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Qizhou王,你们海王,李宁,Xiuwen Chi, Wenbing谢,东方Chen Shengguo Jing道雷, ”研究支持协同强化系统特点的槽钢支撑和固定电缆下的巷道高动态压力”,Geofluids, 卷。2021年, 文章的ID9881280, 12 页面, 2021年。 https://doi.org/10.1155/2021/9881280
研究支持协同强化系统特点的槽钢支撑和固定电缆下的巷道高动态压力
文摘
本文提出一种综合研究的支持作用和特点槽钢协同强化系统的支持和固定电缆(USS-AC)巷道在高动态应力在一个煤矿在中国。巷道的变形行为和负载特性强化元素的实时测量和分析。数值模拟的研究也一直在进行识别的互动加强元素下的围岩动态加载。研究结果表明,巷道围岩的应力分布可以改变了,附近的围岩残余强度使用USS-AC开放可以增加了。基于固定电缆的作用,槽钢支持的力矩分配进行了优化。槽钢的负载能力和nondeformability支持提升。和槽钢的全球稳定支持是增强从而达到高的目标支持抵抗。当围岩的变形压力较高,槽钢支撑围岩变形。两侧梁和槽钢的重叠部分支持遭受变形应力最高。因此,固定电缆提供更高的反应部队的先前位置槽钢支撑以防止变形的支持对开挖。 As an integral structure, the U-steel support is confined to a limited deformation space under the action of anchored cable. The larger deformation is released through sliding motion of the overlapping parts so as to reach the ultimate of high supporting resistance of USS-AC.
1。介绍
地层的控制道路发展在高地应力软岩已成为一个具有挑战性的问题近年来由于开采深度增加。据报道,超过80%的道路经历了动压在中国中部和东部1,2]。众多研究工作相关的地面支持技术软岩石巷道在高动态压力下进行。其中,积极支持提出了岩石螺栓或电缆(3- - - - - -7]。此外,积极支持的组合的岩石螺栓和槽钢的被动支持开发和确认为一个有效的方式等geo-conditions [8- - - - - -10]。案例研究的-720南翼楼煤矿运输巷道在动压在中国,槽钢支持,槽钢支撑壁厚灌浆相结合的支持,和锚杆支护网未能减少强烈的巷道围岩的变形。针对这样的地质条件下软岩巷道的高压力,槽钢的协同强化系统支持和固定电缆(USS-AC)提出和采用9,10]。现场试验表明,USS-AC是一种有效的方法来减少运输巷道的围岩的位移。槽钢的负载特征的支持和固定电缆USS-AC进行了分析,分别通过理论计算静应力下(9- - - - - -15]。然而,实际负载的变换规律槽钢支持与苦难尚未获得的监测和动态应力从开始到结束workface的挖掘。因此,槽钢之间的协作交互的支持和固定电缆USS-AC无法描述。
解决前面的问题,优化动作USS-AC下的围岩应力分布和弯矩槽钢的支持与协作固定电缆由数值模拟方法进行了分析,揭示了USS-AC的互动机制。具体参数提出了USS-AC楼煤矿现场试验。同时,槽钢的实际负载支持和固定电缆各自以及测试巷道的围岩位移监测的测量方法。围岩的变形及其corelationship USS-AC被披露的实际负载使用的测试数据。固定电缆的增加效果槽钢支撑承载力和结构稳定性。
2。项目概述
该项目是在安徽北部的楼煤矿的中国(图1)。-720南翼跟踪运输巷道的主要通道,行人和矿井的通风。巷道断面的形状是一个直墙半圆拱高度3.9米,宽度为5.0米。的巷道上覆岩层深度750米被安排在地板上煤层岩层八号2在43 m - 70 m的垂直距离煤层7号2从煤层八号和20 m-50 m2。平面的相对位置关系-720南翼轨道运输巷道和工作面II7214在图给出2。
-720南翼轨道运输巷道挖掘在粉砂岩和泥岩。巷道的侧墙是泥岩,拱形屋顶是粉砂岩,分别。直接顶的岩石是一个2.5米厚的粉砂岩,由细砂岩的主要屋顶覆盖厚度为5.0米。
