全煤沿空巷道锚网支护可行性研究.pdf
1 1 O 全 煤 沿 空 巷 道 锚 网 支 护 可 行 性 研 究 , 洪军, 陈福 林 山东里能里彦矿业有限公 司, 山东 邹城2 7 3 5 1 7 摘要该 文根据里彦矿 井3煤 沿空巷道 的围岩状况, 通过技术分析和物理模型模拟论证 , 提 出了全媒沿空巷道锚 网支护的可行性。 关键词全煤沿空巷道锚 网支护研 究 中图分类号T I Y 3 5 3 文献标识码A 文章编号 1 0 0 52 8 0 1 z o o 8 o i 一 一 锚网支护技术成熟、 施工简单、 经济效益明显, 已 成为井巷工程的主要支护方式。但是, 在一些比较特 殊的地质条件下 , 如 在大断面 、 地质构造破坏带 、 高应 力 、 顶板软弱等困难 、 复杂的巷道 中, 其 围岩运 动受 多 种因素影响, 限于锚杆的锚固力不足和锚杆支护的可 靠性差 的问题 , 在煤矿生 产实践 中推广锚杆 支护仍 有 困难 , 本文以里彦矿井 3 煤沿空巷道为例 , 提出了全煤 沿空巷道锚网支护的可行性。 1 巷道围岩地质条件 里彦矿井 3煤沿空 巷道沿 煤层顶板 布置, 其覆 岩 状 况如图 1 所示。 图 1 3煤覆岩分布 巷道埋深 2 4 0 m, f 2 . 1 0 4 3 , 顶板岩石 f 1 . 3 3 8 。见 表 1 示。 表 1 岩体材料岩性指标表 容重 剪切模量 体积模量 粘结强度 剪胀角 内摩擦角 岩体 k g. m一 S , h I P a C , h C, MP a d , 。 ∞| e 细砂岩 2 0 0 0 8 0 0 2 7 0 o l 5 O 9 3 0 煤 l 6 0 o 7 0 0 l 7 0 o 5 . 0 2 7 7 8 4 3 . 8 4 9 5 粉砂岩 2 5 0 o l 5 2 O 3 0 0 o 4 . 1 7 1 6 3 6 2 3 . 1 3 l 中砂岩 3 0 0 o 2 5 0 o 3 6 o o 2 0 o l 7 3 5 砾岩 3 5 0 0 3 O 0 0 4 0 0 0 2 0 4 0 2 巷道锚网支护设计 根据巷道的性质 、 用途和施工条件 , 设计与临近工 *收稿 日期 2 o o 7 一l 2 2 7 作者简介 洪军 1 9 7 2一 , 山东省里彦煤矿 , 工程师, 哈尔滨工业大 学 自动化专业。 作面采空 区留设 4 m净煤柱 , 巷道 断面为矩形 , 考虑巷 道开挖后 , 围岩松动变形 , 预 留围岩变形量 2 0 0 ra m, 净 断面尺寸为 宽 高 3 2 0 02 4 0 0 ra m 。巷道采用 1 0 眷 冷拔金属 网。 2 . 1 支护参数 的计算 据 图 1 可知 , 3煤的平均厚度 在 3 . 5 9 m, 由于巷道 围岩为不稳定 , 顶板锚杆加 固形成组合梁 , 因此按组合 梁理论计算锚杆参数 。 1 锚杆 长度 L L l 式中 L 一 锚杆外露长度 , 按经验取 0 . 1 ; 一 锚杆有效长度 , m; 厶 一 锚杆锚固长度 , 取 0 . 3 ~ 0 . 4 m 。 根据满足顶板最下一层岩石外表抗拉强度条件确 定组合梁厚度 , 即锚杆的有效长度为 厶 0 . 5 B / 式中 曰一 巷道开掘宽度 , m ; 一 抗拉安全系数 , 取 3 5 ; 口 一顶板 组合梁 均布载荷, 慨 取 四倍巷道高 度的岩石重量计算 ; 一 各岩层平均抗拉强度, M P a 。 经计算 , 锚 杆的有效 长度 为 1 . 8 8 m , 为安全起 见 , 巷道顶板选用 2 m的螺纹 钢锚杆 , 两帮选用 2 . 2 m的加 长全螺纹钢锚杆 。由于巷道 围岩不稳定 , 需 在巷道沿 空侧施工锚索补强加 固支护。其参数计算见 4 。 2 锚杆间排距 , 通常间排距相等 , 取 口 1. 4 5d L 3 r 。 ≤] 式 中 d一 锚杆直径 , r n ; 厶一锚杆锚固长度 , 取 0 . 3 ~ 0 . 4 m r 一 锚杆材料抗剪强度 , M P a ; 一 顶板抗剪强度安全系数, 一般取 3 ~ 6 。 经计算 , 巷道顶板及两帮锚杆间排距均拟定为 7 0 0 X7 0 0 ram。 3 锚 杆 直 径 d / 等 √ 14 .9 3 m mV 丌 0 V 丌 0 咖湖咖跚咖湖咖姗咖跏 维普资讯 式 中 n 一支撑压力集 中系数 , 沿空掘巷取 3 . 5 ; 卜. 岩石的平均容重 , 取 2 5 k N / m 3 ; 一 煤层埋深 , 取 2 4 0 m; 一 安全 系数 , 一般取 2 . 5 ; 一 锚杆材 料的抗拉强度 , 取 3 0 0 M P a 。 巷道顶板及两帮锚杆均选用 6P l 6 m m的螺纹钢 。 4 锚索参数的选择 考虑锚索悬 吊 冒落拱 中岩石重量 , 锚索悬 吊力 p 为 QS T D 8 5 . 