文摘

巷道维护gob-side平巷掘进与狭窄的支柱是一个关键的问题需要考虑地下开采。摘要thick-anchored双层锁定(TADL)支持技术,提出了,灵活的螺栓和电缆作为主体的基础支持层和深层加固层,分别。在开挖后瞬时变形阶段,应用TADL形成thick-anchored承重结构,旨在达到以下效果:(1)防止分层巷道的开挖的初始阶段,(2)避免减少围岩结构的承载力,和(3)有效控制围岩塑性区发展和顶板岩层的变形。最后,gob-side条目的开采条件开车比较窄的柱子被选中为工程应用和验证。数值模拟结果和现场工业试验表明,TADL支持技术可以有效地控制围岩的变形和赶走拉应力。与原支持方案相比,巷道的顶板位移TADL支持后显著降低了16%以上。这项研究提供了一个参考类似条件下的巷道的稳定控制的屋顶。

1。介绍

gob-side条目开车比较窄的支柱(GSED-NP)是一个巷道布置方法挖掘巷道沿采空区边缘稳定后的采空区岩层运动(1- - - - - -3]。在实际生产中,gob-side条目受到两个因素的影响,例如,the long-term slow pressurization effect of the abutment pressure formed by the transfer of the overlying strata load support point to the depth of the coal wall and the severe dynamic load resulting from the rotation subsidence of key rocks after the lateral roof fracture in goaf [4- - - - - -6]。这些问题会导致顶板沉降和煤柱gob-side条目中不稳定,这给矿山生产带来很大的麻烦。因此,稳定控制围岩的GSED-NP已成为矿山实现高产、高效的关键。

许多学者研究GSED-NP的围岩变形和控制技术。全球现有的研究主要集中在再分配引起的围岩应力采矿、上覆岩层结构的形成gob-side巷道的负载大小,和煤柱对围岩变形的影响。例如,lateral-bearing压力沿煤身体边缘可分为松弛区域小于原岩应力,与高支承压力区应力分布,和原岩应力区7),已经成为学术界的共识。侯和李8),钱等。9],Xingzhu et al。10]研究机械结构的影响在采空区顶板破碎后形成的gob-side巷道和分析巷道的变形大小和负载变化引起的旋转弧三角形关键块的沉降。Shiliang [11)提出了煤柱宽度的影响模式支持pillarless矿山压力分布。Nhong et al。12),Changliang et al。13),和元et al。4)研究的影响gob-side巷道的缓慢沉降坚硬顶板gob-side和强烈的压力,提出了一种基于支持灵活的锚支持系统的概念“跨境”和“thick-anchored”。

bolt-cable结合支持主要用于支承结构强化控制强大的开采条件下的变形。近年来,许多研究人员已经建立了一个bolt-cable支持系统强大的开采条件的改善bolt-cable的基本结构。例如,王等人,他et al。14,15)提出了一个持续的阻力和有限变形适合GSED-NP锚索。当电缆到达设计的阻力,阻力与围岩变形的增加保持不变。这样,空间是提供弹性应变能的释放,并发生强烈的矿物压力在一定程度上避免了。元等。4)设计了一种新型灵活的螺栓,突破传统僵化的空间限制螺栓。王等人。16- - - - - -18)安排的电缆稳定岩层深处,以调动更大范围的岩体抑制变形,使充分利用围岩的轴承性能。他们都相信bolt-cable支持旨在充分发挥岩体的轴承性能。

本文提出一种thick-anchored双层锁定支持技术解决GSED-NP的围岩控制问题。选择GSED-NP开采条件的工程应用和验证。

2。案例研究

2.1。采矿和地质条件的描述

Lanxian正丽煤炭工业位于山西省,中国,煤炭生产能力150万吨/年。其4 - 1煤层的埋深490米,厚度2.87 - -3.64米。眼前的屋顶是沙泥岩夹层之间的,主屋顶主要是中细砂岩。屋顶的岩性特征如表所示1。目前,第一个矿区的煤层开采,有七个工作面临安排在南方,并跳过矿业接管之间的部分。因为我的压力没有避免,gob-side条目是严重变形,需要多次翻新。因此,工作面141105年即将面临一个强大的矿业在岛上工作面临的挑战。

表1
岩性研究的网站。

研究对象,headentry 141105年,位于东区的工作面141106年,是一个矩形截面。它是沿着我14出土1104年和4 - 1煤楼,净截面 ,和道路的总长度566米。工作面临的煤柱宽度141105年和141104年部分是6米。矿业布局如图1。


