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        南陽煤礦回采巷道支護方案優(yōu)化設計

        2015-11-25 09:24:32侯晉剛劉永廣
        機械管理開發(fā) 2015年9期
        關鍵詞:錨索砂巖巖石

        侯晉剛, 劉永廣

        (1.太原理工大學,山西 太原 030024;2.山西高平科興南陽煤業(yè)有限公司,山西 高平 048400)

        引言

        煤礦安全一直是煤礦生產(chǎn)的重要保證,煤礦安全往往受到各種各樣的因素的影響。煤礦安全的重要保障來自安全的支護技術,復雜的地質環(huán)境給礦井支護帶來巨大的困難。我國煤礦的分布地形較為復雜,所以必須為礦井設計不同的支護方案,這對煤礦安全具有重要意義[1]。本支護方案主要以南陽煤礦3號煤層的3202第二回風巷為對象進行優(yōu)化設計,3號煤層賦存于山西組下部,煤層厚度4.11~6.00m,平均5.25m,該煤層屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層一般含0~1層夾矸,夾矸厚度0.02~0.50m,巖性多為炭質泥巖,結構簡單。該煤層頂板為細砂巖、粉砂巖、泥巖,底板為細砂巖、粉砂巖、泥巖。煤層傾角1°~7°。頂板分為基本頂、直接頂、偽頂?;卷攷r石類型為中粒砂巖,厚度為8m,巖性以石英為主,長石次之,并含黑色礦物層面,含大量云母碎片及炭質碎屑,明顯斜層理;直接頂巖石類型為粗粉砂巖,厚度約為2m,巖性深灰色,較堅硬,富含植物化石及大量云母碎片,并夾菱鐵礦結核;偽頂巖石類型為泥巖,厚度為0.1~0.3m,巖性為黑色,水平層理十分發(fā)育,較軟,易冒落。底板分為基本底、直接底?;镜讕r石類型為粗粒砂巖,厚度約為2m,巖性為致密富含植物莖化石和云母碎片,炭質碎屑底部具有波狀層理;直接底巖石類型為細粉砂巖,厚度約為5m,巖性為薄層及微薄層狀,不連續(xù)的緩波狀層理層面有較多炭質碎屑及植物化石。

        1 錨桿支護理論

        1.1 組合梁理論

        巷道的安全受到各個方向應力的影響,不同煤礦的巷道,甚至是同一煤礦的不同巷道的底板、頂板由不同的巖石組成。巷道的頂板有的是由層狀的巖石構成,此巷道在還沒有進行支護的情況下,如果頂板向下沉降,同時還伴有各層脫離,巷道會有垂直于層面的位移和平行于層面的位移,并且每個分層中會分別出現(xiàn)受壓縮力形成的壓縮區(qū)域和受拉伸力形成的拉伸區(qū)域。若使用錨桿穿透各個巖層,使各巖層緊湊擠壓,會在它們之間產(chǎn)生較大的層間摩擦力,這樣的力可以防止各層間的移動,這樣一來會形成一個合成梁,該合成梁會有更強的抗壓力、抗剪力,會使支護更加穩(wěn)固。合成度越高,整體性就會越強。這就是錨桿支護理論中經(jīng)典的組合梁支護[2]。

        1.2 組合拱(壓縮拱)理論

        通常情況下,錨固噴漿支護(簡稱錨噴支護)會起到多種支護作用。但是,當巷道處于軟巖的地質中時,錨噴支護的作用是使巷道頂板形成一個組合拱結構體[3]。而對于這種結構體,錨桿是主要的組成部分,由其組成組合拱結構體;同時,噴灑砼層、鋪設金屬網(wǎng)是這種組合拱結構體必要的輔助措施,它們的輔助作用主要是防止錨桿之間的比較碎小的巖石不被推擠出、松垮、脫落,從而保證這種組合拱的整體性。這種組合拱具備若干性質,其中比較重要的有兩個:其一,組合拱結構體(組合拱)內(nèi)部的巖石強度與沒被破壞時候的強度很相似;其二,組合拱結構體的可壓縮性比較大。

        一些試驗已經(jīng)表明,如果在比較碎小的巖石中安裝錨桿,同時使錨桿具有預應力,也會產(chǎn)生一定承載作用,在保證錨桿間距相當小的情況下,一種均勻的壓縮帶會在對應的巖體中形成,這種壓縮帶可以保證給予上方未錨固破裂的碎石相應的承受力,阻止碎石下落,這種支護理論叫組合拱支護理論[4-6]。

        錨桿支護理論除了上面兩種還有“剛性梁”理論、圍巖松動圈支護理論、圍巖強度強化理論、最大水平應力理論、懸吊理論等。

        2 Flac3D數(shù)值模擬分析

        FLAC是“Fast Lagrangian Analysis of Continua”的簡稱,也就是快速拉格朗日差分分析[7],這個程序起初在固體力學中應用,在眾多的巖體力學計算方法中,此軟件已經(jīng)是重要的方法之一了。Flac3D是一種三維的建模計算模擬程序,有限差分理論作為基礎,為多種工程進行三維建模,尤其在煤礦巷道支護工程中,可以提供更加科學的理論支持。所以,此軟件已經(jīng)在煤礦巷道支護相關理論模擬計算中廣泛應用[8]。

