深部开采环境下的锚索梁巷道支护技术.pdf

技术与市场 技术研发 2 0 1 7 年第2 4卷第4 期 深部开采环境下 的锚 索梁巷道支护技术 张智明 同煤集团 大斗沟煤业公 司机掘一队，山西 大同 0 3 7 0 2 6 摘要 矿井的开采在今后将会以千米以上 的开采为主导 ， 而这种情况将会在我 国煤矿 业生产成为新 的风潮。立足 于实 际． 详细阐述了同煤集团大斗沟煤矿的实际作业， 为采矿生产者解决煤矿巷子支护这类棘手问题， 从科学角度出发， 构建 出一种能够适应复杂的作业环境的锚 索梁式让压 支护 系统。 关键词 支护 系统 ； 耦合 ；围岩 ； 让压 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 8 5 5 4 ． 2 0 1 7 ． 0 4 ． 0 7 2 0引言 软岩层是所有生产者在深度开采 中经常需要解决的问 题， 这个部分将会关系着整个采矿项目的生产效益以及安全。 因此 ， 只有很好地应对巷道支护问题， 才能够保证整个采矿生 产活动能够安全平稳的运行， 从而获取更多的经济利益。有 关资料表明， 传统的解决方案， 以单一的铺杆作为重要 的保障 方式很难 达到深部采矿作业所需求 的支护效果 。 本文通过一种将理论和实际相结合的方式， 通过作业环境 实测、 数据信息计算以及地质力学模型试验共同作用的解决方 案， 对采矿作业中巷道的破坏产生的原因进行详尽的数据分 析， 对传统的支护系统在采矿作业中巷道各种支护弊端进行深 刻分析 ， 研究并构建出一种能够满足厚煤 层巷道采矿作业 的支 护框架和理论模型。 1 深部开采煤巷道顶板出现破坏 的机理探讨 1 ． 1 内部 能量耗散率方面的理论 本文对厚煤层采矿路径做出详尽的数据分析， 由于深度煤 矿顶层的厚度数值较高， 把其上端周围岩层包含的岩体视为均 匀分布， 分析顶板产生覆盖岩体垮落的原因， 对应构建详细的 顶板岩体垮落的力学模型。构建时， 可以将其视为刚性体 ， 并 将冒落的数值设为在 一 区间， 同时围绕 Y轴对称， 岩体冒落 导致的能量的分离曲线设定为函数 。此时， 将深部作业环 境中上端的支护力构想成 P， 覆盖岩体垮落部分周围的应力设 成 9， 并且假设这个部分和覆盖岩体垮落部分两者相垂直， 并 沿前文构建的分离 曲线均匀排列。 内部能量耗散率通常适用环境在岩层的分离薄层内部， 假 如矿采薄层厚度数值为 3 w ， 为满足特定要求， 在单位面积上所 承受 的剪力大于 0时， 可得 出下式 ， r 一 A g ] 1 参考有关 的流动法则 2 表达式当 中的 表示 塑性 因 子 ， 而 Q代 表 的是 塑性 势 函 数。设 Q F， 将上文构建的函数进行合并计算 ， 清晰明了地计 算出塑性应变率 誊 [ 1] 3 1 4 o f { [ 一 A B “ ’ 1 一 B “ ’ ] ／ [ 】 f [ 一 A B 1 一 B 厂 “ ] d x 矗 符合 d s 一 可 1 ． 2 顶板 冒落区间分析 5 1 采矿作业深部岩层的经验参数呈现出不断递增， 会导致 顶板覆盖岩体垮落宽度不断递增， 而其高度数值恒定； 而当岩 体经验参数减小时， 会导致覆盖岩体垮落宽与高度不断递减。 2 随采矿作业深部顶板抗压强度的增加， 顶板覆盖岩体垮 落体的宽度不断递增 ， 而其高度数值恒定； 当采矿作业深部岩 体抗拉强度的不断递增， 顶板覆盖岩体垮落体的宽度与高度都 呈增加趋势。 3 当顶板周 围岩应力呈现出不断递增 的趋势 ， 顶板覆盖岩 体垮落块体宽度与高度与其成反比； 而当深部顶板的支护力出 现递增， 顶板覆盖岩体垮落块体的宽度与高度与其成正比。 4 顶板覆盖岩体垮落块的体积越大， 顶板极限状态的对应 外力功数值就更大， 此时， 深部矿采顶板的安全系数处于较高 水平； 反之 ， 顶板覆盖岩体垮落块的体积越小， 深部矿采顶板的 安全系数就越低。 