图1
我的位置和面板布局测试领域。
2.2。最初支持方案和故障描述

14 headentry的损伤特征1106年gob-side条目如图2,原支持方案采用left-handed-threaded钢锚杆没有纵向钢筋与电缆的支持。六块 - - - - - -螺纹钢螺栓排列在巷道顶板的每一行,行间距 ;两个或三个 电缆的电缆每两行排列,形成一个“3 - 2”的安排。四个 - - - - - -螺纹钢螺栓排列在侧壁的每一行,行间距为1000 mm,间距是不同的。螺纹预紧扭矩的钢螺栓不得少于60 kN,预加载的电缆不得少于300 kN。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
(一)最初支持计划。(b)的损伤特征headentry 141106年。

图2 (b)显示了原始支持计划在141106 headentry。如图,屋顶表面严重骨折;石头落形状的网;被动辅助人员(槽钢和钢卷尺)主要是挤压在中间的道路;和边缘的托盘。上述现象表明,岩层中存在不均匀变形,即。从屋顶,分层在一定的地平线。结果表明,围岩变形不均匀,和深岩层破坏后可能有一个拱形结构。

3所示。Thick-Anchored双层锁定支持技术

如图3,围岩在开挖的顺序分布受损区,excavation-influenced区,和完整的区域(Renaud et al。19和王et al。16巷道的开挖后])。根据研究文献中(王et al。16]),生成一个开挖损伤区是一个环形断裂带在强烈的采矿巷道开挖扰动和采矿。在这个地区,岩石结构严重破坏,岩体的强度是之间的峰值强度和残余强度(图3)。没有外部约束,承载力将失去完全,因此,开挖损伤区支持系统的主要控制对象。Excavation-influenced区指的是围岩应力比峰值强度较低,裂隙发育,和一个完整的岩体结构。完整的区域是指的围岩应力等于原位压力和不受开采扰动影响。假设锚固端安排excavation-influenced带,岩体的自立的表现在这个领域可以充分动员和更深的地方,深深浅浅的链接可以实现。因此,岩体在这个领域可以用作轴承体的支持系统。


图3
excavation-influenced带的位置、开挖损伤区和塑性边界的应力-应变曲线(修改Renaud et al。19和王et al。16])。

狭窄的支柱在gob-side条目开车,煤炭series-layered屋顶主要是压缩和弯曲作用下的弯矩。一端固定支架的力学模型和铰链支承在另,如图4。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
原理图的剪切力由岩石梁弯曲时的锚。(一)锚。在任何时候(b)剪切应力 在横截面上的距离 从在岩石弯曲中性轴。

根据最大拉应力理论(第一强度理论)、顶板岩石梁的弯曲变形后,顶板岩石梁的最危险点的失败是拉应力在中间。本节中的弯矩

因此,可以获得的最大拉伸应力

因为

因此,最大拉应力

当 ,拉应力的最大值 在哪里 横截面宽度,作为1根据平面应变假设; 横截面高度; 是屋顶的弯矩在中间岩石梁; 任意一点的距离吗 横截面的中性面; 道路的宽度,为5米; 造成的损失小煤柱,作为1米; 失去价值的固体煤方面,作为1.5 m; 是负载浓度,即。,the dead weight load of the immediate roof; and 作为27000 N·m3。根据应力集中系数为1.8,这是作为298.6 kN·m1。

的价值 然后通过替换上面的值到方程(1)- (4)。因此,屋顶的最大拉应力之间的关系 和屋顶厚度 如图5。


图5
拉应力曲线在不同的位置。

进一步,可以看出,从表面上看,屋顶岩石内的拉应力越小。浅深4米,屋顶内的拉应力可以达到2 MPa,即浅层围岩损伤的主要因素。当深度超过4 m时,拉应力急剧减少,基本上不会造成损害。综上所述,可以看出,浅4 m的范围应用预应力的临界范围的支持。高强度预应力支持在这一领域的实现可以实现拉伸应力驱动的作用,从根本上解决了浅层围岩的抗拉应力集中问题。我们可以定义这个范围的临界锚固厚度。

根据以上分析,TADL支持技术提出了(如图6),灵活的螺栓(如图7)为主体的基础支撑层、和电缆作为主体的强化层。开挖后在瞬时变形阶段,技术应用于形成一个thick-anchored承重结构,防止分层巷道的开挖的初始阶段。此外,它将防止围岩结构的承载力降低,从而及时有效地限制围岩塑性区扩展和顶板岩层的变形。这种技术的性能参数的比较和传统螺栓如表所示2。


图6
TADL支持技术。
(一)
(一)
(b)
(b)
图7
灵活的螺栓。(a) I型预紧力的应用通过锁具。(b) II型,通过螺母预紧力是应用。
表2
比较常用的螺栓的性能参数。

