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基本信息

項(xiàng)目名稱：
厚煤層回采巷道圍巖控制與錨桿支護(hù)技術(shù)
小類：
能源化工
簡介：
本文利用組合梁理論，對錨桿的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，同時結(jié)合工程類比法，確定更合理的支護(hù)參數(shù)，借用數(shù)值模擬分析該支護(hù)方案下巷道圍巖應(yīng)力分布、及變形情況，以進(jìn)一步驗(yàn)證支護(hù)參數(shù)選擇的合理性；礦壓觀測的結(jié)果表明，巷道在支護(hù)后15天內(nèi)即可達(dá)到穩(wěn)定，錨桿配合鋼帶的支護(hù)形式能夠有效控制兩幫及頂?shù)装宓氖諗孔冃?，對厚煤層沿底掘進(jìn)的回采巷道具有良好的支護(hù)效果。
詳細(xì)介紹：
厚煤層回采巷道圍巖控制與錨桿支護(hù)技術(shù) 的應(yīng)用 摘要 為便于工作面的生產(chǎn)管理，厚煤層回采巷道通常采用沿底留頂掘進(jìn)，這樣導(dǎo)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(jié)構(gòu)，使用錨桿配合錨索及W鋼帶 支護(hù)的支護(hù)方案，將巷道頂板由疊合梁轉(zhuǎn)化為組合梁，使巷道圍巖最終變形量控制在允許范圍之內(nèi)。本文利用組合梁理論，對錨桿的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，同時結(jié)合工程類比法，確定更合理的支護(hù)參數(shù)，借用數(shù)值模擬分析該支護(hù)方案下巷道圍巖應(yīng)力分布、及變形情況，以進(jìn)一步驗(yàn)證支護(hù)參數(shù)選擇的合理性；礦壓觀測的結(jié)果表明，巷道在支護(hù)后15天內(nèi)即可達(dá)到穩(wěn)定，錨桿配合鋼帶的支護(hù)形式能夠有效控制兩幫及頂?shù)装宓氖諗孔冃危瑢衩簩友氐拙蜻M(jìn)的回采巷道具有良好的支護(hù)效果。 關(guān)鍵詞：錨桿支護(hù)；沿底掘進(jìn)；數(shù)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(jìn)行選擇，沿煤層頂板掘進(jìn)或沿煤層底板掘進(jìn)。一般來說，厚煤層回采巷道應(yīng)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(jìn)，若頂板較差，應(yīng)沿某一標(biāo)識層掘進(jìn)[1]。但是在現(xiàn)場， 為了方便設(shè)備安裝以及生產(chǎn)運(yùn)輸， 往往青睞于采用沿底留頂?shù)姆绞竭M(jìn)行巷道掘進(jìn)，因此，在巷道掘進(jìn)前，需要針對巷道布置方式的可行性以及巷道支護(hù)強(qiáng)度展開針對性研究。 根據(jù)與圍巖作用機(jī)理的不同，巷道支護(hù)可以分為三類：①圍巖支護(hù)，以支架、砌塊等直 接支撐圍巖；②圍巖加固，向圍巖內(nèi)部注漿提高圍巖強(qiáng)度；③圍巖支護(hù)與加固，主要以錨桿 （索）支護(hù)為代表[2]。與其他支護(hù)形式相比，錨桿支護(hù)的優(yōu)勢在于：①錨桿安裝后即可對圍巖提供支護(hù)阻力，及時抑制巖體的滑移、變形和離層；②相比棚式支護(hù)，可大大節(jié)省鋼材； ③錨桿支護(hù)機(jī)械化程度高，勞動強(qiáng)度低，工藝簡單；④錨桿支護(hù)技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，尤其在大斷 面巷道支護(hù)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(chǎn)實(shí)際情況，分析研究錨桿支護(hù)技術(shù)在厚煤層回采巷道圍巖控制上的應(yīng)用， 使巷道圍巖變形控制在允許的范圍內(nèi)，取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，并為其他類似地質(zhì)條件下巷道圍巖控制提供經(jīng)驗(yàn)。 1 工程概況 實(shí)驗(yàn)點(diǎn)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(shù)在1.0~1.3 之間。煤層頂板向上依次為1.5m泥巖、3m厚細(xì)砂巖、3m厚泥巖，底板為2.5m砂質(zhì)泥巖。該工作面兩側(cè)均未回采，沒有明顯應(yīng)力擾動。巷道掘進(jìn)斷面尺寸為：寬×高=5000mm×3000mm。 2 錨桿支護(hù)參數(shù)的計(jì)算 目前國內(nèi)外存在較多錨桿支護(hù)理論，分別依據(jù)不同的地質(zhì)條件而提出，鮮有廣泛適應(yīng)性的支護(hù)理論。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的工程條件選擇合理的支護(hù)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，固可選用組合梁理論對錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。 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(shù)； σ —頂板承受的最大拉應(yīng)力； t σ —巖石的抗拉強(qiáng)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(guān)參數(shù)代入以上各式，可計(jì)算得錨桿長度為 4.3m。這樣長度的錨桿顯然無法在巷道內(nèi)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(jīng)驗(yàn)，選擇支護(hù)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(qiáng)度，MPa； k—頂板抗剪安全系數(shù)，一般取3~6。 