大采深动态压力下回采巷道.ppt

大采深动态压力下回采巷道 支护方案研究,摘 要 本文通过巷道围岩受力变形规律的分析，提出有利于轨道巷围岩稳定的断面形状和断面尺寸。在此基础上，根据围岩变形量以及满足8405轨道巷通风、行人、运输等要求的前提下，确定8405轨道巷合理的支护方式。 关键词 大采深；动态压力；回采巷道；断面形状；支护方式,1 前言 新矿集团良庄煤矿已进入深部开采，八采区位于良庄矿井田深部（东北部）西以F1 3断层为界，东至孙村矿F8断层，南至孙良边界，北至西周井田。上限标高：-550m，下限标高-1000m，平均埋深950m。大采深动压下回采巷道两帮变形和底抚的防治研究还处于实验阶段，国内外还没有一种通用的行之有效的防治手段，目前只能根据具体的地质条件和采掘状况分析其机理并采取一定的防治措施。鉴于良庄煤矿的实际情况，一方面要开展支护方案的工业性实验，另一方面需对支护材料进行研究。通过这两方面的研究工作，探索出适合于本矿覆岩赋存状况和采掘条件的防治两帮变形和和底臌的有效支护措施，这对于良庄煤矿来说具有重要的现实意义。,2 支护方案 根据8404轨道巷在围岩压力和回采工作面动态支承压力的双重作用下，巷道两帮和底臌变形极为严重，同样在本区待掘的轨道巷也会发生类似的情况。因此，对于变形严重的回采巷道，若采用刚度很大的支护材料进行支护，将在膨胀压力作用下导致支护失败，若支护材料刚度过小，巷道变形不能得到有效抑制，最终巷道也会因变形过大而发生坍塌报废，这两种情况在工程实践中都已得到证实。所以，对于受围岩压力和动态应力作用的回采巷道，并且围岩类别为级及以下时，巷道只能采用“柔中带刚、刚中带柔”的材料进行支护。经过论证分析确定轨道巷采用“锚梁网索联合支护”方案。,3 支护方案分析 “锚梁网索联合支护”方案是针对良庄煤矿大采深回采巷道受围岩压力和动态支承压力防治底臌和两帮变形的目的提出的。该方案由于锚杆和锚索打入围岩内部，对围岩起到加固作用，并且安装时根据施加的预紧力大小可及时地向围岩提供主动抗力，以后随围岩变形主动抗力将逐渐增加，同时围岩的自承能力也得到充分发挥。所以，该支护方式的上述优点是任何一种支护形式都无法比拟的。同时，该支护方式机械化程度交稿，施工工艺简单，支护成本相对较低，符合现代支护理论。,“锚梁网索联合支护”用在受动压作用而两帮变形和底臌极为严重的回采巷道中，关键在于锚杆和锚索的支护参数及布置方式，尤其是布置方式，同样的支护参数因布置方式不同，对防治两帮变形和底臌会得到不同的效果。下面从力学原理角度重点研究锚杆和锚索的支护参数和布置方式。,4锚杆、锚索支护参数计算 4.1计算条件 (1)地质条件 八采区轨道巷平均埋深936.7m，沿煤4顶板布置，平均倾角为19.5，煤体硬度系数f=1.2。老顶为中砂岩，平均厚度10.57m，硬度系数f=5-6。煤层上下伪顶和伪底均为炭质页岩，平均厚度分别为0.05m和0.07m。直接底为泥质粉砂岩，平均厚度为1.0m，硬度系数为f=4-5。老底为粉砂延和细砂岩互层，平均厚度为27.0m，硬度系数为f=4-7。,(2)采掘条件 轨道巷除受围岩压力以外，前后将受到8404和8405回采工作面动态支承压力的影响，使得围岩支承压力急剧升高，根据叠加原理，应力集中系数可达到3.5，即k1=3.5。 (3)轨道巷断面尺寸 根据轨道巷断面尺寸的优化分析，在不破坏稳定的椭圆边界和保持顶板岩层完整的前提下，确定断面为不规则矩形，断面宽度为3500mm，最大和最小高度分别为3000mm和1760mm，平均高度为2380mm。