1 ． 3算例 分析 在实地分析同煤集团大斗沟煤矿作业现场 ， 对深部巷道内 部作出仔细分析和谨慎研究。该煤矿巷道近似圆柱形 ， 高度数 值为3 ． 2 m， 宽度数值为4 ． 6 m。通过对相关文献进行考究， 最 后得出改煤矿作业深部的岩体经验参数为 A0 ． 1 ， B 0 ． 9 ， 岩体单轴抗压强度 8 ． 6 7 M P a ， 抗拉强度 1 ． 1 5 MP a ， 岩 1 47 技术研发 T E C H N 0 L 0 G Y A N D MA R K E T 体重度 1 5 k N ／ m ， 岩体单轴抗压强度 f ， 8 ． 6 7 MP a ， 顶板 围岩应力q1 ． 4 MP a ， 为详尽研究处于不同数值差异的支护荷 载下， 顶板覆盖岩体垮落块区间的情况， 假设深部顶板支护数 值设定为 P∈ 0 ． 2 0 ， 0 ． 2 9 MP a ， 且其他计算参数不变， 当 P数 值呈现出递增趋势， 覆盖岩体垮落部分的高度与宽度数值呈现 上升趋势 ， 详情见 图 1冒落轨道情 况。 图 1 巷道顶板冒落轨道情况 由图 1 可知 ， 当顶板部 分 因为 应力 产生极 限 破坏 临界 点 时 ， 要起到支护作用的外力产 生的效果越 大 ， 此时整 体的安 全 系数处于较 高水平 。 2 设计 出让压型锚索箱梁支护系统及对 比方案 2 ． 1 耦合 支护方案 支护系统 各个功能模 块尽 职恪守 自身工作 ， 相 互协作 ， 联 系性强的方案就是辐合支护。耦合支护方案的构成主要包含 发生应力状态改变的周 围岩体 的耦合以及支护系统 、 功能模块 当中元件的耦合。 一 是“ 先控” 能够通过对发 生应力状态 改变 的周 围岩体初 期起到主动支护效果 ， 提 高其周 围应 力 ， 有效控制 巷道 因为开 采而产生的各种变形。 二是从能量层面 出发 ， “ 先控 ” 的形式能够在采矿路径支护 初期给予应变能容许值[ 。 ] 较高数值 。为了保证采矿作业的 安全性 ， 需要满足表达式应变能 U [ U ] 的条件。 因此 ， 想要稳定开采深部顶板 的围岩 ， 需要 [ U ] 容许值有 所增加 ， [ ] 提高。而这一方案能够运用增加巷道的支护强 度来实现， 因为围岩残余强度的增加， 可以直接性地让发生应 力状态改变的周围岩体吸收能量的能力增强。 因此， “ 先控” 的理念对于深部煤巷支护设计是必要的。 对此 ， 需要设计能够满足安全生产需求 的巷道支 护系统方 Vo 1 ． 2 4， No ． 4， 2 01 7 案 ， 应该满足如下条件 首先 ， 能够很好地满 足整个系统的初期 对于支护的需求， 将因开采产生变形的围岩变形状态限制在范 围内 ， 围岩完整性有利 于增加其 自身承载 负荷 的能力 ， 使 应变 能容许值处于较高水平； 其次， 设计的系统方案能够拥有定量 让压性能 ， 在特定 的数 值范 围内可 以承 载围岩 发生 一定 的变 形 ， 其产生的能量可以进行再次转移和消除 ； 最后 ， 该系统在完 成上述步骤之后依然保持较高的支护阻力， 从而使得深部顶板 的围岩处于稳定状态。 2 ． 2支护 系统 内部构成 本文构建的支护系统当中， 涉及到重要的元件是巷道铺杆 以及锚索箱梁， 同时， 不可缺少 的是一些连接构件以及辅助 元件 。 本文以行业中使用频率较高的槽钢和工字钢的属性进行 分析 见表 1 ， 根据设定的组合， 构建出几类不一样的箱型支 护梁， 其高度最大值与最小值差值为 3 0 i Y l n l 。 表 1 槽钢与工字钢截面有关参数 型钢 类别 型号 截 面面积 S ／ c m 惯性矩 I y ／ c m 槽钢 1 4 a l 8 ． 5 1 5 3 ． 2 工字钢 矿 用 1 1 3 9 ． 2 1 7 8 ． 