煤矿锚杆(索)支护参数设计及效果监测.pdf

引言 随着煤矿采煤工艺、采煤技术及综采设备自动 化水平的不断提升，工作面的采煤效率提升效果显 著，进而对煤矿工作面生产的安全性提出了更高的 要求。巷道支护效果是保证整个工作面安全生产的 关键因素[1]。目前， 应用于煤矿掘进工作面、 综采工 作面巷道支护的最常用的手段为锚杆 （索） 支护。然 而， 在实际应用中发现锚杆 （索） 支护存在不耦合支 护和支护参数不确定的问题，进而导致巷道支护失 败、 巷道变形严重或者支护过度导致支护成本过高。 因此， 开展锚杆 （索） 支护机理研究是十分有必要的。 1工程概况 本文以某煤矿为研究对象，某煤矿的年生产能 力为 120 Mt，共包括有四个采区且共有三个采区可 开采。 该煤矿回采巷道为煤顶巷道， 煤层厚度为 3 m； 煤层倾角范围为 17，该煤层属于近水平厚煤 层。工作面顶底板情况如表 1 所示。 分析表 1 可知，由于工作面顶板泥岩的吸水性 较大导致其容易软化，从而影响了工作面整个顶板 的稳定性。 随着巷道工作面的不断推进， 在顶板动载 荷的作用下， 工作面巷道可能存在出现冒顶、 片帮以 及掉块的事故发生[2]。 目前， 工作面顶板采用全部垮 落法进行管理， 工作面进风顺槽采用锚杆 锚索支 护 金属网联合支护的形式。为确保工作面巷道的 安全生产， 需加强对工作面巷道的支护管理。 2锚杆 （索） 联合支护机理 锚杆分为锚固端、 自由端和外露端。 锚固端基于 药卷等锚固剂将锚杆与围岩紧密结合。锚索分为钢 绞线、 锁具和锚固剂三部分组成。 根据锚索锚固端的 受力情况可分为拉力分散型锚索、 压力分散型锚索、 拉压分散型锚索。 锚杆对巷道围岩的支护效果在一定程度上受制 于岩体的结构类型。 针对不同的岩体类型， 锚杆所起 的作用不同。其中， 针对岩层强度较低的岩体， 锚杆 的主要作用是增加巷道围岩岩体结构面的抗剪强 度； 针对层状岩体而言， 锚杆的主要作用是为工作面 巷道围岩提供悬吊力； 针对工作面的完整岩体而言， 锚杆的主要作用是改善围岩的受力状态，进而减小 顶板动载荷对围岩的变形和破坏[3]。 锚索支护在巷道围岩的应用可提供较大锚固 力、 施加加大预紧力等优势。当锚杆支护不能达到 围岩的关键承载层， 必须引入锚索支护。锚索支护 可进一步提升巷道围岩的稳定性和巷道岩体的抗 剪强度。 锚杆 （索） 的联合支护可实现工作面巷道围岩的 强度耦合、 刚度耦合和结构耦合。 3回采巷道支护现状 目前，某煤矿工作面巷道采用锚杆 锚索的联 合支护方式， 巷道断面的形状如下页图 1 所示。 锚杆参数如下直径为 20 mm，长度为 2 200 mm， 每排锚杆之间间距为 800 mm， 锚杆与锚杆之间 的间距为 1 000 mm； 左帮锚杆的直径为 18 mm， 长度 为 1 800 mm， 每排锚杆之间间距为 750 mm， 锚杆与 锚杆之间的间距为 800 mm；右帮锚杆的直径为 18 mm，长度为 1 800 mm，每排锚杆之间间距为 750 煤矿锚杆 （索） 支护参数设计及效果监测 杜旭文 （霍州煤电集团金能煤业有限公司， 山西忻州035100） 摘要 针对工作面巷道支护效果不佳或者支护过度导致支护成本高的问题， 以某煤矿 3 号煤层工作面为研究 对象， 在分析其顶底板、 煤层特点情况的基础上， 分析了锚杆 （索） 联合支护的机理， 并搭建模型验证所设计支护 参数下的顶底板变形及应力情况， 经试验应用发现锚杆 （索） 联合支护能够起到恰当的支护效果。 关键词 锚杆锚索联合支护耦合支护安全生产 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 05-0010-02 收稿日期 2020-03-17 作者简介 杜旭文 （1981） ， 男， 本科， 毕业于山西大同大学采矿 工程专业， 助理工程师， 研究方向为煤矿开采。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.05.004 总第 205 期 2020 年第5 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 205 No.5， 2020 顶底板类型岩性岩层厚度 /m备注 老顶细粒砂岩7.26 分选性好、 裂隙不发育、 钙质胶 结； 灰白色 直接顶泥岩2.29岩层质软； 黑色 伪顶炭质泥岩0.15稳定性差、 强度低、 结构松软 直接底泥岩8岩层坚硬 老底粉砂岩4强度高、 岩层坚硬 表 1工作面顶底板情况 设计理论与方法 2020 年第 5 期 mm， 锚杆与锚杆之间的间距为 800 mm。其中， 顶锚 杆的预应力为 60 kN，左帮锚杆预应力为 40 kN， 右 帮锚杆的预应力为 40 kN。 锚索的参数如下锚索类型为钢绞线，直径为 17.8 mm， 锚索长度为 840 mm， 每排锚索的间距为 1 900 mm， 锚索与锚索的间距为 3 000 mm。锚索的 预应力为 200 kN。 4锚杆 （索） 联合支护数值模拟 根据某煤矿工作面 3 号煤层建立如图 2 所示的 模型。 如图 2 所示， 3 号煤层工作面的尺寸为 100 m 100 m40 m， 巷道形状为矩形。