基本信息
- 項目名稱：
- 厚煤層回采巷道圍巖控制與錨桿支護技術
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 本文利用組合梁理論，對錨桿的支護參數進行理論設計，同時結合工程類比法，確定更合理的支護參數，借用數值模擬分析該支護方案下巷道圍巖應力分布、及變形情況，以進一步驗證支護參數選擇的合理性；礦壓觀測的結果表明，巷道在支護后15天內即可達到穩(wěn)定，錨桿配合鋼帶的支護形式能夠有效控制兩幫及頂底板的收斂變形，對厚煤層沿底掘進的回采巷道具有良好的支護效果。
- 詳細介紹：
- 厚煤層回采巷道圍巖控制與錨桿支護技術 的應用 摘要 為便于工作面的生產管理，厚煤層回采巷道通常采用沿底留頂掘進，這樣導致巷道圍 巖尤其是頂板較難控制。針對該煤層頂板具有明顯的層狀結構，使用錨桿配合錨索及W鋼帶 支護的支護方案，將巷道頂板由疊合梁轉化為組合梁，使巷道圍巖最終變形量控制在允許范圍之內。本文利用組合梁理論，對錨桿的支護參數進行理論設計，同時結合工程類比法，確定更合理的支護參數，借用數值模擬分析該支護方案下巷道圍巖應力分布、及變形情況，以進一步驗證支護參數選擇的合理性；礦壓觀測的結果表明，巷道在支護后15天內即可達到穩(wěn)定，錨桿配合鋼帶的支護形式能夠有效控制兩幫及頂底板的收斂變形，對厚煤層沿底掘進的回采巷道具有良好的支護效果。 關鍵詞：錨桿支護；沿底掘進；數值模擬；厚煤層 引言 厚煤層是指層厚在 3.5m以上的煤層，在這樣的煤層中開挖巷道首先需要對巷道的位置進行選擇，沿煤層頂板掘進或沿煤層底板掘進。一般來說，厚煤層回采巷道應離底布置，以避免頂煤冒落，若頂板較為穩(wěn)定，可沿頂板掘進，若頂板較差，應沿某一標識層掘進[1]。但是在現場， 為了方便設備安裝以及生產運輸， 往往青睞于采用沿底留頂的方式進行巷道掘進，因此，在巷道掘進前，需要針對巷道布置方式的可行性以及巷道支護強度展開針對性研究。 根據與圍巖作用機理的不同，巷道支護可以分為三類：①圍巖支護，以支架、砌塊等直 接支撐圍巖；②圍巖加固，向圍巖內部注漿提高圍巖強度；③圍巖支護與加固，主要以錨桿 （索）支護為代表[2]。與其他支護形式相比，錨桿支護的優(yōu)勢在于：①錨桿安裝后即可對圍巖提供支護阻力，及時抑制巖體的滑移、變形和離層；②相比棚式支護，可大大節(jié)省鋼材； ③錨桿支護機械化程度高，勞動強度低，工藝簡單；④錨桿支護技術適應性強，尤其在大斷 面巷道支護上具有優(yōu)勢；⑤施工速度快[3]。本文針對某礦 1201 工作面的生產實際情況，分析研究錨桿支護技術在厚煤層回采巷道圍巖控制上的應用， 使巷道圍巖變形控制在允許的范圍內，取得較好的技術經濟效果，并為其他類似地質條件下巷道圍巖控制提供經驗。 1 工程概況 實驗點為某礦 1201工作面軌道順槽，巷道全長800m，主采煤層平均埋深 500m，均厚4.0m，煤層賦存穩(wěn)定，硬度系數在1.0~1.3 之間。煤層頂板向上依次為1.5m泥巖、3m厚細砂巖、3m厚泥巖，底板為2.5m砂質泥巖。該工作面兩側均未回采，沒有明顯應力擾動。巷道掘進斷面尺寸為：寬×高=5000mm×3000mm。 2 錨桿支護參數的計算 目前國內外存在較多錨桿支護理論，分別依據不同的地質條件而提出，鮮有廣泛適應性的支護理論。在實際應用中，應根據具體的工程條件選擇合理的支護理論[4]。 