,(4)轨道巷围岩的物理力学参数 煤层：容重r=0.013MN/m3，粘聚力c=1.5Mpa，内摩擦角=30，煤体的单向抗压强度因缺乏试验材料，可根据煤体的硬度系数反推得到。由普氏理论公式f=Rc/10，将煤的硬度系数f=1.2代入，得煤体样本的单向抗压强度，而处于实际赋存状态的煤体，单向抗压强度还需乘0.6的强度降低系数，即得煤体实际状态的单向抗压强度，其值为7.2Mpa。 岩层：容重r=0.027MN/m3，粘聚力c=0.48Mpa，内摩擦角=40，岩体的单向抗压强度与上述分析方法相同需经过反推得到，其值为31Mpa。,4.2锚杆长度计算 (1)轨道巷两帮锚杆长度：根据工艺要求和锚杆的承载原理，锚杆设计总长度应为： 式中： l1锚杆外露长度，一般取100 mm l2为爆破作业造成的煤体松动宽度，一般为400 mm l3为煤体塑性区宽度，按下式计算，即,式中： 应力集中系数，其值为3 f1摩擦系数，其值为0.057 rh地应力，其值为rh =0.027*936.7=25.3 MPa k1 应力集中系数，其值为k1=3.5 c煤体的粘聚力，其值为c=1.5MPa 煤体的内摩擦角，其值为=30 M巷帮高度,求得轨道巷上帮煤体塑性区宽度：,求得轨道巷上帮煤体塑性区宽度：,轨道巷上帮锚杆总长度：,轨道巷上帮锚杆总长度：,(2)轨道巷顶板锚杆长度： 由于岩体中存在着各种纵横交错的节理、裂隙和结构面，这些节构面将岩体切割成大小不等和形状各异的块体，从而破坏了岩体的整体连续性，当顶板岩体一旦跨落时，将形成一个自然冒落拱，所以顶板锚杆的作用就是对冒落拱内的岩石块体进行加固和支撑。因此，顶板锚杆的有效长度按冒落拱理论进行计算将较为合理。,顶板锚杆的总长度为：,顶板锚杆的总长度为：,式中： l1锚杆外露长度，一般取100 mm l2为爆破作业造成的煤体松动厚度，一般为400 mm l3为锚杆锚固在完整岩体上的长度，一般为500 mm l4为顶板锚杆的有效长度，可推出其计算公式，即,式中： a为冒落拱一半跨度，其值为3124mm fk为顶板岩体的硬度系数，其下限值为4 由此计算锚杆的有效长度为：,轨道巷顶板锚杆的总长度为：,(3)轨道巷底板锚杆长度： 底板岩层从上往下依此为伪底（炭质页岩）、直接底（泥质粉砂岩）和老底（粉砂岩、细砂岩互层），其厚度分别为0.07m、1.0m、27.0m。为增加直接底的稳定性，应对直接底进行加固，其锚杆长度应大于直接底的厚度，以确保直接底和老底锚固在一起，则锚杆总长度与顶板锚杆总长度取相同数值，即L=1781mm。 根据以上分析计算，轨道巷锚杆长度还应考虑到加工和现场管理的方便，所以将锚杆长度分成两种：一种是轨道巷上帮锚杆长度为2600 mm，一种是轨道巷顶板、底板及下帮锚杆长度为1800 mm。,4.3锚索长度计算 从力学角度分析，锚索和锚杆的功能是相同的，都是对围岩起加固和支撑作用，但两者的作用范围却存在着很大的差别。锚杆的作用范围主要是将靠近巷道周边的被节理裂隙切割的大小不等的岩块进行悬吊和加固，而锚索的作用是靠自身强大的承载能力，将顶板压力和顶板一定范围的岩层自重传递到远离巷道顶板的上覆坚硬岩层上，由上覆坚硬岩层再将荷载向远场传递，从而将大大减轻巷道两帮一定范围的支承压力及响应的底板压力，这对于防止两帮变形和底臌会起到重要作用。,根据上述原理，为充分发挥锚索的作用，锚索（钢绞线）应具备一定的长度，其计算公式为：,式中： h巷道的平均高度 kr岩体的碎胀系数，取1.2 由上式可求得锚索的计算长度为：,考虑到锚索的外露部分，最后确定锚索的总长度为12m。