1 5 D 式 中 D 一锚索 间距 , m; y 一岩石平 均容重 ; S一冒落拱 面积 。 锚索选择 6 9 1 5 . 2 4 m m , 破断力为 2 6 0 k N , 则锚索破断 载荷应满足 Pp8 5 . 1 5 D 2 6 0 k N , 求得 锚索 间距 D ≤2 . 9 3 m, 取 D 1 . 4 m 。锚索长度 L l b 。 式中 L 。 一 锚索外露长度 , 取 0 . 3 m ; b 一冒落拱高度 , m; 一 锚索锚 固长度 , 取 2 m 。 经计算 , L 4 . 7 6 3 m, 取 5 m。 3 支护参数模 拟论证 3 . 1 模 拟工具 的选择 选用的数值模 拟计算 研究 手段是 美 国 I T A S C A咨 询公 司开发的 F L A C F a s t g i a n A n a l y s i s o f C o n t i n u a 2 . 2 5 版商用计算 软件 , 它是一个用 于工程力 学计算的 二维显式差分 程序 , 可 以对 包 含几 千个 单元 的模 型进 行高速计算 。用户针对研究 目标建立不同形状的网格 模型 , 网格单元隶属于不同的材料特性 , 在载荷作 用或 边界约束下 , 每个单 元依据 被赋予 的线性 或非线性应 力 应变 规律而变化。在大变形模式 下材 料会屈服 或 产生塑性变形 , 具有 该材料 特性 的模型 网格 便会变形 和移动 。F L A C软件 的理论基 础是适 于模拟大 变形和 材料破坏的拉格 朗 日计算准则 , 可以模拟工 程岩体 的 弹塑性应变软化这一 非线性大 变形特征 , 符 合岩体 的 基本力学特性 , 能够 比较 真实地揭 示地下硐 室围岩的 应力状态和变形破坏特征。 3 . 2 建立数值模 型 图 2 课题的研究 对象为工 作面顺槽 锚杆支 护参数 , 模 型的几何尺寸设计为宽 高 3 0 3 9 m, 上边界以加载 方式模拟 2 0 0 m采深。即整个模型模拟 了宽 3 0 m、 高 2 3 9 m的二维物理空 间。数值计算模 型包含 四个边界 。 上边界没有约束 由于模型的规模所 限 , 使之难 以模拟 至地表 , 部分上覆岩层 必须 以载荷 方式施加 于模 型上 边界 ; 模型的左 、 右边界条 件是 限制水平位移 、 允 许垂 直位移; 模型下边界既限制水平位移又限制垂直位移。 因此整个模型在计算过程中不会产生漂移现 象。如 图 2 示 开挖巷道宽 高 3 . 2 2 . 4 m, 留设 4 m煤柱后一 侧采空, 按柱状图构建模型, 从垂直应力、 塑性区、 位移 速度矢量、 水平位移和垂直位移五个角度, 比较研究巷 道锚杆间排距 0 . 9 m、 锚杆 问排距 0 . 7 m和 锚杆间 排距 0 . 6 m 长度均为 2 . 0 m , 并 于顶 板沿空侧 垂直 向上 加打 一 根 5 m长的锚索 条件 下 围岩的稳定 性状况 , 以得到 工作面沿空顺槽锚杆支护的最优参数。 图 2 数值计算模型 3 . 3 数值模拟材料力学参数选择 本课题在模拟计算时主要使用 了 5 种典型岩体材 料 , 其岩性指标选 择是基 于工程类 比和前述岩 石力学 试验结果 , 如表 1 示 。 3 . 4 锚杆支护参数数值模 拟结论 与分析 根据数值模拟结果 , 巷道 围岩在锚 杆支 护和锚 索 补强加 固后 的受力状况明显改善 , 围岩塑性 区缩 小 , 且 位移速度矢量 得到明显 降低 。但是 , 锚 杆支护 密度提 高所带来 的材料 浪费和 经济 上 的不合 理 因素必 须考 虑 , 统 计各种支护条件下的围岩变形情况如表 2 所 示。 表 2 沿空顺槽各种支护条件下的围岩变形情况 围岩变形 锚杆问距 0 . 9 m 锚杆间距 0 . 7 m 锚杆间距 0 . 6 m 水平位移/ mm 8 8 3 5 5 1 5 4 0 垂直位移/ r r m 8 6 2 5 6 5 5 5 4 从巷道 围岩水平 和垂直位移曲线可 以看 出随锚杆 间距 的缩小 , 巷道围岩变形迅速降低 , 但在锚杆 间距缩 小到 6 0 0 n q / n 时 , 巷道围岩变形 的降低 幅度与 锚杆 间距 7 0 0 m m时比较已非常轻微 , 因此优化得到沿空顺槽的 锚杆支护参数 为 锚杆 直径 1 6 m m, 锚杆 长度 2 0 0 0 m m , 锚杆间距 7 0 0 m m , 巷道顶板 沿空侧 垂直 向上加打 一根 锚索 , 锚索长 5 m , 证明上述计算参数是可行 的。 4 结 语 沿空掘巷采用锚网支护, 由于锚索的补强作用, 有 效地控制 了巷道顶 板的早 期离层 , 减少 了巷 道围岩 变 形, 提高了巷道支护的可靠性。因此, 全煤沿空巷道采 用锚网支护技术在实践中是可行、 可靠、 经济合理的。 维普资讯