受到巷道的高度和长度不足,不能弯曲,刚性支承,因此无法形成足够的锚固层厚度,导致疲软的顶板的变形阻力。同时,灵活的钢链的强度通常是1860 MPa,刚性螺栓是一般335 ~ 500 MPa。强度增加后,锁定能力更强。

灵活的螺栓是由钢链杆、锁套,螺母,垫片,拱托盘,antitorsional钢板,其中,钢链杆是由19条交织在一起的钢丝组成的。锁定套筒固定在链杆通过挤压过程的结束和线材轧制过程,依靠锁定套筒和杆体之间的摩擦,这样它不会滑落和摧毁。杆的长度可以根据项目的需要确定。自从杆柔性材料制成的,灵活的螺栓穿过巷道的高度的限制,可以固定在深度和相对稳定的岩层。

4所示。确定由数值模拟设计的支持

4.1。数值模型建立

如图8,该模型有一个长度为700米,宽200米,高150米。它假定的撤退矿业141104年和141106年,进入开发和矿业14撤退1105年。本文采用莫尔-库仑准则。两边的水平位移和垂直运动是有限的,底部的压力边界上表面。9.1 MPa是用来模拟的上覆岩层自重和侧压力系数是1.2。道路单元的最小尺寸 。煤柱的宽度是6米。岩体的物理力学性质如表所示3。位移和应力测量站设置监控手术期间顶板变形。


图8
FLAC的草图3 d网的工作面141105年。
表3
岩石地层属性数值模型中使用。

数值分析是进行以下步骤:(1)实现和初始化原位应力场;(2)提取工作面141104年撤退的间隔20米采矿方向为每个周期,直到整个工作面开采;(3)提取工作面141106年,同样的过程;(4)挖掘headentry在罢工和应用支持计划(不支持的计划,原计划的支持,和TADL支持方案),分别;(5)一步解决方案,如果需要校准变形特性;(6)提取工作面141105年。

4.2。支持计划的模拟和决心

围岩的变形在不同煤柱宽度之间的比较原始的支持和thick-anchored双层锁定支持技术。

4.2.1。准备支持方案

图9表明最优支持方案TADL支持。五 灵活的螺栓被安排在每一行的屋顶,螺栓的间距和行 ;在每两行,灵活的螺栓与两个补充 和有线电视电缆,行间距 ;和四个 left-handed-threaded钢螺栓排列在侧壁的每一行,不同的螺栓间距和行间距为1000毫米。灵活的螺栓的预加载不小于200 kN,和电缆不小于300 kN。


图9
TADL支持计划。
4.2.2。仿真结果

图10显示了下的围岩垂直应力分布三个工程支护方案,即。,支持,支持,和TADL支持,headentry的141105年柱宽度为6米。可以看到,拉伸应力集中区域中存在不支持的屋顶,围岩垂直应力。 小于0.032 MPa。在这种情况下,大多数的围岩表面在拉伸应力集中区域(如图10(a))。周围的垂直应力 根据最初的支持方案和TADL支持0.11 MPa和0.16 MPa,分别。上述计算结果表明TADL支持可以赶走拉应力。考虑到煤的抗拉强度测量沉积地层远小于抗压强度,应用high-preload积极支持在巷道开挖后应力释放的初始阶段可以避免初始拉伸变形和顶板岩体的分离。


图10
比较的垂直压力下的巷道(a)支持,(b)最初支持计划,和(c) TADL支持计划。

图11展示了屋顶的垂直位移场和变形曲线的headentry 141105在三个支持计划。从图可以看出12不支持时,顶板岩体的位移计算37000步时仍然不收敛。当使用原始和TADL支持时,最大位移是0.058米和0.050米,分别。采用TADL支持后,巷道的顶板位移显著减少了超过16%。上述结果表明,TADL支持可以有效地控制围岩的变形。


图11
比较的垂直变形下的巷道(a)支持,(b)最初支持计划,和(c) TADL支持计划。

图12
模拟下的巷道变形曲线三个支持计划。0020年。

与支持和原始支持相比,TADL支持可以改善围岩应力场的支持和优化屋顶位移在一定程度上。因此,为了进一步验证TADL支持技术的headentry 141105年支持的支持方案如图9为进一步应用程序。

