大断面煤矿巷道支护技术的研究.pdf

大断面煤矿巷道支护技术的研究 张冠宇 朔州煤电安监分局， 山 西 朔 州 038300 摘 要 通过研究大断面巷道变形规律， 综合分析预应力锚杆作用机理， 提高预应力锚杆对大断面开采巷道的 支护性能。 通过数值模拟分析技术显示， 所采用的支护方式在大断面巷道中有较好的效果。 该研究结果可为支 护技术研究提供依据。 关键词 煤 矿 大 断 面 巷 道 支 护 技 术 总第2 0 8期 机械管理幵发 Total 208 2020 年第8 期____________________MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT________________________No.8, 2020 机械分 析 与 设 计 D0110.16525/l4-1134/th.2020.08.042 中图分类号TD353 文献标识码A 引言 锚杆支护技术具有许多的优点，在各个工程项 目上被广泛采用，目前作为煤矿企业开采过程中的 主要巷道支护技术而被广泛使用。随着煤矿行业大 采高和综放技术的发展，各地的大型煤矿生产企业 都开采出了大断面开采巷道。通过对现有支护技术 的观察， 对于大断面巷道的锚杆支护技术的研究还 不够全面。目前常研究的是断面较小的巷道支护技 术[ 1 ] 。大断面巷道所面临的是地下深层围岩载荷地 应力作用， 由于身处地下， 对于大断面巷道能否保 障其不塌方的安全性有着较高的要求。经过统计， 在锚杆支护条件下还会出现大面积冒顶片帮事故， 此类现象说明针对大断面开采巷道的支护技术还 有待进一步研究[ 2 ] 。 1大断面矩形煤巷围岩的变形特征 大断面矩形煤巷由于开挖、 支护方便， 断面利用 率高， 能满足大型设备和人员运输通行的需求， 已经 被各大矿山广泛应用。但由于煤巷围岩本身就比较 松 软 再 加 上 断 面 较 大 ， 造成围岩变形特别严重， 维护困难， 经常发生顶板事故， 所以非常有必要对大 断面矩形煤巷的破坏规律进行研究。 巷道开挖前， 岩体处于原岩应力状态中,保持着 三向应力平衡。通过多项研究表明巷道开挖后， 围 岩的应力会向四周转移，造成围岩径向应力减小和 切向应力增加。径向应力的减小使围岩使由三向应 力状态转化为了单向或双向应力状态，造成围岩强 度的降低。如果降低后的围岩强度仍大于集中的切 向应力， 那么围岩将保持稳定， 但当围岩强度下降到 低于集中的切向应力时， 围岩将发生破坏。 围岩将由 边界向深处分为破裂区、塑性区和原岩应力区[ 4 ] 。 收稿日期 2020-04-16 作者简介张冠宇（ 1986 , 男， 本 科 ， 毕业于重庆大学采矿 工 程 专 业 ， 助理工程师， 现 任 科 员 ， 主要从事煤炭掘进方面的 工作。 文章编号 1 〇〇3-773X 2020 08-0098-02 2大断面矩形煤巷支护参数设计 通过对现场大断面矩形开采巷道的实际观察走 访 ， 采用工程类比法的方式， 对巷道的顶板及巷道两 侧的两帮支护参数进行设计。 通过各个位置所承受的载荷作用力不同所选用 不同的支护构件， 主要包括有锚索、 螺纹钢锚杆、 塑 料网、 玻璃钢锚杆等， 将上述构件分别布置于向道的 顶板及两帮， 采用非对称式结构进行设计布置， 每一 个构件都采用国家所规定的标准件，并且具有互换 性便于后期的维护更换[ 5 ] 。 根据地下地层的地质构造选取不同的锚固构 件 ，从经济性角度出发选取的锚杆的直径应符合实 际需要， 由于锚杆主要受到锚固力的作用， 要求所受 到的锚固力必须大于制作杆体材料的屈服强度数 值。相关的参数设计均应符合国家标准、 行业标准， 可通过查阅相关的技术手册得出数据。在完成对参 数的确定后， 应通过公式计算进行校核， 参数数据应 考虑安全系数在1.2-1.5之间[ 6 ] 。 其中顶板的锚索布置为排距3.0 m和两侧锚索 与巷帮间距为1.5 m的类似矩形方阵。 两侧描索在水 平方巷道巷帮距离为1.8 m。 在容易滑脱的构建上设 置预紧部件，通过金属网格将各个预紧部件进行紧 密的结合。设计出的大断面矩形巷道支护参数如下 页 图 1 所示。 3大断面煤巷的数值模型与仿真 3 . 1 模型的建立 采用有限元数值模拟分析的方法能够降低试验 研究的成本， 对于各个数据的获取具有直接性， 在大 断面采煤巷道的数值模拟研究中，通 过FLAC3D仿 真软件，X彳研究模型进行数据分析计算。 根据某煤矿 实际煤层情况。 为反映有效的研究结果， 对煤层建立 起三维模型并划分网格， 如下页图2 所示。 3 . 2 材料定义与边界条件 对仿真构建的材料定义是否准确关系到最终结 2020年第8期张冠宇大断面煤矿巷道支护技术的研究 图 1大断面矩形巷道支护参数设计示意图（ 单位mm 图 2煤层有限元分析网格模型示意图 果的精确性， 通过查阅相关资料， 对煤层中煤炭的力 学参数进行定义。设置煤炭的体积模量为8.5 GPa、 剪切模量为2.18 GPa、 内摩擦角为42.23、 内聚力 为 2 200 kN、 抗拉强度为3.15 MPa。 巷道顶部的边界由于受到岩石的自然重力作 用,在顶部施加岩石的重力载荷， 大小约为12 MPa, 施加水平应力约为岩石重力载荷的2.1倍。并且设 置模型三维各个方向上的边界条件约束模型的自由 移动。 3 . 3 仿真结果分析 3.3.1巷道位移对比分析 将大断面矩形巷道开挖模拟后的位移数据分布 情况进行对比分析。 如 图 3 所示， 没有设置支护结构 的巷道断面位移情况已延伸至仿真模型的边界， 位 移情况影响较远， 不利于围岩的安全性。 而从设置有 锚杆支护结构的巷道的位移分布云图可以看出， 最 大位移出现在巷道的底部，最大位移数值比没有设 置支护结构的巷道位移数值下降36.88， 锚杆支护 结构在安全性方面取得了较好的效果。 