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        軟巖巷道U型鋼支架-錨索協(xié)同支護設(shè)計研究

        2019-07-15 00:51:42董洪青
        山東煤炭科技 2019年6期
        關(guān)鍵詞:型鋼錨索監(jiān)測點

        董洪青 王 新

        (1.滕州市金達煤炭有限責任公司,山東 滕州 277500;2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院,山東 青島 266000)

        1 前言

        煤炭資源是我國能源構(gòu)成的重要組成部分。地層淺部煤炭資源已經(jīng)越來越少,逐漸向深部發(fā)展,當開挖到一定深度時,巷道圍巖將承受很高的應(yīng)力,導(dǎo)致圍巖破碎,軟巖巷道問題更加突出。為了保證井下作業(yè)安全,軟巖巷道支護問題變得更加重要。

        本文以鑫安煤礦-600m運輸巷道為研究對象,巷道圍巖破碎,裂隙發(fā)育,巷道穩(wěn)定性極差。采用十字布點法進行巷道變形監(jiān)測,巷道變形較大,兩幫及頂?shù)装迨諗繃乐?。分析巷道大變形原因,提出采用U型鋼支架-錨索對巷道進行支護,對支護參數(shù)進行設(shè)計,并應(yīng)用于工程實際,發(fā)現(xiàn)巷道圍巖變形大大減小,增加巷道穩(wěn)定性。

        2 工程概況

        鑫安煤礦-600m巷道維修主要用途是形成回風系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、上下人員、管線敷設(shè)。由于巷道埋深較深,加上該地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力作用明顯,巷道斷面設(shè)計為半圓拱形,SA荒= 19.3m2,SA凈= 17.6m2,凈寬5500mm,凈高3800mm。采用錨桿和金屬網(wǎng)進行支護,支護參數(shù)為:錨桿Φ22mm、L2300mm螺紋鋼式樹脂錨桿,間排距1000×800mm,底排錨桿下扎不小于30°,起錨距400mm,使用2塊MSZ2350樹脂藥卷錨固;金屬網(wǎng)為Φ6.5mm圓鋼焊接而成,頂部采用規(guī)格:1950×1050mm,網(wǎng)格70×70mm,幫部采用規(guī)格:1950×1050mm,網(wǎng)格100×100mm,使用14#鐵絲對折雙股繞三圈采用專用工具擰緊,扣距300mm,全斷面掛網(wǎng)。

        巷道支護完成后,采用十字布點法對巷道兩幫移近量和頂?shù)装逦灰屏窟M行監(jiān)測。該巷道使用1年后,通過監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),巷道兩幫移近量為286mm,頂?shù)装逡平繛?66mm,并且巷道圍巖十分破碎,裂隙發(fā)育,軌道變形嚴重,嚴重影響巷道的正常使用。通過多次維修,大大增加投入成本,迫切需要對巷道進行重新支護設(shè)計。

        3 U型鋼支架-錨索協(xié)同支護理論

        根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件并參考同條件下礦井巷道支護經(jīng)驗,提出采用U型鋼支架-錨索協(xié)同支護的優(yōu)化方案。U形鋼支架-錨索配合使用,通過在合適的位置打設(shè)錨索,增加U型鋼支架的承載能力,主要通過增加錨索的支架進行承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性補償,同時棚式支架又為錨索支護提供良好的護表構(gòu)件,發(fā)揮和提高錨索的錨固性能。U形鋼支架-錨索支撐可以改善巷道圍巖的應(yīng)力分布,提高淺埋巷道圍巖的殘余強度。同時,通過錨索的錨固作用,優(yōu)化了U形鋼支架的承載性能,提高了U形鋼支架的承載力和抗變形能力,提高U形鋼支架的整體穩(wěn)定性,實現(xiàn)U形鋼支架的整體承載。當圍巖變形壓力較大時,U形鋼支架與周圍巖石一起變形,承載變形;兩幫和肩窩是變形壓力最大的部位,錨索對U形鋼支架的上述部分的變形提供了很大的阻力,并且防止了支架中的突變形狀。同時,U形鋼支架用作整體結(jié)構(gòu),并且支架被限制在有限的變形空間中,通過支架重疊部分的收縮釋放剩余的大變形,實現(xiàn)U型鋼支架高阻可縮的特性。

