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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(jiǎn)介:
本文利用組合梁理論,對(duì)錨桿的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行理論設(shè)計(jì),同時(shí)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(cè)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?,?duì)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(duì)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(duì)錨桿的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行理論設(shè)計(jì),同時(shí)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(cè)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?duì)厚煤層沿底掘進(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(duì)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(shí)層掘進(jìn)[1]。但是在現(xiàn)場(chǎng), 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(duì)巷道布置方式的可行性以及巷道支護(hù)強(qiáng)度展開針對(duì)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(shì)在于:①錨桿安裝后即可對(duì)圍巖提供支護(hù)阻力,及時(shí)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(dòng)強(qiáng)度低,工藝簡(jiǎn)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(shì);⑤施工速度快[3]。本文針對(duì)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(zhǎng)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(dòng)。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(guó)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(shí),錨桿的抗剪作用力能夠阻止層間的錯(cuò)動(dòng),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(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。 2.1 錨桿長(zhǎng)度 錨桿長(zhǎng)度由下式確定: 3 2 1 L L L L + + = (式1) 式中: 1 L —錨桿外露長(zhǎng)度,50mm; 2 L —錨固有效長(zhǎng)度; 3 L —錨固段長(zhǎng)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(zhǎng)度為 4.3m。這樣長(zhǎng)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(zhǎng)度為2.4m的錨桿、長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng) W3 鋼帶,間排距都為 900mm,每個(gè)錨桿孔放置兩根 Z2350 型樹脂藥卷加長(zhǎng)錨固;同時(shí)每?jī)膳佩^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(gè)錨索孔放置四根 Z2350型樹脂藥卷加長(zhǎng)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(zhǎng) W3 鋼帶,間距850mm、排距 900mm,每個(gè)錨桿孔放置兩根 Z2350型樹脂藥卷加長(zhǎng)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(zhǎng)期穩(wěn)定,需要借助計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬針對(duì)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)對(duì)巷道展開礦壓觀測(cè)工作,觀測(cè)內(nèi)容包括巷道表面位移和頂板離層。觀測(cè)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(duì)于圍巖的膨脹變形尤其是底板的變形會(huì)產(chǎn)生較大的影響; ②數(shù)值模擬的模型是對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(shí)絮凝效率也會(huì)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(duì)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(duì)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(duì)錨桿的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行理論設(shè)計(jì),同時(shí)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(jià)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(duì)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(duì)錨桿的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行理論設(shè)計(jì),同時(shí)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(cè)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?duì)厚煤層沿底掘進(jìn)的回采巷道具有良好的支護(hù)效果。

獲獎(jiǎng)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(jìng)賽校內(nèi)評(píng)審會(huì)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(píng)審委員會(huì)的評(píng)委由學(xué)院相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的具有高級(jí)職稱的專家教師擔(dān)任,會(huì)議由學(xué)院科技處處長(zhǎng)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(jiǎng)。

參考文獻(xiàn)

(1)錨桿配合鋼帶的支護(hù)形式對(duì)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。  ?。?)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。

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(hù)技術(shù)的應(yīng)用》這篇文章主要針對(duì)實(shí)現(xiàn)煤層安全、高產(chǎn)、高效回采,通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及觀測(cè)相結(jié)合的綜合研究途徑和方法,對(duì)大采高綜采工作面所需大斷面順槽支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的分析和研究。在對(duì)錨桿支護(hù)原理和回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制理論進(jìn)行分析的基礎(chǔ)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(jù)此確定了錨桿(錨索)支護(hù)參數(shù)。以三交河煤礦大采高綜采工作面回采巷道為背景,建立計(jì)算數(shù)值模型,運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS,對(duì)錨桿加固前后圍巖的應(yīng)力應(yīng)變分布變化進(jìn)行了模擬分析。綜合理論分析、數(shù)值模擬等結(jié)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(jìn)行了巷道礦壓觀測(cè),證明支護(hù)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(shù)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(shí)踐,而且將促進(jìn)三交河煤礦盡快實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。 開采回采巷道沿煤層底板掘進(jìn)巷道為全煤巷道的特點(diǎn),采取預(yù)防為主、綜合治理的方法,對(duì)全煤巷道的自然發(fā)火進(jìn)行防滅火實(shí)踐.利用壓注阻化劑水溶液,把巷道兩幫和頂煤高溫區(qū)內(nèi)煤體降低到常溫狀態(tài);并對(duì)試驗(yàn)巷道進(jìn)行了黃泥注漿堵漏防火和壓注膠體泥漿防滅火現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(jìn)行。
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