根据实际情况将模 型上边界设定为自由边界，承受顶部煤层岩层的重 力。 在距离工作面 82 m、 72 m、 62 m、 52 m、 42 m、 32 m、 22 m、 12 m 以及 2 m 下对巷道围岩的变形和受力情 况进行仿真分析。 1） 当距离工作面距离为 60 m， 巷道顶板的变形 量达到最大且最大变形量为 90 mm；随着工作面进 一步推进， 顶板的变形量逐步减小。经分析可知， 造 成上述现象的主要原因为顶板初次来压。 2） 当距离工作面的距离为 20 m， 巷道顶板的下 沉量再次呈现上升趋势；且当距离工作面的距离为 2 m 时，巷道顶板的下沉量达到最大，且下沉量为 110 mm。综上所述， 巷道顶板的下沉量及变形量均 很小， 在可控制的范围之内。 3） 随着工作面的不断推进， 工作面巷道两帮的 变形量不断增大， 且最大变形量为煤壁侧帮， 其变形 量为 35 mm； 工作面侧巷帮的变形量为 18 mm。 经数值模拟分析可知， 所设计锚杆 （索） 联合支 护下工作面巷道顶板、 侧帮的变形量均非常小， 在可 控范围之内。 5锚杆 （索） 联合应用效果的监测 将所设计的锚杆 （索） 支护参数应用于 3 号煤层 工作面巷道的支护中，并对 3 号煤层工作面的巷道 矿压进行监测。 具体监测项目包括有 巷道表面的位 移、 巷道的离层状况、 锚杆 （索） 的受力情况[4]。具体 监测结果如下 1） 工作面巷道顶板的离层值为 0， 即说明巷道 顶板的无离层现象； 2） 工作面巷道顶底板移近量为 0， 两帮的移近 量同样为 0。即说明， 在锚杆 （索） 的联合支护作用 下， 工作面巷道不存在变形， 具有较佳的支护效果。 3） 工作面巷道两帮的载荷值为 10.42 kN； 靠近 工作面顶锚杆的载荷稳定在 64 kN，远离工作面顶 锚杆的载荷最小为 10.02 kN；远离工作面顶锚索的 载荷最小为 18.8 kN， 侧锚索的载荷为 25 kN。 综上所 述， 该支护参数下锚杆 （索） 可为工作面巷道围岩提 供足够的锚固力[5]。 6结语 煤矿巷道的支护效果直接决定工作面的安全 性， 进而决定工作面的采煤效率。 应用当前应用最为 广泛的锚杆 锚索的联合支护，可根据工作面巷道 围岩情况、顶底板情况以及煤层特点设计相应的支 护参数，确保所设计的支护参数既能够起到支护效 果， 也不会出现支护过度的现象， 即， 在保证工作面 安全生产的同时， 达到减少支护成本的目的。 参考文献 [1]林健， 赵英利， 吴拥政， 等.松软破碎煤体小煤柱护巷高预紧力 强力锚杆锚索支护研究与应用 [J]. 煤矿开采， 2007， 12 （3） 47-50. [2]林健， 范明建， 司林坡.近距离采空区下松软破碎煤层巷道锚杆 锚索支护技术研究[J].煤矿开采， 2010， 15 （4） 45-50； 62. [3]高明中.煤巷锚杆锚索支护体刚度分析[J].采矿与安全工程学 报， 2007 （4） 22-26. [4]王庆弟， 靖洪文， 王猛.综放沿空煤巷不同预应力锚杆锚索支护 效果分析[J].煤炭科学技术， 2009 （9） 8-10. [5]任晓峰.阳煤集团锚杆锚索支护现状及技术发展对策[J].煤矿 安全， 2009 （3） 100-102. （编辑 贾娟） 图 1工作面巷道断面示意图 （单位 mm） 图 23 号煤层工作面模型 800800800800800 1 900 30 10 上帮下帮 玻璃钢锚杆 4 300 4 500 3 号煤层细砂岩层泥岩粉砂岩 （下转第 52 页） 杜旭文 煤矿锚杆 （索） 支护参数设计及效果监测 11 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 下中部槽受力情况分别进行分析，给出了直行割煤 及斜进刀割煤下中部槽应力分布情况。对模拟后的 应力集中部位槽帮部进行优化设计，较好地解决了 应力集中， 且中部槽的最大应力载荷有所降低， 有效 提升了中部槽的使用寿命。 2） 根据现场实际测量发现中部槽中板及底板的 平均厚度均低于设计厚度，链道部位的磨损较其余 部位多了 1～2 mm，但中部槽未发现明显的破坏变 形情况， 保证了刮板输送机的安全稳定运行效率。 参考文献 [1]吴乐平， 杨兆建， 王学文.基于 ANSYS 的刮板输送机中部槽参 数化设计研究[J].煤矿机电， 2009 （3） 59-62. [2]周书颖， 曾羿博， 周娟.刮板输送机功率协调与载荷均衡控制研 究[J].煤矿安全， 2016， 47 （5） 77-80. [3]杜贵云， 张敏， 时连军.刮板输送机中部槽的优化设计[J].煤矿 机械， 2007 （4） 11-12. [4]周万春， 王启佳， 孙维.基于 ANSYSWorkbench 的刮板输送机 中部槽优化设计[J].煤矿机械， 2015 （4） 14-15. [5]张利民.综采工作面刮板输送机优化设计关键技术研究[J].机 械管理开发， 2019， 34 （4） 16-18.