同樣，計(jì)算出來的c與l不大于 1.5m對于參數(shù)設(shè)計(jì)也不具有指導(dǎo)性，只能按照經(jīng)驗(yàn)，將錨桿的間排距選為800~900mm，錨索的間排距選為 1800mm。 2.3 支護(hù)參數(shù)的確定 （1）頂板支護(hù) 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(hù) 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(hù)參數(shù)的數(shù)值模擬驗(yàn)證 3.1 模型建立 由于煤礦工程條件的復(fù)雜性，理論計(jì)算得到的支護(hù)參數(shù)的合理性不能斷然確定，為了滿足圍巖的支護(hù)強(qiáng)度，保證巷道的施工安全和長期穩(wěn)定，需要借助計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬針對所采用的支護(hù)方案進(jìn)行深入的分析[6]。為了避免尺寸效應(yīng)的影響，模型尺寸應(yīng)選為開挖斷面尺寸的3~5 倍以上，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛笮〈_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(jì)算機(jī)數(shù)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(yīng)力。 在巷道開挖初期，四周圍巖變形速度都達(dá)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?shù)滓平康?67.76%。巷道穩(wěn)定時圍巖表面累計(jì)位移量。 3.4 總結(jié) 巷道開挖后圍巖淺部區(qū)域能量得到一定程度的釋放，應(yīng)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(diǎn)附近變形量最大。數(shù)值模擬的最終結(jié)果顯示，巷道的兩幫及頂?shù)滓平糠謩e為170.22mm、 165.14mm，均在許可范圍之內(nèi)，說明了既定支護(hù)方案可以有效控制煤巷的變形。 4 支護(hù)效果分析 1201 工作面軌道順槽按照該技術(shù)方案實(shí)施之后，及時對巷道展開礦壓觀測工作，觀測內(nèi)容包括巷道表面位移和頂板離層。觀測結(jié)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(dá)到18mm/d，支護(hù)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?shù)装迤骄平繛?243mm，變形量超過數(shù)值模擬研究所得到的結(jié)果，其原因在于：①設(shè)計(jì)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(chǎn)生較大的影響； ②數(shù)值模擬的模型是對地質(zhì)條件進(jìn)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(nèi)，變形穩(wěn)定后的巷道斷面滿足了使用需求。 5 結(jié)論 （1）錨桿配合鋼帶的支護(hù)形式對厚煤層沿底掘進(jìn)的巷道具有良好的支護(hù)效果，能夠有 效控制煤體及頂?shù)装宓淖冃巍? （2）巷道圍巖表面水平應(yīng)力較低，遠(yuǎn)小于原巖應(yīng)力水平，而巷道兩側(cè)的垂直應(yīng)力分布 由淺表向深部逐漸增加，在深部6~7m位置處達(dá)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(nèi)，而頂?shù)装逯饕a(chǎn)生抵抗垂直方 向的變形，且頂板的變形較大，占頂?shù)滓平康?7.76%。 （4）巷道最終變形量都在允許范圍之內(nèi)，錨桿、錨索以及鋼帶相結(jié)合的支護(hù)方案可以 滿足厚煤層留頂煤回采巷道的支護(hù)需求。 (1) 研究開發(fā)具有高效絮凝處理能力的活性基團(tuán)、產(chǎn)生菌。優(yōu)選原料、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)方式， 從根本上降低微生物絮凝劑的生產(chǎn)成本，是推動微生物絮凝劑廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。 (2) 深入研究微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理。更好地解釋各種不同的微生物絮凝劑產(chǎn)生絮凝 效果的原因及方式，可以更有效地應(yīng)用微生物絮凝劑進(jìn)行絮凝處理，達(dá)到最佳的絮凝效果。 (3) 有針對性地開發(fā)應(yīng)用微生物絮凝劑。根據(jù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，各種工業(yè)廢水、 農(nóng)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(shè)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(fèi)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(jìn)行復(fù)配絮凝劑的開發(fā)和應(yīng)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(jìn)行復(fù)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(jié)合途徑，提高絮凝效果，優(yōu)化廢水處理 技術(shù)。

