基本信息
- 项目名称：
- 厚煤层回采巷道围岩控制与锚杆支护技术
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 厚煤层是指层厚在 3.5m以上的煤层，在这样的煤层中开挖巷道首先需要对巷道的位置进行选择，沿煤层顶板掘进或沿煤层底板掘进。但是在现场， 为了方便设备安装以及生产运输， 往往青睐于采用沿底留顶的方式进行巷道掘进，因此，在巷道掘进前，需要针对巷道布置方式的可行性以及巷道支护强度展开针对性研究。
- 详细介绍：
- 厚煤层回采巷道围岩控制与锚杆支护技术 的应用 摘要 为便于工作面的生产管理，厚煤层回采巷道通常采用沿底留顶掘进，这样导致巷道围 岩尤其是顶板较难控制。针对该煤层顶板具有明显的层状结构，使用锚杆配合锚索及W钢带 支护的支护方案，将巷道顶板由叠合梁转化为组合梁，使巷道围岩最终变形量控制在允许范围之内。本文利用组合梁理论，对锚杆的支护参数进行理论设计，同时结合工程类比法，确定更合理的支护参数，借用数值模拟分析该支护方案下巷道围岩应力分布、及变形情况，以进一步验证支护参数选择的合理性；矿压观测的结果表明，巷道在支护后15天内即可达到稳定，锚杆配合钢带的支护形式能够有效控制两帮及顶底板的收敛变形，对厚煤层沿底掘进的回采巷道具有良好的支护效果。 关键词：锚杆支护；沿底掘进；数值模拟；厚煤层 引言 厚煤层是指层厚在 3.5m以上的煤层，在这样的煤层中开挖巷道首先需要对巷道的位置进行选择，沿煤层顶板掘进或沿煤层底板掘进。一般来说，厚煤层回采巷道应离底布置，以避免顶煤冒落，若顶板较为稳定，可沿顶板掘进，若顶板较差，应沿某一标识层掘进[1]。但是在现场， 为了方便设备安装以及生产运输， 往往青睐于采用沿底留顶的方式进行巷道掘进，因此，在巷道掘进前，需要针对巷道布置方式的可行性以及巷道支护强度展开针对性研究。 根据与围岩作用机理的不同，巷道支护可以分为三类：①围岩支护，以支架、砌块等直 接支撑围岩；②围岩加固，向围岩内部注浆提高围岩强度；③围岩支护与加固，主要以锚杆 （索）支护为代表[2]。与其他支护形式相比，锚杆支护的优势在于：①锚杆安装后即可对围岩提供支护阻力，及时抑制岩体的滑移、变形和离层；②相比棚式支护，可大大节省钢材； ③锚杆支护机械化程度高，劳动强度低，工艺简单；④锚杆支护技术适应性强，尤其在大断 面巷道支护上具有优势；⑤施工速度快[3]。本文针对某矿 1201 工作面的生产实际情况，分析研究锚杆支护技术在厚煤层回采巷道围岩控制上的应用， 使巷道围岩变形控制在允许的范围内，取得较好的技术经济效果，并为其他类似地质条件下巷道围岩控制提供经验。 1 工程概况 实验点为某矿 1201工作面轨道顺槽，巷道全长800m，主采煤层平均埋深 500m，均厚4.0m，煤层赋存稳定，硬度系数在1.0~1.3 之间。煤层顶板向上依次为1.5m泥岩、3m厚细砂岩、3m厚泥岩，底板为2.5m砂质泥岩。该工作面两侧均未回采，没有明显应力扰动。巷道掘进断面尺寸为：宽×高=5000mm×3000mm。 2 锚杆支护参数的计算 目前国内外存在较多锚杆支护理论，分别依据不同的地质条件而提出，鲜有广泛适应性的支护理论。在实际应用中，应根据具体的工程条件选择合理的支护理论[4]。 组合梁理论指出[5]，叠合梁的岩层通过锚杆的径向力作用相互挤压，从而增大岩层之间的摩擦力，同时，锚杆的抗剪作用力能够阻止层间的错动，最终将叠合梁转化为组合梁，提高顶板的承载能力。由于本工作面巷道顶板为岩层分明的层状结构，固可选用组合梁理论对锚杆支护参数进行计算设计。 2.1 锚杆长度 锚杆长度由下式确定： 3 2 1 L L L L + + = （式1） 式中： 1 L —锚杆外露长度，50mm； 2 L —锚固有效长度； 3 L —锚固段长度。 () 0 3 1 2 2 5 . 0 p K q K B K L t + = σ （式 2） 式中： 1 K —安全系数； σ —顶板承受的最大拉应力； t σ —岩石的抗拉强度； B—巷道跨度； q—组合梁上分布载荷； 2 K —1.204； 3 K —0.65~1。 将相关参数代入以上各式，可计算得锚杆长度为 4.3m。这样长度的锚杆显然无法在巷道内施工。因此按照工程类比方法参照过去类似工作面的成功经验，选择支护材料为长度为2.4m的锚杆、长度为6.3m的锚索。 