组合支护方法,螺栓、电缆、钢筋桁架,是在-720年进行的南翼跟踪运输巷道。如图3运输巷道的变形是无关紧要的,满足操作要求不动压的影响工作面II7214。然而,前面的方法未能抑制巷道的变形roof-to-floor收敛收敛达到0.8 m左右的1.0工作面开挖下。巷道变形很严重,围岩变得松散和破碎强度降低。因此,在巷道服务期间,由动态应力由于采矿活动严重影响了脸II7工作214。
3所示。USS-AC功能机制
3.1。数值模拟
USS-AC分为两段。槽钢支持是主要和基本组件支持松散岩体开挖巷道附近。第二部分由固定电缆和托梁与槽钢连接电缆支持和传输电缆槽钢支持的借口。的Flac二维模型建立,分别分析巷道围岩的应力分布规律和槽钢内弯矩变化规律。
数值模型的长度80米和80米的元素的大小 针对摩尔-库仑本构模型,在FLAC二维被用来模拟岩石的力学行为。岩石的模型尺寸和参数见图4。正常的四个侧表面和底部表面的位移模型的固定是零。压力( )应用在表面覆岩模型来模拟加载初始应力条件下。采用梁单元模拟槽钢的支持。此外,电缆单元用于模拟固定电缆长度为6.5米。和两个支持单位被奴隶与Flac的命令二维。
实现分为三个步骤:首先,挖掘道路区域后的初始平衡模型。然后,支持单位设置,顶部变成21.6 MPa的压力模型来模拟额外的压力由于工作面开挖活动。
3.2。数值模拟结果
图5显示了巷道围岩垂直应力分布定律在使用两种不同的支持方式,采用槽钢支持和USS-AC,分别。
(一)槽钢的支持
(b) USS-AC
可以看出,巷道围岩的应力状态是通过使用USS-AC显著优化。与巷道使用槽钢的支持,开发范围围岩的压力明显降低,而附近的围岩垂直应力巷道的开挖空间普遍增加。根据研究结果3,16,17附近,岩体残余强度的巷道的开挖空间大大提高itself-bearing能力的提高是由于增加了限制压力破碎,裂隙岩体巷道。因此,破碎带的限制压力测试巷道提出USS-AC岩体残余强度的增加在前面的区域。
岩体的承载能力在深区可以通过积极支持的固定电缆连接槽钢的深层岩体巷道。一方面,应力集中区域的深度参与围岩巷道是下降了超过50%。轴承负荷的岩体深部分减少,同时保持稳定。另一方面,压力在岩体内的锚固端固定电缆的作用下显著增加锚定提高岩体的强度和刚度在深的部分。支持和岩石组合轴承结构与槽钢连接电缆由搁栅形成和提供一个大型负载提供更高的变形阻力。
此外,以往的研究结果(9,11,12]表明,拱形梁的承载力在槽钢的支持比边梁的大。如图6(一)槽钢之间,因为糟糕的交互支持和围岩巷道的开挖空间附近,拱形梁的荷载较低甚至一分之零实际轴承过程。然而,重叠部分和侧梁承受更大的负荷。因此,槽钢支撑的拱形梁在实际条件熊低负荷和废弃物的高阻岩体。相反,边梁的实际负载大于上限的支持创建一个阻力较大的弯矩在侧梁的截面中心线。槽钢的负载分布规律和弯曲力矩特性支持生成一个现象,边梁的首先是破坏和失稳导致困难使用高阻和拱形梁的强度。
(一)槽钢的支持
(b) USS-AC
槽钢支持的弯矩图所示6 (b)应用USS-AC之后。拱形梁的弯矩是改变从4 N·m N·m,边梁下降 N·m N·m。槽钢的轴承特性的支持是优化减少边梁的弯矩和放大的拱形梁由于固定电缆。减少负载拱形梁和侧梁的区别是加强全球稳定的槽钢支持完成。
4所示。USS-AC的工艺参数
根据-720南翼轨道运输巷道的地质条件和开挖工作面布置II7214楼煤矿,协作支持USS-AC技术采用现场试验。的具体方案和支护参数如图7。
槽钢的参数支持评估如下:槽钢的类型是36 #中国标准。槽钢支持由一个拱形梁组装顶部和两侧梁设置为主要支撑的方式间距为0.5米。拱形梁的长度是6.13米,重叠在其两端的梁的长度为3.54米。三个西装坚果的锁定装置用于压缩每个重叠部分长度为0.54米。
电缆锚固参数评估如下:固定电缆的直径是17.8毫米,6米的长度。每行三个固定电缆安装中心线的拱形梁和两个重叠的部分。每行两个固定电缆安装在右边梁的行间距1米。每行一个固定电缆安装在左侧梁。固定电缆的行间距离为1米。和所有的电缆都垂直于表面的槽钢。树脂胶囊用于锚前部的电缆在安装的过程中。槽钢支撑与龙骨固定电缆的长度为0.8米,是由工字钢进行处理。半径为0.015米有一个洞,这样固定电缆可以通过预加载在搁栅的外表面。然后,自负的80 kN - 100 kN应用于电缆。