組合梁理論指出[5]，疊合梁的巖層通過錨桿的徑向力作用相互擠壓，從而增大巖層之間的摩擦力，同時，錨桿的抗剪作用力能夠阻止層間的錯動，最終將疊合梁轉化為組合梁，提高頂板的承載能力。由于本工作面巷道頂板為巖層分明的層狀結構，固可選用組合梁理論對錨桿支護參數進行計算設計。 2.1 錨桿長度 錨桿長度由下式確定： 3 2 1 L L L L + + = （式1） 式中： 1 L —錨桿外露長度，50mm； 2 L —錨固有效長度； 3 L —錨固段長度。 () 0 3 1 2 2 5 . 0 p K q K B K L t + = σ （式 2） 式中： 1 K —安全系數； σ —頂板承受的最大拉應力； t σ —巖石的抗拉強度； B—巷道跨度； q—組合梁上分布載荷； 2 K —1.204； 3 K —0.65~1。 將相關參數代入以上各式，可計算得錨桿長度為 4.3m。這樣長度的錨桿顯然無法在巷道內施工。因此按照工程類比方法參照過去類似工作面的成功經驗，選擇支護材料為長度為2.4m的錨桿、長度為6.3m的錨索。 2.2 錨桿間排距 kqB L d l c τ 2 0458 . 0 , ≤ （式 3） 式中： c—錨桿間距； l—錨桿排距； d —錨桿桿體直徑，mm； τ —桿體材料抗剪強度，MPa； k—頂板抗剪安全系數，一般取3~6。 同樣，計算出來的c與l不大于 1.5m對于參數設計也不具有指導性，只能按照經驗，將錨桿的間排距選為800~900mm，錨索的間排距選為 1800mm。 2.3 支護參數的確定 （1）頂板支護 頂板采用 6 根 M22-Φ20-2400mm螺紋鋼錨桿，配以 4800mm長 W3 鋼帶，間排距都為 900mm，每個錨桿孔放置兩根 Z2350 型樹脂藥卷加長錨固；同時每兩排錨桿中間施工一排 兩根單體錨索，錨索間排距為1800mm，鋼絞線規(guī)格為Φ17.8×6300mm，每個錨索孔放置四根 Z2350型樹脂藥卷加長錨固， （2）幫部支護 兩幫分別采用 4 根 M22-Φ20-2400mm 螺紋鋼錨桿，配以 2800mm 長 W3 鋼帶，間距850mm、排距 900mm，每個錨桿孔放置兩根 Z2350型樹脂藥卷加長錨固。 3 錨桿支護參數的數值模擬驗證 3.1 模型建立 由于煤礦工程條件的復雜性，理論計算得到的支護參數的合理性不能斷然確定，為了滿足圍巖的支護強度，保證巷道的施工安全和長期穩(wěn)定，需要借助計算機數值模擬針對所采用的支護方案進行深入的分析[6]。為了避免尺寸效應的影響，模型尺寸應選為開挖斷面尺寸的3~5 倍以上，本實驗模型大小確定為 40m×24m，模型的單元塊體選為 0.5×0.5m2，共80×54=4320 個單元。 圖2 所示為計算機數值模擬模型，模型底部邊界固定，左右邊界豎直方向固定，頂部邊界施加12.5×106Pa的垂向應力。 在巷道開挖初期，四周圍巖變形速度都達到了整個變形過程中的最大值，隨后變形逐漸趨緩，最終保持穩(wěn)定。巷道左幫的最終變形量為 84.20mm、右?guī)妥罱K變形量為 86.02mm、頂板的最終變形量為119.90mm、底板的最終變形量為 53.24mm，兩幫的變形量基本持平，而頂板變形較大，占頂底移近量的 67.76%。巷道穩(wěn)定時圍巖表面累計位移量。 3.4 總結 巷道開挖后圍巖淺部區(qū)域能量得到一定程度的釋放，應力值降低，但是由于失去徑向約束，淺表部分仍然發(fā)生了松散變形，且在巷道四周的幾何中點附近變形量最大。