2.2 锚杆间排距 kqB L d l c τ 2 0458 . 0 , ≤ （式 3） 式中： c—锚杆间距； l—锚杆排距； d —锚杆杆体直径，mm； τ —杆体材料抗剪强度，MPa； k—顶板抗剪安全系数，一般取3~6。 同样，计算出来的c与l不大于 1.5m对于参数设计也不具有指导性，只能按照经验，将锚杆的间排距选为800~900mm，锚索的间排距选为 1800mm。 2.3 支护参数的确定 （1）顶板支护 顶板采用 6 根 M22-Φ20-2400mm螺纹钢锚杆，配以 4800mm长 W3 钢带，间排距都为 900mm，每个锚杆孔放置两根 Z2350 型树脂药卷加长锚固；同时每两排锚杆中间施工一排 两根单体锚索，锚索间排距为1800mm，钢绞线规格为Φ17.8×6300mm，每个锚索孔放置四根 Z2350型树脂药卷加长锚固， （2）帮部支护 两帮分别采用 4 根 M22-Φ20-2400mm 螺纹钢锚杆，配以 2800mm 长 W3 钢带，间距850mm、排距 900mm，每个锚杆孔放置两根 Z2350型树脂药卷加长锚固。 3 锚杆支护参数的数值模拟验证 3.1 模型建立 由于煤矿工程条件的复杂性，理论计算得到的支护参数的合理性不能断然确定，为了满足围岩的支护强度，保证巷道的施工安全和长期稳定，需要借助计算机数值模拟针对所采用的支护方案进行深入的分析[6]。为了避免尺寸效应的影响，模型尺寸应选为开挖断面尺寸的3~5 倍以上，本实验模型大小确定为 40m×24m，模型的单元块体选为 0.5×0.5m2，共80×54=4320 个单元。 图2 所示为计算机数值模拟模型，模型底部边界固定，左右边界竖直方向固定，顶部边界施加12.5×106Pa的垂向应力。 在巷道开挖初期，四周围岩变形速度都达到了整个变形过程中的最大值，随后变形逐渐趋缓，最终保持稳定。巷道左帮的最终变形量为 84.20mm、右帮最终变形量为 86.02mm、顶板的最终变形量为119.90mm、底板的最终变形量为 53.24mm，两帮的变形量基本持平，而顶板变形较大，占顶底移近量的 67.76%。巷道稳定时围岩表面累计位移量。 3.4 总结 巷道开挖后围岩浅部区域能量得到一定程度的释放，应力值降低，但是由于失去径向约束，浅表部分仍然发生了松散变形，且在巷道四周的几何中点附近变形量最大。数值模拟的最终结果显示，巷道的两帮及顶底移近量分别为170.22mm、 165.14mm，均在许可范围之内，说明了既定支护方案可以有效控制煤巷的变形。 4 支护效果分析 1201 工作面轨道顺槽按照该技术方案实施之后，及时对巷道展开矿压观测工作，观测内容包括巷道表面位移和顶板离层。观测结果显示，巷道开挖后，围岩变形速度较大，最大为顶板下沉，变形速度最大值可达到18mm/d，支护后 12~15 天变形基本稳定。稳定后两帮平均移近量为205mm、顶底板平均移近量为 243mm，变形量超过数值模拟研究所得到的结果，其原因在于：①设计中未能考虑巷道顶板淋水的影响，而矿井水对于围岩的膨胀变形尤其是底板的变形会产生较大的影响； ②数值模拟的模型是对地质条件进行一定程度的简化之后建立的，未能充分考虑到岩体中节理与裂隙的影响，因此巷道的开挖环境相对良好。尽管如此，巷道的变形量仍在允许范围之内，变形稳定后的巷道断面满足了使用需求。 5 结论 （1）锚杆配合钢带的支护形式对厚煤层沿底掘进的巷道具有良好的支护效果，能够有 效控制煤体及顶底板的变形。 （2）巷道围岩表面水平应力较低，远小于原岩应力水平，而巷道两侧的垂直应力分布 由浅表向深部逐渐增加，在深部6~7m位置处达到极值。 （3）水平位移主要发生在巷道两帮 0~2m 弧形区域内，而顶底板主要产生抵抗垂直方 向的变形，且顶板的变形较大，占顶底移近量的67.76%。 （4）巷道最终变形量都在允许范围之内，锚杆、锚索以及钢带相结合的支护方案可以 满足厚煤层留顶煤回采巷道的支护需求。 (1) 研究开发具有高效絮凝处理能力的活性基团、产生菌。优选原料、优化产业方式， 从根本上降低微生物絮凝剂的生产成本，是推动微生物絮凝剂广泛应用的关键。 (2) 深入研究微生物絮凝剂的絮凝机理。更好地解释各种不同的微生物絮凝剂产生絮凝 效果的原因及方式，可以更有效地应用微生物絮凝剂进行絮凝处理，达到最佳的絮凝效果。 (3) 有针对性地开发应用微生物絮凝剂。