5。现场监测方案
监测站成立于-720年的南翼跟踪运输巷道和距离520米的工作面II7214。试验巷道的收敛,槽钢支撑的实际负载,负载外的固定电缆从一开始就被监控的动态影响工作面II7214到最后。
5.1。测试巷道的收敛
试验巷道的收敛性主要是指位移附近围岩的开挖巷道的空间。成立了一个基准点的中心,屋顶中心,分别和地板中心横截面。开始监控过程中,数据点之间的距离的屋顶和地板上,双方的数据点之间被一个激光测距仪测量初始值。然后,通过从初始值减去每个后续监测值,距离的变化roof-to-floor左右决心和视为测试巷道的收敛。
5.2。槽钢的实际负载的支持
采用液压枕调查的实际负载如图槽钢的支持8。在安装液压枕之前,一个平面基板需要焊接槽钢上支持。进一步,盖板安装液压枕和岩体,以确保整体联系,保证测试结果的准确性。安装完成后,显示值的液压枕被记录。
5.3。固定电缆的实际负载
采用一个测力计,名叫MGH-30无损监测的实际负载外固定电缆如图9。因为支持固定电缆的电阻表面应用槽钢支持托梁的装置,压力细胞被安装在搁栅和锚固装置,监测的实际负载固定电缆。在操作期间,一个特定数量的预加载应用于固定电缆的外端,记录为初始值。之后,槽钢上的液压枕头安排支持以及负载的锚电报被定期监控。
6。试验巷道受采动应力的变形特征
围岩的位移特性接近巷道的开挖空间的综合指标来反映试验巷道的稳定性。图10显示之间的关系发展过程的位移和速度的位置工作面II7214从一开始采动应力的影响。如图10的负值,横坐标是指监测站和工作面之间的水平距离工作面推进方向,而积极的价值指的是水平距离后,工作面拥有先进的监测站。监测站位于前约200工作面在初始阶段的测量。和巷道的变形逐渐增加在一个小率不让采动压力。变形速率为0.5毫米/ d与位移之和低于5毫米。
此后,还原过程的监测站和工作面之间的距离从180米到139米,巷道的位移速度与位移转化为0.3毫米/ d之和低于10毫米。然而,过程中从130减少到39米的距离,左右的位移速率和roof-to-floor增加1毫米/ d和0.5毫米/ d以上,分别。左右的位移变化范围大于roof-to-floor。最主要的原因在于,距离上工作面监测站很大,侧墙试验巷道的应力扰动大于屋顶下的采动压力。侧围岩的完整性和强度显著降低。
当监测站的距离工作面从39米降低到0 m,围岩的位移是突然增加。左右的位移速率增加到2.5毫米/ d而roof-to-floor增加到3.2毫米/ d。虽然位移之和roof-to-floor大致相等的左右,采动压力的影响程度的屋顶大于围岩侧墙的位移速率。这是因为工作面位于正上方监测站,对巷道的屋顶产生更强的影响。当监测站的位置被先进的工作面,巷道的围岩变得更稳定逐步随着逐渐增加工作面之间的距离和监测站。此外,位移速率逐渐下降到0.5毫米/ d。
7所示。USS-AC受到采动应力的加载特性
7.1。槽钢的实际负载特性的支持
槽钢支撑的实际负载特性如图所示11。可以看出,实际负载的变化之间的距离在还原过程中相对较小的监测站和工作面II7214从300到180工作面推进方向的。左侧梁中心的负载的槽钢大约60 kN的支持,而左边重叠的部分大约是55 kN。大约30 kN,负载是观察到的压敏元件安装在右边梁中心,对重叠部分,拱形梁。总之,左边部分槽钢支持包括左侧梁和左重叠部分遭受更大的负载比其他部分。当监测站180工作面,正确的重叠部分的负荷突然增加到75 kN没有显著变化在其他领域的支持。槽钢的重叠部分支持的负载逐渐增加减少过程中从120米到110米的距离;换句话说,左边重叠部分的负荷和重叠的部分不同,分别70 kN - 85 kN。同时,其他压力的加载细胞槽钢支撑大约保持不变。
7.2。固定电缆和USS-AC的实际负载特性
固定电缆直接与槽钢联系支持通过龙骨。应用支持固定电缆的电阻表面槽钢支持和转化为附近的围岩开挖巷道空间测试。换句话说,槽钢的变形特性支持和滑动重叠部分的价值负荷的变化规律反映在外部固定电缆的结束。与此同时,优化操作槽钢固定电缆的支持。
之间的关系的实际负载USS-AC和巷道收敛图所示12。显示USS-AC实际负荷的发展过程进行工作面采动应力的II7214。