數值模擬的最終結果顯示，巷道的兩幫及頂底移近量分別為170.22mm、 165.14mm，均在許可范圍之內，說明了既定支護方案可以有效控制煤巷的變形。 4 支護效果分析 1201 工作面軌道順槽按照該技術方案實施之后，及時對巷道展開礦壓觀測工作，觀測內容包括巷道表面位移和頂板離層。觀測結果顯示，巷道開挖后，圍巖變形速度較大，最大為頂板下沉，變形速度最大值可達到18mm/d，支護后 12~15 天變形基本穩(wěn)定。穩(wěn)定后兩幫平均移近量為205mm、頂底板平均移近量為 243mm，變形量超過數值模擬研究所得到的結果，其原因在于：①設計中未能考慮巷道頂板淋水的影響，而礦井水對于圍巖的膨脹變形尤其是底板的變形會產生較大的影響； ②數值模擬的模型是對地質條件進行一定程度的簡化之后建立的，未能充分考慮到巖體中節(jié)理與裂隙的影響，因此巷道的開挖環(huán)境相對良好。盡管如此，巷道的變形量仍在允許范圍之內，變形穩(wěn)定后的巷道斷面滿足了使用需求。 5 結論 （1）錨桿配合鋼帶的支護形式對厚煤層沿底掘進的巷道具有良好的支護效果，能夠有 效控制煤體及頂底板的變形。 （2）巷道圍巖表面水平應力較低，遠小于原巖應力水平，而巷道兩側的垂直應力分布 由淺表向深部逐漸增加，在深部6~7m位置處達到極值。 （3）水平位移主要發(fā)生在巷道兩幫 0~2m 弧形區(qū)域內，而頂底板主要產生抵抗垂直方 向的變形，且頂板的變形較大，占頂底移近量的67.76%。 （4）巷道最終變形量都在允許范圍之內，錨桿、錨索以及鋼帶相結合的支護方案可以 滿足厚煤層留頂煤回采巷道的支護需求。 (1) 研究開發(fā)具有高效絮凝處理能力的活性基團、產生菌。優(yōu)選原料、優(yōu)化產業(yè)方式， 從根本上降低微生物絮凝劑的生產成本，是推動微生物絮凝劑廣泛應用的關鍵。 (2) 深入研究微生物絮凝劑的絮凝機理。更好地解釋各種不同的微生物絮凝劑產生絮凝 效果的原因及方式，可以更有效地應用微生物絮凝劑進行絮凝處理，達到最佳的絮凝效果。 (3) 有針對性地開發(fā)應用微生物絮凝劑。根據工農業(yè)生產的實際情況，各種工業(yè)廢水、 農業(yè)廢水的不同狀態(tài) ，采用不同的微生物絮凝劑及專業(yè)設備，可以提高絮凝處理的效果， 同時絮凝效率也會大大提高，并節(jié)省費用開支。 (4) 研究微生物絮凝劑與其它絮凝劑的配合使用，即進行復配絮凝劑的開發(fā)和應用。廢 水處理中依靠單一的絮凝劑很難獲得很好的效果，對絮凝劑進行復配使用，不僅可以提高絮 凝效率，而且還可以減少絮凝劑的投入量。 (5) 研究微生物絮凝劑與其他廢水處理方法的結合途徑，提高絮凝效果，優(yōu)化廢水處理 技術。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 為便于工作面的生產管理，厚煤層回采巷道通常采用沿底留頂掘進，這樣導致巷道圍巖尤其是頂板較難控制。針對該煤層頂板具有明顯的層狀結構，使用錨桿配合錨索及W鋼帶支護的支護方案，將巷道頂板由疊合梁轉化為組合梁，使巷道圍巖最終變形量控制在允許范圍之內。
科學性、先進性及獨特之處
- 利用組合梁理論，對錨桿的支護參數進行理論設計，同時結合工程類比法，確定更合理的支護參數，借用數值模擬分析該支護方案下巷道圍巖應力分布、及變形情況，以進一步驗證支護參數選擇的合理性
應用價值和現實意義
- 研究微生物絮凝劑與其他廢水處理方法的結合途徑，提高絮凝效果，優(yōu)化廢水處理技術。
學術論文摘要