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(chǎn)管理，厚煤層回采巷道通常采用沿底留頂掘進(jìn)，這樣導(dǎo)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(jié)構(gòu)，使用錨桿配合錨索及W鋼帶支護(hù)的支護(hù)方案，將巷道頂板由疊合梁轉(zhuǎn)化為組合梁，使巷道圍巖最終變形量控制在允許范圍之內(nèi)。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

利用組合梁理論，對錨桿的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，同時結(jié)合工程類比法，確定更合理的支護(hù)參數(shù)，借用數(shù)值模擬分析該支護(hù)方案下巷道圍巖應(yīng)力分布、及變形情況，以進(jìn)一步驗(yàn)證支護(hù)參數(shù)選擇的合理性

應(yīng)用價值和現(xiàn)實(shí)意義

研究微生物絮凝劑與其他廢水處理方法的結(jié)合途徑，提高絮凝效果，優(yōu)化廢水處理技術(shù)。

學(xué)術(shù)論文摘要

為便于工作面的生產(chǎn)管理，厚煤層回采巷道通常采用沿底留頂掘進(jìn)，這樣導(dǎo)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(jié)構(gòu)，使用錨桿配合錨索及W鋼帶 支護(hù)的支護(hù)方案，將巷道頂板由疊合梁轉(zhuǎn)化為組合梁，使巷道圍巖最終變形量控制在允許范圍之內(nèi)。本文利用組合梁理論，對錨桿的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，同時結(jié)合工程類比法，確定更合理的支護(hù)參數(shù)，借用數(shù)值模擬分析該支護(hù)方案下巷道圍巖應(yīng)力分布、及變形情況，以進(jìn)一步驗(yàn)證支護(hù)參數(shù)選擇的合理性；礦壓觀測的結(jié)果表明，巷道在支護(hù)后15天內(nèi)即可達(dá)到穩(wěn)定，錨桿配合鋼帶的支護(hù)形式能夠有效控制兩幫及頂?shù)装宓氖諗孔冃危瑢衩簩友氐拙蜻M(jìn)的回采巷道具有良好的支護(hù)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(shù)學(xué)院學(xué)院團(tuán)委負(fù)責(zé)組織的院2010年“石化挑戰(zhàn)杯”學(xué)生學(xué)術(shù)科技作品競賽校內(nèi)評審會上初選審議通過，并要求將該作品進(jìn)一步完善參加終審。評審委員會的評委由學(xué)院相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的具有高級職稱的專家教師擔(dān)任，會議由學(xué)院科技處處長張滿效主持。

鑒定結(jié)果

榮獲蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院“石化挑戰(zhàn)杯”優(yōu)秀獎。

參考文獻(xiàn)

（1）錨桿配合鋼帶的支護(hù)形式對厚煤層沿底掘進(jìn)的巷道具有良好的支護(hù)效果，能夠有效控制煤體及頂?shù)装宓淖冃巍? 　?。?）巷道圍巖表面水平應(yīng)力較低，遠(yuǎn)小于原巖應(yīng)力水平，而巷道兩側(cè)的垂直應(yīng)力分布由淺表向深部逐漸增加，在深部6~7m 位置處達(dá)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(nèi)，而頂?shù)装逯饕a(chǎn)生抵抗垂直方向的變形，且頂板的變形較大，占頂?shù)滓平康?7.76%。 　?。?）巷道最終變形量都在允許范圍之內(nèi)，錨桿、錨索以及鋼帶相結(jié)合的支護(hù)方案可以滿足厚煤層留頂煤回采巷道的支護(hù)需求。

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