        通過理論分析與現(xiàn)場實際情況,將巷道支護參數(shù)設(shè)計為:U36型鋼支架為基本支護,棚距600mm,搭接長度450mm,采用三副卡纜搭接;在巷道右?guī)蛶湍_、兩幫幫中、兩起拱線、頂板中間位置分別安裝錨索,并采用11號工字鋼托梁,將U型鋼支架與結(jié)構(gòu)補償錨索耦合為整體,錨索采用17.8mm×6000mm,1860MPa鋼絞線。錨索呈正方形布置,長度為6000mm,間排距1000×600mm,錨固長度不少于1000mm,預(yù)緊力不少于400N·m,錨固力不少于70kN,錨索安裝垂直于巷壁,夾角不少于75°。錨索起錨距為350mm,幫角處錨索向下與水平方向夾角為35°,幫中錨索長度采用17.8mm×8000mm,1860MPa鋼絞線。如圖1所示。

        圖1 巷道支護示意圖

        4 巷道穩(wěn)定性研究

        在巷道內(nèi)選取3個監(jiān)測點,分布于巷道1/4、1/2、3/4長位置處,采用十字布點法,對巷道進行為監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 監(jiān)測數(shù)據(jù)

        通過對巷道進行為期1年的監(jiān)測,巷道監(jiān)測點1頂板下移量為35.48mm,兩幫移近量為32.02mm,底鼓量為19.66mm;監(jiān)測點2頂板下移量為39.33mm,兩幫移近量為24.25mm,底鼓量為20.96mm;監(jiān)測點3頂板下移量為34.38mm,兩幫移近量為23.09mm,底鼓量為21.52mm。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),與原有支護方式相比,頂?shù)装逡平繙p少了85.03%,兩幫移近量減少了90%以上,巷道變形得到有效控制,巷道穩(wěn)定性大大提高。

        對巷道進行數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn),采用原有的支護方案,巷道塑性區(qū)主要集中在巷道頂部、拱肩位置,其中頂部塑性區(qū)深度為3.8m,拱肩位置塑性區(qū)深度為4.3m,在兩幫幫角位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。采用U型鋼支架-錨索支護方案進行數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn),巷道頂部和拱肩位置塑性區(qū)深度得到降低,深度分別為0.6m和1.3m,幫角位置應(yīng)力集中現(xiàn)象得到有效改善,巷道受力更加均勻,滿足巷道穩(wěn)定性要求。

        5 結(jié)論

        (1)在原有支護方案下,巷道運行半年,兩幫移近量為286mm,頂?shù)装逡平繛?66mm,巷道圍巖十分破碎,裂隙發(fā)育,巷道大變形。

        (2)根據(jù)現(xiàn)場實際情況提出采用U型鋼支架-錨索協(xié)同支護方案:U36型鋼支架為基本支護,棚距600mm,在巷道右?guī)蛶湍_、兩幫幫中、兩起拱線、頂板中間位置分別安裝17.8mm×6000mm鋼絞線錨索,采用11號工字鋼托梁,將U型鋼支架與結(jié)構(gòu)補償錨索耦合為整體。

        (3)現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬分析可以得到,與原有支護方式相比,頂?shù)装逡平繙p少了85.03%,兩幫移近量減少了90%以上,巷道變形得到有效控制,巷道頂部和拱肩位置塑性區(qū)深度得到降低,幫角位置應(yīng)力集中現(xiàn)象得到有效改善,巷道受力更加均勻,巷道穩(wěn)定性大大提高。

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