- 為便于工作面的生產管理，厚煤層回采巷道通常采用沿底留頂掘進，這樣導致巷道圍巖尤其是頂板較難控制。針對該煤層頂板具有明顯的層狀結構，使用錨桿配合錨索及W鋼帶 支護的支護方案，將巷道頂板由疊合梁轉化為組合梁，使巷道圍巖最終變形量控制在允許范圍之內。本文利用組合梁理論，對錨桿的支護參數進行理論設計，同時結合工程類比法，確定更合理的支護參數，借用數值模擬分析該支護方案下巷道圍巖應力分布、及變形情況，以進一步驗證支護參數選擇的合理性；礦壓觀測的結果表明，巷道在支護后15天內即可達到穩(wěn)定，錨桿配合鋼帶的支護形式能夠有效控制兩幫及頂底板的收斂變形，對厚煤層沿底掘進的回采巷道具有良好的支護效果。
獲獎情況
- 此作品在10月23日上午由蘭州石化職業(yè)技術學院學院團委負責組織的院2010年“石化挑戰(zhàn)杯”學生學術科技作品競賽校內評審會上初選審議通過，并要求將該作品進一步完善參加終審。評審委員會的評委由學院相關學科領域的具有高級職稱的專家教師擔任，會議由學院科技處處長張滿效主持。
鑒定結果
- 榮獲蘭州石化職業(yè)技術學院“石化挑戰(zhàn)杯”優(yōu)秀獎。
參考文獻
- （1）錨桿配合鋼帶的支護形式對厚煤層沿底掘進的巷道具有良好的支護效果，能夠有效控制煤體及頂底板的變形。 （2）巷道圍巖表面水平應力較低，遠小于原巖應力水平，而巷道兩側的垂直應力分布由淺表向深部逐漸增加，在深部6~7m 位置處達到極值。 ?。?）水平位移主要發(fā)生在巷道兩幫0~2m 弧形區(qū)域內，而頂底板主要產生抵抗垂直方向的變形，且頂板的變形較大，占頂底移近量的67.76%。 （4）巷道最終變形量都在允許范圍之內，錨桿、錨索以及鋼帶相結合的支護方案可以滿足厚煤層留頂煤回采巷道的支護需求。
同類課題研究水平概述
- 《厚煤層回采巷道圍巖控制與錨桿支護技術的應用》這篇文章主要針對實現煤層安全、高產、高效回采，通過現場調研、理論分析、數值模擬、現場應用及觀測相結合的綜合研究途徑和方法，對大采高綜采工作面所需大斷面順槽支護技術進行了全面系統(tǒng)的分析和研究。在對錨桿支護原理和回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制理論進行分析的基礎上，確定了適合三交河煤礦大采高綜采工作面回采巷道的圍巖控制原則，并據此確定了錨桿(錨索)支護參數。以三交河煤礦大采高綜采工作面回采巷道為背景，建立計算數值模型，運用大型有限元軟件ANSYS，對錨桿加固前后圍巖的應力應變分布變化進行了模擬分析。綜合理論分析、數值模擬等結果，得出了三交河煤礦大采高綜采工作面回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制方案，并進行了巷道礦壓觀測，證明支護方案可靠、合理。 三交河煤礦大采高綜采工作面回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術研究，不僅豐富了大采高工作面巷道圍巖穩(wěn)定性控制的理論和實踐，而且將促進三交河煤礦盡快實現高產高效。 開采回采巷道沿煤層底板掘進巷道為全煤巷道的特點，采取預防為主、綜合治理的方法，對全煤巷道的自然發(fā)火進行防滅火實踐．利用壓注阻化劑水溶液，把巷道兩幫和頂煤高溫區(qū)內煤體降低到常溫狀態(tài)；并對試驗巷道進行了黃泥注漿堵漏防火和壓注膠體泥漿防滅火現場實踐，將巷道煤體的自燃隱患消滅在工作面前方，保證綜放工作面回采的順利進行。