,4.4锚杆、锚索及其它配套支护材料 (1)锚杆及配套的支护材料 锚杆：材料采用螺纹钢。规格顶板锚杆181800mm，间排距为800mm800mm。上帮锚杆182600mm，间排距为800mm800mm。下帮锚杆181800mm，间排距为700mm800mm。底板锚杆182600mm，间排距为1250mm800mm。,钢带：顶板采用BHW32803700型钢带，上帮采用BHW32803000型钢带，下帮采用BHW32801760型钢带。 金属网：采用10#铁丝编制的金属菱形网，规格：顶网4100mm1000mm，上帮网3000mm1000mm，顶网1760mm1000mm，顶网与帮网之间应搭接200 mm，并隔扣相连。 锚杆托盘：采用铸铁材料制作，规格为220mm100mm。 树脂锚固剂：每根锚杆配两块K2350快速树脂锚固剂，凝固时间1.5min-2.0min。,(2)锚索及配套的支护材料 锚索：采用低松弛的直径为15.24mm的钢绞线锚索，截面积为140mm2，总长度为12m，破断力260.7kN（26.1t），每隔两排锚杆打一排锚索，锚索间距为2700mm，排距为2400mm。 槽钢：材料为9#槽钢，长度为1700 mm。 垫板：材料为钢板，规格100mm100mm8mm。 树脂锚固剂：每根锚杆配四块K2350快速树脂锚固剂，凝固时间1.5min-2.0min。,4.5顶板锚索布置对防止围岩变形的力学机理 顶板安设锚索的意义已在上段作了简单的叙述，但锚索在顶板上的布置位置不同，对巷道两帮和底板变形具有较大的影响。传统的布置方式是将锚索沿巷道顶板中线布置，这对于防止两帮和底板变形是不明显的。从力学机理分析，顶板中安设锚索，锚索将顶板压力及一定范围内的岩层重量传递给远离顶板的坚硬岩层中，再右坚硬岩层将重量向远场的岩层中传递。另外，顶板中安设锚索相当于对顶板增加了一个支撑点，支撑点越靠近巷帮，将降低顶板岩层对巷帮岩体的支承压力。巷帮煤体支承压力降低了，相应的由煤体传递给底板岩层的压力也相应降低，这对于防止两帮变形和底臌具有积极的作用。,传统防止两帮变形和底臌的方法是：两帮变形治帮，底臌变形治底，结果是花费了大量的人力和物力也未能取得较好的效果，其原因是造成巷道两帮变形和底臌的原因没有分析清楚。所以，在本项目研究中，将正确地运用力学原理，科学地布置锚索位置。,根据锚索支撑点的作用，轨道巷每个断面布置两套锚索，其位置是越靠近巷帮越好。为便于施工，每套锚索距巷帮300mm。两套锚索相当与两个支撑点，若把巷道顶板简化为梁来分析，在没有锚索这两个支撑点时，梁的自重和所承受的支承压力将传递给巷道两帮煤体来承担，这无形之中就增加了巷帮煤体的支承压力。若巷道顶板安设了锚索这两个支撑点，巷道顶板岩层的自重和所承担的压力将由两个支撑点的锚索来承担。显然，作用在巷道两帮煤体上的支承压力将见效，同时两帮煤体传递给底板岩层的压力也同样减少。所以，将锚索沿顶板的布置向两帮靠近可降低两帮煤体和底板岩层的支承压力，这对于两帮变形和底臌会起到一定的防治作用。 上述对轨道巷锚索的支护方式和布置方式进行了分析，从力学机理上来说是正确的，其效果也得到了工程实践的检验。,4.6锚杆、锚索施工工艺及其它要求 施工工艺对支护质量起着重要作用，若施工工艺没有保证，再好的支护方案，也可能取得预期效果。所以，为配合试验巷道支护方案的实施，应严格按照作业规程和下列要求组织施工。 (1)锚孔应采用专用设备进行钻眼，眼孔要直，避免安装药卷时未达到锚固端而发生破裂，从而降低锚杆及