3.3.2巷道围岩应力分布对比分析 通过仿真数值分析软件提取数据分析，设置有 支护结构的巷道在锚杆主动对地层围岩施加反向作 用力的情况下，最大应力数值已由20 MPa减小至 10 MPa。 通过合理在巷道内设置预应力锚杆， 巷道的 3 - 1 巷道无支护结构 3 - 2 巷道有支护结构 图 3巷道位移云图对比分析 4 - 1 巷道无支护结构 4 - 2 巷道有支护结构 图 4巷道围岩应力分布云图对比分析 作用范围内，有效地提高了锚杆在大断面巷道支护 作用的应用效果。 4结语 随着采煤技术的不断完善,开采深度逐渐增加， 面对地下深层的恶劣作业环境，煤矿企业为保障自 身的开采任务工作量， 确保企业的全面发展， 通常采 用大断面矩形巷道截面的结构形式，形成对煤炭的 开采作业，在提髙了煤炭生产量的同时也对开采的 安全性提出了要求。预应力锚杆技术是对此类截面 顶板及两帮的最大应力数值均有明显的下降，数值 下降率分别为50、 32.11。如图4 所示， 没有设置 支护结构的巷道地层应力载荷分布影响较远，不利 于巷道安全性管理，而设置有锚杆支护结构的巷道 将地层应力载荷作用的影响范围集中于预应力锚杆 结构形式的围岩支护的常用方式，但目前研究人员 在应用预应力锚杆技术时未深入进行相关研究， 缺 乏科学性。通过对某地煤矿企业大断面矩形巷道布 置预应力锚杆的研究， 进行技术参数优选， 应用有限 元仿真分析方法计算得出采用了预（ 下转第102页） 102. 机械管理开发 jxglklbjb 第3 5卷 律推测， 与原有的行走轮及销排相比， 改进后的两个 部件结构整体使用寿命将会提高将近3 倍左右， 也 会使采煤机设备的故障率降低约3 0， 对企业来说， 将会带来较大的经济效益。 由此可说明采用此研究 及改进思路， 可有效提高行走轮及销排的结构性能。 参考文献 [ 1 ] 毛君， 刘晓宁， 陈洪月， 等.采煤机截割部传动系统刚柔耦合动 力学仿真分析[J]机械强度,2017,395 1 138-1 144. 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However, due to the existence of micro cracks on the surface and wear on the surface during the manufacturing process, under the reciprocating action of contact stress, the cracks or wear tips produce plastic zones, and accumulated plastic deation eventually s the phenomenon of crack initiation, propagation and fracture. The analysis results are consistent with the actual situation, which shows the applicability of the analysis . This can provide theoretical guidance for the design and development of similar products, such as walking wheels. Key words shearer, traveling wheel; broken teeth; fatigue 上接第99页） 应力锚杆支护的巷道在围岩位移控制以及围岩载荷 应力分布方面的安全性更具有优异性。 参考文献 [ 1 ] 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， 2007. [ 2 ] 马念杰， 潘玮， 李新元.煤巷支护技术与机械化掘进[M].徐州 中 国矿业大学出版社， 2008. [ 3 ] 马其华， 樊克恭， 郭忠平， 等.锚杆支护技术发展前景与制约因 素[J].中国煤炭， 1998521-24. [ 4 ] 杨忠东， 康志强， 郭立稳.唐山矿锚杆支护设计及数值模拟研究 [M ] 北京 冶金工业出版社， 20121 -2. [ 5 ] 陆士良.锚杆锚固力与锚固技术[M].北京 煤炭工业出版社， 199811. [ 6 ] 漆泰岳， 陆士良.锚杆单元模型及其应用[J].中国矿业大学学 报， 2003558-63. 编辑.赵婧） Research on Roadway Support Technology in Large Section Coal Mine Zhang Guanyu Shuozhou Coal and Electricity Safety Supervision Bureau, Shuozhou Shanxi 038300 Abstract Through the study of the deation law of large section roadway, the mechanism of prestressed anchor is analyzed synthetically, and the supporting perance of prestressed anchor is improved. The numerical simulation shows that the supporting is effective in large section roadway, which provides the basis for the research of supporting technology. Key words coal mine; large section roadway; supporting technology