(一)左侧梁的中心
(b)右边梁的中心
(c)左重叠的部分
(d)对重叠部分
(e)拱形梁顶部槽钢的支持
(f)右边梁的底部
如数据所示12(一个)和12 (b),左边的负载大约60 kN槽钢梁中心支持,而右边梁中心30 kN。和负荷中心的下侧梁都是相对稳定的采动压力。然而,固定电缆的负载增加,大于槽钢的支持以及巷道的围岩变形。和固定电缆负荷的变化趋势类似于巷道的收敛。最大负载(98 kN)观察到一个压力单元安装在左侧梁的中心。同时,右边梁中心的负载增加20 kN - 125 kN。从之前的现象,两侧梁与左右收敛变形逐渐释放部分过载槽钢的支持。固定电缆成为他们的负荷增加约束的主要轴承体侧梁和保持负荷的超大的变形稳定。因此,暴力的围岩变形限制相结合的方式有效的槽钢和固定电缆。
工作面背后的监测站是在工作面推进方向,固定电缆的负载侧梁都是减少在一个小范围。然而,在增加到90米的监测站和工作面之间的距离,两个固定电缆的加载在一个小率下降。之后,大量的电缆被保持几乎不变。
图12 (c)负载之间的关系显示左重叠部分槽钢的支持和固定电缆在巷道的变形。左重叠部分的负载从55 kN - 75 kN初采动应力的影响,它是稳定的。然而,固定电缆是预张荷载140 kN的初始时期。然后,固定电缆的负载是背后突然减少到零负荷增加18 kN,低于5 kN。分析了这一现象的原因如下。有滑动摩擦在左边重叠部分释放拱束槽钢的下沉运动的支持。和左重叠部分是向巷道截面的中心。固定电缆的负载增加了158 kN,限制重叠部分不运动。弯曲挠度是生成在左边重叠部分由于左侧连续变形梁和梁拱。弯曲挠度的对称轴是位于中心的重叠部分。 The interval between the support and rock is smaller than that of the initial period result in decreasing the elongation and load of anchored cable in the left overlapping part. After that, there is no obvious increasement of the interval so as the load of anchored cable with a value below 5 kN.
槽钢的负荷发展过程对重叠部分的支持和固定电缆如图12 (d)。槽钢的加载正确的重叠部分的支持逐渐从低于50 kN增加到约80 kN,然后趋于稳定。然而,固定电缆的负载变化波动表明正确的重叠部分的滑动和变形是最明显的。从一开始的负荷监控,有三个阶段减少由于下降的支持和岩石之间的时间间隔。被解释的原因。增加每次生成阶段减少阶段。和固定电缆的最大负载时出现(192 kN)工作面上方的监测站。滑动和变形引起的现象是正确的重叠部分槽钢的支持。当正确的重叠部分滑动,它生成的运动巷道截面的中心,支持和岩石之间的间隔是扩大。之后,固定电缆的负载是倾向于稳定这样的暴力变形对重叠部分槽钢支持是有限的。
图12 (e)显示了拱形梁的负载特性和固定电缆。拱形梁的荷载槽钢支撑不断从25 kN增加到大约35 kN。在监测站工作面推进方向的工作面,拱形梁的荷载超过30 kN。然而,固定电缆的负载是观察与decreasing-increasing-decreasing-increasing稳定趋势。在第一阶段,左右巷道的收敛性比roof-to-floor使向上拱光束的中心部分。和岩石之间的间隔小于最初的情况。固定电缆的负载是减少从一开始25 kN低于5 kN。和负载保持在低于5 kN很长一段时间。当工作面90前的监测站,固定电缆的负荷增加到35 kN由于拱形梁的下沉运动。同时,发现安装的固定电缆负载对重叠部分槽钢支持大幅减少与图进行比较12 (d)。然后,它是正确的弯曲挠度的重叠部分槽钢拱的支持是产生的下沉运动。后来,负载固定电缆的拱形梁再次减少,而槽钢的固定电缆正确的重叠部分支持增加。虽然有拱形梁沉没,左右的收敛是更大的压缩和提高拱形梁的中心了。同时,提高运动是由槽钢的滑动和变形的重叠部分的支持。因此,支持和岩石之间的间隔小于在前一个阶段导致减少固定电缆的负载。在接下来的阶段,固定电缆的负载逐渐增加到35 kN的趋势类似巷道变形在监测站和工作面之间的距离的变化。