        3 現(xiàn)有支護狀況分析

        本掘進面位于3201回風順槽南側,相距245.1m(凈煤柱),與3201回風順槽平行,巷道設計長度1 900m,方位角270°,矩形斷面,寬為3.8m,高為2.8m,采用樹脂加長錨固,錨網(wǎng)組合支護并錨索補強。巷道沿3號煤煤層頂板掘進,開口于二采區(qū)回風巷461m處西幫?;局ёo方式:巷道頂板采用鋼筋托梁、錨桿、錨索、鋼塑網(wǎng)進行支護。兩幫均采用錨桿、鋼筋托梁、鋼塑網(wǎng)進行支護。原始支護參數(shù)設計如圖1所示:頂錨桿選用Φ22-M24-2500左旋無縱筋專用螺紋鋼錨桿,間距1 100mm,排距1 000mm,一排4根,頂板兩側錨桿垂直傾斜30°;幫錨桿選用Φ22-M24-2500左旋無縱筋專用螺紋鋼錨桿,間距1 200mm,排距1 000mm,一排六根,兩幫兩根頂角錨桿水平傾斜10°;錨索均采用Φ22-6300高強度低松馳鋼絞線,沿巷中布置一排,錨索排距為3 000mm,一排一根。圖1為原始支護巷道斷面圖。

        圖1 原始支護巷道斷面(mm)

        目前,根據(jù)現(xiàn)場調研情況及圖2、下頁圖3所體現(xiàn)的原始支護情況,可以得出南陽煤礦3號煤層的3202第二回風巷的支護尚存有不足之處,巷道部分出現(xiàn)一定程度的底臌現(xiàn)象,頂板、兩幫、地板的破壞區(qū)還比較大,頂板、兩幫的錨桿支護角度有待改善。

        圖2 在Flac3D中的原始支護圖

        該巷道目前的支護方式和參數(shù),還不能充分達到更加穩(wěn)定和有效的支護,在有效控制巷道圍巖變形和破壞方面還有一些優(yōu)化改進的空間,建議采用更加有效的支護方式和參數(shù),解決當前存在的問題,因地制宜的選擇支護方式和支護參數(shù),以消除目前巷道支護中存在的安全隱患。

        圖3 原始支護效果圖

        4 優(yōu)化支護設計

        針對原始支護中存在的缺點制定出了優(yōu)化支護設計方案。基本支護方式:錨索+錨桿+網(wǎng)+鋼帶。優(yōu)化支護參數(shù):頂錨桿選用Φ22-M24-2500左旋無縱筋專用螺紋鋼錨桿,具體參數(shù)如圖4所示:間距1 100mm,排距1 000mm,一排4根,頂板兩側錨桿垂直傾斜15°;幫錨桿選用Φ22-M24-2500左旋無縱筋專用螺紋鋼錨桿,間距1 200mm,排距1 000mm,一排六根,兩幫底角兩根錨桿水平傾斜15°;錨索均采用Φ22-6300高強度低松馳鋼絞線,沿巷中布置一排,錨索排距為3 000mm,一排一根。圖4為優(yōu)化支護巷道斷面圖。

        圖4 優(yōu)化支護巷道斷面圖(mm)

        當圖2中的原始支護變?yōu)閳D5的優(yōu)化支護后,優(yōu)化支護效果(如圖6)相對于原始支護效果(如圖3)破壞區(qū)域減小,支護效果得到了改善。

        5 結語

        針對南陽煤礦所提出的優(yōu)化支護方案,突破點主要是運用了底腳錨桿,就是底腳兩根錨桿有一定的傾斜,這樣可以在一定程度上減輕底臌的危害程度。經(jīng)過原始支護與優(yōu)化支護的對比,可以看出本優(yōu)化方案具有一定的可行性。

        圖5 在Flac3D中的優(yōu)化支護圖

        圖6 優(yōu)化支護效果圖

        [1]鄧小賓.煤礦掘進支護問題及應對方法[J].機械管理開發(fā),2015(1):108-110.

        [2]徐恩虎,朱昌星.錨桿支護組合梁方法的改進及其應用[J].礦山壓力與頂板管理,2001(4):26-27.

        [3]李長文,周景林.組合拱支護理論在軟巖巷道錨噴設計中應用[J].遼寧工程技術大學學報,2004(5):594-596.

        [4]Lang.T.A.Theory and practice of rock bolting[J].Trans.AIME.Society of Mining Engineers,1961(220):333-348.

        [5]譚學術.復合巖體力學理論及其應用[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1994.

        [6]朱維申,何滿潮.復雜條件下圍巖穩(wěn)定性與巖體動態(tài)施工力學[M].北京:科學出版社,1996.

        [7]彭文斌.FLAC 3D實用教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

        [8]郭力,趙靜.FLAC3D在巷道支護中的模擬分析[J].山西焦煤科技,2011(3):20-22.

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