5。工程项目的验证

5测量沿工作面14点安排1105年开展现场监测巷道表面位移,如图13。(1)变形特性的分析车站1如图(14日)。掘进巷道空间后,屋顶塌陷发生严重变形阶段0 ~ 6 m的范围内(0 ~ 8 d)之间的速度8和9毫米/ d。在46 ~ 102 (9 ~ 17 d),变形速度的缓慢变形阶段发生在8 ~ 9毫米/ d。102 (18 d)开挖后,稳定变形阶段发生在0 ~ 1毫米/ d。这些三个阶段的沉降占39.3%,32.1%,和总数的28.6%。屋顶的最大沉降速度是12毫米/ d,和总沉降变形稳定后28毫米(2)变形特性的分析车站2如图14 (b)。掘进巷道空间后,屋顶塌陷严重变形阶段0 ~ 57 m的范围内(0 ~ 10 d),在这个阶段和变形速度是10毫米/ d。变形减缓在57 ~ 106 (11 ~ 18 d),而变形速度降低了约10毫米约2毫米/ d / d。106 (d) 19日开挖后进入稳定变形阶段,和变形速度保持在0 ~ 1毫米/ d。这些三个阶段的沉降占46.7%,26.7%,和总数的26.7%。屋顶的最大沉降速度11毫米/ d,和变形稳定后的总沉降量是15毫米(3)变形特性的分析车站3如图14 (c)。开挖后的巷道空间,屋顶塌陷0 ~ 34米的范围内(0 ~ 7 d)发生严重变形阶段速度大于10毫米/ d。34 ~ 60米的范围(8 ~ 11 d)经历了缓慢变形阶段,而速度降低了从10毫米/ d / d 2 ~ 4毫米。60米(12 d)开挖后,进入稳定变形阶段(0 ~ 1毫米/ d。这些三个阶段的沉降占70.1%,14.9%,和总数的14.9%。屋顶的最大下沉速度是12毫米/ d,和总下沉量变形稳定后67毫米(4)变形特性的分析车站4图所示14 (d)。开挖后的巷道空间,屋顶塌陷0 ~ 47米的范围内(0 ~ 8 d)在严重变形速度大于10毫米/ d;严重的沉降变形阶段占总沉降的67.5%。变形减缓在47 ~ 90 (9 - 15 d),而变形速度降低了从10毫米3 ~ 5毫米/ d / d;放缓的阶段的沉降变形占总沉降的22.5%。90 (16 d)开挖后进入稳定变形阶段,变形速度保持在0 ~ 1毫米/ d。屋顶的最大沉降速率是28 mm / d,和总沉降量在80毫米变形稳定后(5)变形特性的分析车站5如图14 (e)。开挖后的巷道空间,屋顶塌陷0 ~ 29 m的范围内(0 ~ 5 d)是在一个阶段的严重变形速度大于7毫米/ d。变形减缓在29 ~ 57 m (6 ~ 10 d),与7毫米的平均利率下降3 ~ 4毫米/ d / d。57 m (d) 11日开挖后进入稳定变形阶段,以变形速度维持在0 ~ 1毫米/ d。这些三个阶段的沉降占70%,16%,和总数的14%。屋顶的最大沉降速度是8毫米/ d,和变形稳定后的总沉降量是50毫米


图13
监测方案。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
图14
沉降监测结果的屋顶。

此外,曲线的波动是由测量过程中的误差引起的。在实践中,我们采用了传统的横截面位移监测的测量方法。测量精度受客观因素影响巷道风速等,工程条线的水平和垂直,水平和垂直的卷尺。

图1514 headentry的照片吗1105使用TADL支持说明支持的效果。从图可以看出,使用该技术后,屋顶煤体内有良好的成型效果,表面光滑,和支持成员没有不均匀变形。这表明围岩控制的最佳时间是巷道开挖的早期阶段。这个时候,TADL支持high-preload和层厚锚固技术应用于屋顶岩体处于弹性状态,可有效控制围岩的变形。

(一)
(一)
(b)
(b)
图15
真实的照片TADL支持下的屋顶。

6。结论

摘要thick-anchored双层锁定支持技术。gob-side入口小煤柱开采条件的选择对工程应用和验证。结论如下:(1)数值计算结果表明,TADL支持技术可以赶走拉应力,主要与high-preload和层厚锚固。巷道开挖后,high-preload力量积极支持应用于应力释放的初期,可以避免屋顶的拉伸变形和分离岩体在最初阶段(2)数值计算结果表明,与原支持方案相比,巷道的顶板位移显著减少超过16%后采用TADL支持技术(3)现场工业试验的结果表明,巷道开挖的初始阶段围岩稳定的最好时期。这个时候,TADL支持high-preload和层厚锚固技术应用于屋顶岩体处于弹性状态,可有效控制围岩的变形

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突,这个工作。

确认

本文的工作为基础研究基金资助中央大学(2019 qna23)。