2 表 2 部分箱型支护梁截面数据 序号 横 截面积 S ／ c m 惯性矩 I ／ c m 1 1 7． 2 6 9． 8 2 2 1 8 ． 6 1 7 2 ． 7 3 3 1 8． 8 2 7 4． 6 2 4 2 0． 7 5 1l 6． 8l 5 2 3． 5 3 1 3 6． 4 2 为在构建的支护梁截面数据之中选择能够呈现最佳状态 的组合， 因此， 求出在支护梁荷载数值一定的情况下 ， 根据相关 数据得到的最大挠度值。同时求出前文列举出不同梁类型在 荷载数值相等情况下， 拥有的最大挠度。 5q l ⋯ 3 8 4 E1 O 该表达式中， 为支护梁挠度 单位 m ， q为支护梁的荷载 值 单位为 N ／ m ， l 为支护梁的梁长 单位 r n ， E为支护梁的 弹性模量 单位 N ／ m ； ， 表示支护梁受弯面的转动惯量值。 经过精确计算得到相应最大挠度， 甄选出几类的相关数据见 表 3 。 表 3 参数 对比分析 横截 面积 惯性矩 理论计算最 大挠 数值计算最大挠 度 数值 计算最大应 梁类 型 型 号 S ／ c m I ／ c Ⅱ l 4 v ／ mm ／ MP a ／ ra m 工 字钢 矿 1 1 3 9 l 1 7 8 ． 2 1 4 ． 1 1 6 4 ． 2 2 6 8 ． 2 槽钢 1 4 a 1 8 2 5 2 ． 1 5 0 ． 0 3 0 4 ． 6 3 0 9 ． 3 箱 型 Ⅱ1 1 a 2 1 ． 3 1 1 6 ． 3 2 2 ． 5 2 2 7 ． 1 2 7 8 ． 4 箱型 I I 1 1 b 3 3 ． 2 2 3 0 ． 2 1 1 ． 3 6 2 ． 3 2 4 1 ． 7 支 护 梁 Ⅱ1 1 C 3 5． 4 3 2 0． 5 8 ． 1 9． 2 2 2 6 ． 1 7 48 下转 第 1 5 0页 技术研发 T E C H N 0 L o G Y A N DⅣ L R K E T 握细节 的质量应从所有数据项着手 ， 从所 有测量步骤着手 。如 在进行 测量 时应整理测量现场 ， 详细记录测 量运用的点号及 区 域 ， 测点周边的标识 应明晰可辨 ， 立 即清除无用 的标识 ， 导线点 的运用信息应立即传送至测量小组的组员， 以防点位的运用不 正确 ； 在对数据进行记录期问应 时时对记 录 内容 加以核实 ， 使 用记录者二次报数或是观测者二次报数的方法， 以防数据读录 时不正确。数据录入结束后要立即加以运算 ， 核实测量是否发 生偏差超限与记录不完整的状况， 提升工作成效； 在对点位进 行标定期间， 要仔细核查测量材料及有关数据， 在观测人员及 记录人员均确定 的前 提下才能 够开展最 终 的标 定步骤 。只有 从细节着手 ， 才可 以确保工作 的成效及质量 。 3结语 煤炭的需要持续增加 ， 所 以对煤矿进行采掘 的力度也 在加 Vo 1 ． 2 4， No ． 4， 2 01 7 大， 以符合国内经济进步及民众生活的需要。但是在与煤矿相 关的井下测量这一工作内， 难免会出现一定的问题， 这就要求 有关企业应迅 速找 出并解决这些问题 ， 以提升井下测量 的精 准 度， 进而给煤炭的正常采掘奠定坚实的基础。 参考文献 [ 1 ] 徐 国梁． 煤 矿 井下 基 本 控 制 导 线 测 量 方 法探 讨 [ J ] ． 煤 ． 2 0 1 5 7 6 76 8 ． [ 2 ] 李健． 关于煤矿井下测量设备的思考[ J ] ． 内蒙古煤炭经 济， 2 0 1 5 1 1 21 3 ． 作者简介 李胜 1 9 8 6一 ，男 ， 山西晋 城人 ， 本 科 ， 助 理工 程师 。 技 术员 ， 研 究方向 煤矿井下测量 。 上接 第 1 4 6页 完善水灾害勘察技术 。电磁类勘探技术的资金投入不同， 设 备的适应性也有所不同， 勘测的准确度也有很大的差异， 但是， 这种勘探技术仍然广泛应用于煤矿生产当中， 不仅为矿井的布 局提供了数据参考， 也为煤矿防治水工作带来极大的便利。