图12 (f)显示了巷道的收敛性之间的关系与锚定的负载电缆安装在右边梁的底部。固定电缆的负载逐渐增加到48 kN 57 kN。当监测站90在工作面前,固定电缆的负载低于30 kN。随着不断增加的巷道变形,固定电缆的负载是63 kN的增加到最大。当工作面约90前的监测站,锚定的负载电缆减少在一个小范围和在以下时间保持不变。
8。讨论
(1)阶段、范围和采动应力影响范围:如图13,-720南翼轨道运输巷道的变形可分为5个阶段:稳定变形没有影响矿业(阶段1),轻微的变形在先进的开采影响下(阶段2),先进的开采影响下严重变形(第三阶段),轻微变形后矿业(阶段4)影响,稳定变形后挖掘影响(5)阶段。也反映巷道变形的发展过程的负载特性USS-AC由于采动压力。因此,根据空间测试巷道工作面II7之间的关系214和地质条件,先进的范围由工作面支承压力造成约140。和工作面背后的影响范围在80米- 90米的范围。采动应力的变化规律是必要的选择道路的实施时间额外的加固措施类似于前面的条件。(2)固定电缆的轴承的特点和实施地点:总之,USS-AC应用于控制生成的支撑阻力-720南翼轨道运输巷道的变形在开挖工作面II7214。槽钢的负载支持是保持稳定的固定电缆的抑制作用。然而,固定电缆安装在正确的重叠部分,两侧梁的中心的主轴承体高负载在第三阶段。在这个阶段,测试巷道的收敛的左右大于roof-to-floor。开采的影响范围测试巷道的侧壁的压力更重的屋顶。如果这些固定电缆,槽钢的破坏支持生成正确的重叠部分,两侧梁首先的中心。因此,可以看出,固定电缆提供一个额外的负载优化槽钢的轴承特性的支持,增加协同强化系统的负载极限限制巷道的变形。USS-AC负荷的变化规律是重要的选择额外的巷道加固措施的实现位置类似于前面的条件。(3)槽钢的变形特性和滑动运动支持:固定电缆由托梁与槽钢联系支持。固定电缆的负载特性的直接反映是变形或运动槽钢的不同部分的支持。如图14,根据电缆负荷,每边梁的槽钢支持是流离失所的对试验巷道的空间在5阶段。拱的变形梁顶部upward-downward-upward-downward程序。分析程序,生成与弯曲向上运动的中心因为连续拱形梁两侧梁的位移。后来,整个拱形梁有向下运动。重叠部分的变形包括滑动运动和弯曲变形与拱形梁和侧梁。中,重叠部分的弯曲变形产生减少负载下的固定电缆整个拱的下沉变形梁在2nd阶段。与此同时,当附近的岩石和侧梁重叠部分是流离失所,有重叠部分的滑动运动导致增加固定电缆的负载。的变形规律揭示了不同段的槽钢支持定性的逆分析大量的固定电缆。结果是有用的优化额外的固定电缆的安装位置。
然而,有几个问题需要研究如下:(a)定量分析加载槽钢支撑和固定电缆之间的关系通过使用理论模型和(b)建立精确数学模型的槽钢支持和分析各种负载条件下的响应特性。
9。结论
(1)围岩应力的分布是变化增加的剩余强度的岩石附近空间利用USS-AC巷道。额外的支撑阻力是由固定电缆优化弯矩分配,提高nondeformability和槽钢的全球稳定的支持。然后,巷道的变形明显克制。根据监测的结果,左右的收敛和roof-to-floor低于120毫米来满足要求的实用性测试巷道岩层采动应力的影响过程(2)根据大量的锚定电缆,高变形生成负载在合适的重叠部分和中心两侧梁发生严重的采动压力。的锚定电缆的主轴承的身体支撑阻力高于100 kN控制合适的重叠部分的位移和两侧梁槽钢的支持。增加负载限制和侧梁的刚度显著增强拱形梁的承载能力(3)作为一个整体结构,槽钢的支持仅限于有限变形空间锚定电缆由于额外的行动。过度变形拱形梁和侧梁释放通过槽钢的滑动运动重叠部分支持实现高电阻的特性和收缩的槽钢的支持
数据可用性
数据从项目在北楼煤矿的中国安徽省。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究得到了国家自然科学基金(51704218,51704218,51874218)和中国国家重点研发项目(批准号2019 yfc0605304)。我们非常感谢工作人员对楼煤矿合作。
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