（编辑 赵婧） Optimal Design of Central Slot of Scraper Conveyor Based on ANSYS Zhang Xiaowen （Zhenchengdi Mine of Xishan Coal Power Group Co., Ltd., Taiyuan Shanxi 030000） Abstract The key design dimensions of the middle groove of the SGZ 764/630 scraper conveyor are optimized by combining the mining scheme of Zhenchengdi Mine with the mining plan of the mine. Based on the statics analysis of the middle slot structure, the ANSYS Workbench numerical simulation software is used to simulate and analyze the force of the middle slot， bottom plate and groove side of the scraper conveyor. The simulation optimization analysis of the middle slot is carried out with the maximum deation, equal effect force and mass as the target parameters. Field practice has proved that the optimized middle groove structure is more reasonable to meet the production needs of the mine. Key words scraper conveyor; ANSYS; numerical simulation; middle groove; optimization design Application and Design of Deviation Rectifying Device for Underground Belt Conveyor in Coal Mine Liu Le （Shengtai Electrical and Mechanical Installation Branch, Jincheng Shanxi 048000） Abstract This paper analyzes the reason of belt conveyor run ning deviation in coal mine, designs a kind of photoelectric active rectifying device, designs the sensor of running deviation detection, designs the controller control scheme of the system, combines the application example of rectifying device, and gives the corresponding suggestion to the design and application of rectifying device from three aspects to ensure the safe production of belt conveyor. Key words coal mine; belt conveyor; deviation; deviation correction device （上接第 38 页） Parameter Design and Effect Monitoring of Coal Mine Bolt Cable Support Du Xuwen （Huozhou Coal Power Group Jinneng Coal Industry Co., Ltd., Xinzhou Shanxi 035100） Abstract In view of the problem that the roadway support effect is not good or the support cost is high caused by excessive support, the mechanism of bolt cable combined support is analyzed based on the analysis of the characteristics of coal seam No .3 in a coal mine, and the deation and stress of and the deation and stress of roof and bottom plate under the designed support parameters are simulated and verified. Key words bolt; anchor cable; combined support; coupling support; safety production （上接第 11 页） 52