚杆支护的数值模拟分析 根据前面顺槽巷道无锚杆支护时巷道变形破坏 效果以及经验公式法确定的锚杆支护参数, 对顺槽巷 道进行锚杆支护数值模拟, 锚杆直径 22mm, 间排距 0 . 8 m 0 . 8 m。巷道围岩破坏情况见图 2 a所 示, 相比无锚杆支护时, 巷道整体稳定性得以提高, 变 形破坏进一步减小, 尤其是顶板和两帮的完整性保持 良好, 两帮与底板交接处的变形破坏程度大大降低。 但巷道两帮依然存在不同程度的偏帮现象。 巷道围岩的水平应力分布见图 2 b所示, 最大 水平应力为 14MPa , 应力集中区域主要分布于巷道 顶板, 两帮与底板交叉处等区域; 垂直应力分布见图 2 c所示, 最大垂直应力值为 7MPa , 应力集中区域 主要分布于巷道的两帮; 剪切力分布见图 2 d所示, 最大应力值为 3MPa , 应力集中区域主要分布于巷道 的顶板; 图 2 e和 f是最大主应力和最小主应力分 布图, 从图中应力分布来看, 顶板上方最大和最小主 应力以 60∃ 左右向两帮施加压力。在这一最大和最 小主应力产生应力集中的区域, 最大主应力在此区域 应力达 14 16MPa , 应力最高处是两帮与顶板交叉 处, 达到 16MPa 。在最小主应力集中区域应力 8 10 MPa , 最高到 10MPa 。 4 锚杆支护参数的初始确定 根据数值模拟的效果, 可见此次锚杆支护能够保 证巷道的稳定性。具体支护布置参数如下 1 顶板支护。锚杆形式和规格 高强度锚杆采 用 B500材质、 杆体为 22 左旋无纵筋螺纹钢筋, 长度 2 . 4m, 杆尾螺纹为 M24 。 锚杆布置 锚杆排距 800 mm, 每排 7根锚杆, 间 距 800mm。 锚索 单根钢绞线,22 mm, 长度 7. 4 m, 加长锚 固, 采用 3支锚固剂, 锚索采用三花布置, 即每排都有 锚索。 2 巷帮支护。锚杆形式和规格 杆体为 22 mm 左旋无纵筋螺纹钢筋, 长度 2 . 4 m, 杆尾螺纹为 M24 。 锚杆布置 锚杆排距 800 mm, 每排 5根锚杆, 间 距 800mm, 顶锚杆距顶 435 mm, 底锚杆距底板 485 mm。 帮锚索 采用直径 17 . 8mm的锚索, 长度 5 . 3m, 加长锚固, 锚索采用之字型布置, 即每排都有锚索, 距 顶、 底板距离分别为 1 320 、 1 495 mm。 3 底板支护。考虑到底板为泥岩, 较容易出现 底鼓, 因此, 在巷道支护初始设计中增加了防治巷道 底鼓技术。 锚杆形式和规格 杆体为中空特种钢自钻锚杆。 锚杆外径 25 mm, 内径 13mm, 长度 2 . 5 m分 1 . 0 m 和 1 . 5 m两段, 中间有连接套连接 , 杆尾螺纹规格 M25 。 锚固方式 水泥注浆, 水灰比是 1 2 . 5 , 并加入 水泥添加剂 1 . 5 与水泥比 。 锚杆布置 锚杆排距 800mm, 每排 4 1 2根锚 杆, 间距 1 000 mm。靠近巷道两帮的锚杆安设角度 为 20∃ 。 长锚杆形式和规格 杆体为中空特种钢自钻锚 杆。锚杆外径 25mm, 内径 13 mm, 长度 5 . 0m 分两 段 1 . 0m 和两段 1 . 5 m连接而成 , 自钻锚杆一次性 钻头 46 mm。 长锚杆布置 在 2排锚杆中间, 每隔 1 . 6 m 打 1根长锚杆。 5 工程实例 采用上述锚杆支护方案后, 某矿 15002工作面回 风顺槽掘进 50m过程中, 通过观测的数据显示, 巷道 变形量大大减小。巷道变形量见表 3 。 232010年第 10期段春生 大断面矩形巷道锚杆支护技术研究 图 2 顺槽巷道应力应变分布图 锚杆支护 表 3 锚杆支护下巷道围岩变形情况 支护方案 变形破 坏程度 顶沉 /mm底鼓 /mm 侧帮水平位 移 /mm 锚杆 锚索较小179129158 巷道支护一直是采矿领域的一大难题, 本文的研 究希望对国内井下采煤巷道支护有一定的借鉴意义。 收稿日期2010- 08- 22 下转第 33页 24山 西 焦 煤 科 技2010年第 10期 采。定压排采可以有效地控制井底流动压力与储层 压力之间的压差, 适度控制井筒附近的流体流动速 率, 保证煤粉等固相颗粒物、 水、 气的正常产出。现场 人员可以通过调整产水量和井口套管压力来控制井 底流动压力和井底与储层的压差。排采初期强度不 宜过大, 排液应连续平稳, 保持动液面平稳下降, 严禁 排量的大起大落而造成生产压差上下波动, 使得储层 激动, 吐砂、 吐粉。排采初期泵挂深度也不宜在煤层 段, 以避免煤层激动吐粉吐砂, 一般应置于煤层顶板 以上 10 20 m处。 收稿日期 2010- 08- 22 参 考 文 献 [ 1] 吴佩芳. 煤层气开发的理论与实践[M ]. 北京 地质出版社, 2000 70- 71. Analysis on Several Factors of InfluenceOutput in CoalBed GasW ell Yan Bo- ji Abstract Analyzes the several factors of affecting individual well productivity of the coal bed gas ,such as the gas conten, tthewell pattern layou, t the reservoir protection ,the crevasse communication,the scientific drainage and gas and so on.Include the gas content are differen, t gas production are differen; tthe well pattern layout of the coal bed gas needs to opti m ize layout by combination geologic structure factor and so on ;in the process of the well drilling andwell cementing need to protect the coal reservoir ;coal bed fracturing transation ,can effectively link up the bore- hole and the coal bed natural crevasse ,increases production capacity ,increases the gas desorption rate ;ac cording to production practice,carries on drainage and gasm ining by the constant pressure and the outpu. t Key wordsCoal bed gas ;Individual well productivity ; Well pattern layou; t Reservoir protection ;Crevasse communication ;Scientific drainage and gasm ining 上接第 24页 参 考 文 献 [ 1] 何满潮, 袁和生, 靖洪文, 等. 中国煤矿锚杆支护理论与实践 [M ]. 北京 科学出版社, 2004 67- 69 . 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Through theoretical calculation and analysis ,numerical si mulation analysis of large- section gate roadway w ithout bolt and w ith bolt supporting in 15002 working face by using numerical softwareUDEC,obtained the roadway bolt supporting technology solutions ,and ini tial success in engineering application ,hope that this paper researches on the dom estic undergroundm ining of roadway surrounding rock is of certain reference . Key words Bol; t Large- section ; Roadway; Numerical si mulation 332010年第 10期闫泊计 浅析影响煤层气井产量的几个因素