目 前运用电磁类勘探技术的设备有磁偶源 M A X I P R O B E勘探 仪、 Y D Z A 矿用直流电法仪等。 2 ． 4煤矿防治水的水 灾检测技术 煤矿工作人员在开采的工程 中 ， 还需要 时刻对矿井的水情 和水灾状况进行检测 ， 这个任务利用 K J 1 1 7矿井 水情实时监测 系统就能完成。K J l 1 7矿井水情实时监测系统是专门检测矿 井水文状况的系统 ， 矿井人员能 够通过设 备提供 的数据 ， 来获 取矿井内水文情况， 对水压和水位有一个实质的掌控。目前我 国很多煤矿企业都引进了这个技术设备， 保证煤矿防治水工作 的顺利进行。 3 结语 我国的煤矿行业正在不断的发展当中， 对于灾害事故的防 治也必须给予高度重视。煤矿企业必须意识到水灾事故带来 的危害， 加大宣传力度， 让煤矿工作人员认识到防治水工作 的 推行已经刻不容缓， 并制定一个科学合理的防灾方案。煤矿企 业还要与专业高校或相关的科研机构保持联系， 建立合作关 系， 培养专业人才 ， 投入先进的防治技术对煤矿水灾进行有效 的预防， 才能保障采矿人员的生命财产安全 ， 促进煤矿企业可 持续发展 。 参考文献 [ 1 ] 王军 ， 董清岭．煤 矿防治 水技 术新进展 及对 几个关键技 术问题的思考[ J ] ．科技创新导报， 2 0 1 5 ， 5 1 1 7 0 ． [ 2 ] 孟宪杨．煤矿地测防治水工作及技术管理体系探究[ J ] ． 山东煤炭科技 ， 2 0 1 6 ， 7 5 1 5 01 5 11 5 5 ． [ 3 ] 孟占业．煤矿井下防治水技术与施工分析[ J ] ．山西建 筑， 2 0 1 4 ， 2 8 9 1 0 4 1 0 5 ． 作者简介 刘 国珍 1 9 8 5一 ， 男 ， 山西太原人 ， 本 科 ， 助理 工程师 ， 研 究方 向 煤矿防治水 。 上接第 1 4 8页 由表 3得到数据 ， 箱型支护梁类型 1 1 1 1 a 与 1 4 a 相 比， 拥 有 更高 的横截面积 和惯性矩 分 ， 由此 ， 箱 型支护 梁类 型 II 1 1 a比 1 4 a 拥有更高的受力能力； 1 1 2 2 字钢的横截面积数值高于箱型 梁类型Ⅱ1 l b和1 1 1 1 c ， 而惯性矩却分别为它们的7 7 ． 4 ％与5 5 ． 7 ％， 然而剩余参数的数值都大于它们。 表3对不同类型的支护梁类型进行数值比较， 能够非常准 确的挑选 出满足设计需求的支护梁截面 。剩下 的步骤 ， 需要依 照实际的采矿作业环境以及要求， 对于不符合部分进行适当的 调试和修改， 如锚索孔间距及布设位置等。 3 结语 本文从不同角度 出发 ， 对 同煤集 团大斗沟煤矿巷道 的变形 破坏及围岩控制机理进行研究 ， 根据获得的理论结果 以及相关 数据， 构建出能够满足采矿作业深部厚顶煤巷道支护的让压型 7 5 D 锚索箱梁支护系统。该系统方案的构建充分考虑了实际作业 环境 中的各种要素 ， 例如水文地质 、 地应力 、 围岩状况等。 参考文献 [ 1 ] 何满潮， 钱七虎． 深部岩体力学基础研究综述[ G] ／ ／ 第九 届全国岩石力学与工程学术大会论文集． 北京科学出 版 社 ． 2 0 0 6 4 96 2 ． [ 2 ] 余伟健， 王卫军， 文国华， 等． 深井复合顶板煤巷变形机理 及控制对策[ J ] ． 岩土工程 学报， 2 0 1 2 ， 3 4 8 1 5 0 1 1 5 08． [ 3 ] 王东洋， 王卫军，彭文庆， 等．大断面斜井穿越采空区支 护技术[ J ]．矿业工程研究， 2 0 1 3 ， 2 8 4 1 41 7 ． 作者简介 张智明 1 9 8 5一 男 ， 硕士 ， 助理工程师 ， 从事掘进支护相关 的工作 。