根据工农业生产的实际情况，各种工业废水、 农业废水的不同状态 ，采用不同的微生物絮凝剂及专业设备，可以提高絮凝处理的效果， 同时絮凝效率也会大大提高，并节省费用开支。 (4) 研究微生物絮凝剂与其它絮凝剂的配合使用，即进行复配絮凝剂的开发和应用。废 水处理中依靠单一的絮凝剂很难获得很好的效果，对絮凝剂进行复配使用，不仅可以提高絮 凝效率，而且还可以减少絮凝剂的投入量。 (5) 研究微生物絮凝剂与其他废水处理方法的结合途径，提高絮凝效果，优化废水处理 技术。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 为便于工作面的生产管理，厚煤层回采巷道通常采用沿底留顶掘进，这样导致巷道围岩尤其是顶板较难控制。针对该煤层顶板具有明显的层状结构，使用锚杆配合锚索及W钢带支护的支护方案，将巷道顶板由叠合梁转化为组合梁，使巷道围岩最终变形量控制在允许范围之内。
科学性、先进性及独特之处
- 利用组合梁理论，对锚杆的支护参数进行理论设计，同时结合工程类比法，确定更合理的支护参数，借用数值模拟分析该支护方案下巷道围岩应力分布、及变形情况，以进一步验证支护参数选择的合理性
应用价值和现实意义
- 研究微生物絮凝剂与其他废水处理方法的结合途径，提高絮凝效果，优化废水处理技术。
学术论文摘要
- 为便于工作面的生产管理，厚煤层回采巷道通常采用沿底留顶掘进，这样导致巷道围岩尤其是顶板较难控制。针对该煤层顶板具有明显的层状结构，使用锚杆配合锚索及W钢带 支护的支护方案，将巷道顶板由叠合梁转化为组合梁，使巷道围岩最终变形量控制在允许范围之内。本文利用组合梁理论，对锚杆的支护参数进行理论设计，同时结合工程类比法，确定更合理的支护参数，借用数值模拟分析该支护方案下巷道围岩应力分布、及变形情况，以进一步验证支护参数选择的合理性；矿压观测的结果表明，巷道在支护后15天内即可达到稳定，锚杆配合钢带的支护形式能够有效控制两帮及顶底板的收敛变形，对厚煤层沿底掘进的回采巷道具有良好的支护效果。
获奖情况
- 此作品在10月23日上午由兰州石化职业技术学院学院团委负责组织的院2010年“石化挑战杯”学生学术科技作品竞赛校内评审会上初选审议通过，并要求将该作品进一步完善参加终审。评审委员会的评委由学院相关学科领域的具有高级职称的专家教师担任，会议由学院科技处处长张满效主持。
鉴定结果
- 荣获兰州石化职业技术学院“石化挑战杯”优秀奖。
参考文献
- （1）锚杆配合钢带的支护形式对厚煤层沿底掘进的巷道具有良好的支护效果，能够有效控制煤体及顶底板的变形。 （2）巷道围岩表面水平应力较低，远小于原岩应力水平，而巷道两侧的垂直应力分布由浅表向深部逐渐增加，在深部6~7m 位置处达到极值。 （3）水平位移主要发生在巷道两帮0~2m 弧形区域内，而顶底板主要产生抵抗垂直方向的变形，且顶板的变形较大，占顶底移近量的67.76%。 （4）巷道最终变形量都在允许范围之内，锚杆、锚索以及钢带相结合的支护方案可以满足厚煤层留顶煤回采巷道的支护需求。
同类课题研究水平概述
- 《厚煤层回采巷道围岩控制与锚杆支护技术的应用》这篇文章主要针对实现煤层安全、高产、高效回采，通过现场调研、理论分析、数值模拟、现场应用及观测相结合的综合研究途径和方法，对大采高综采工作面所需大断面顺槽支护技术进行了全面系统的分析和研究。在对锚杆支护原理和回采巷道围岩稳定性控制理论进行分析的基础上，确定了适合三交河煤矿大采高综采工作面回采巷道的围岩控制原则，并据此确定了锚杆(锚索)支护参数。以三交河煤矿大采高综采工作面回采巷道为背景，建立计算数值模型，运用大型有限元软件ANSYS，对锚杆加固前后围岩的应力应变分布变化进行了模拟分析。综合理论分析、数值模拟等结果，得出了三交河煤矿大采高综采工作面回采巷道围岩稳定性控制方案，并进行了巷道矿压观测，证明支护方案可靠、合理。 三交河煤矿大采高综采工作面回采巷道围岩稳定性控制技术研究，不仅丰富了大采高工作面巷道围岩稳定性控制的理论和实践，而且将促进三交河煤矿尽快实现高产高效。 开采回采巷道沿煤层底板掘进巷道为全煤巷道的特点，采取预防为主、综合治理的方法，对全煤巷道的自然发火进行防灭火实践．利用压注阻化剂水溶液，把巷道两帮和顶煤高温区内煤体降低到常温状态；并对试验巷道进行了黄泥注浆堵漏防火和压注胶体泥浆防灭火现场实践，将巷道煤体的自燃隐患消灭在工作面前方，保证综放工作面回采的顺利进行。
