研究对巷道围岩变形机理和控制大截面和特厚煤

文摘

为了解决安全问题的和快速的巷道开挖和支持大截面和特厚煤在复杂地质条件下巷道的变形机制和控制通过实地调查,分析了数值模拟、理论分析和现场实践,以山西煤矿的2203运输巷道为工程背景。结果显示如下:(1)的浓度正常的大跨度巷道顶板拉应力在中间和结束剪切应力是重要的,这很容易导致分离的屋顶和围岩的挤压变形;(2)巷道一侧的表面剪切破坏深度大,螺栓长度不够,密度小的保护方面,和支持力量不足容易导致膨胀和煤壁的分裂;(3)屋顶骨折关节和开发,和不同厚度的泥土带发生,所以它是容易的屋顶分离和锚固体减少沿弱面夹石层;(4)围岩的地质构造产生的水平运动,这很容易导致穷人支持巷道顶板和材料变形和破坏的影响。最后,一个安全的和经济的全面支持系统“高强度、高阻隔和high-prestressed锚索系统+高强度支持双方的巷道+ u型锚索桁架相结合”,提出了控制机制是解释和该领域的成功应用。

1。介绍

近年来,随着关键技术的持续改进大采高综采放顶煤开采过程在特厚煤层开采,矿山机电设备的快速发展(1,2),挖掘技术的特点是大型矿业的脸,特厚煤层,和快速推进速度已经逐步发展和推广,和大部分道路被应用。然而,由于复杂的地质结构,关节和裂缝发展,多层夹石层的发生和开采强度高,地面压力异常行为,和其他因素,巷道变形和破坏严重的(塌顶和分离),严重限制了矿井的安全高效生产。因此,为了解决技术问题,迫切需要找到一个安全、高效、快速的方式如何挖掘和支持在很大部分和在复杂地质条件下厚煤层。

国内外学者已经做了很多研究在大变形和破坏机理和控制部分和厚煤层巷道。通过分析围岩的应力变化和环境,高et al。3)确定应力集中的影响因素和地区范围在动压巷道在关键领域,并提出了加强支持和加快工作面推进速度,以减少采矿巷道动态压力的影响。楚et al。4]研究了大变形的机理和控制方法在特厚煤层巷道陆新矿区,提出一个综合支持系统强有力的支持表面和高韧性,以改善支持材料的延伸率和冲击韧性和增加支持的表面积和刚度组件为核心。杨et al。5]分析了大断面煤巷围岩运移定律厚复合顶板的煤层及螺栓电缆巷道顶板的应力条件并提出了加强技术螺栓和锚索的支持。Yu et al。6)优化巷道支架参数厚复合煤和提出了高强度结合支持长螺栓和电缆的方法。魏et al。7- - - - - -9]研究了屋顶不对称采空区侧煤巷道变形和破坏特征在很大部分完全机械化放顶煤开采过程,提出了支持对策与“非对称锚梁桁架”为核心。肖et al。10]分析了厚顶板煤巷道的破坏模式在深部开采条件下,结合高强度的支持系统和high-pretension螺栓与斜拉桥锚索梁和应用领域。的快速开挖巷道和支持技术,国内外学者主要是做一些研究改善采掘设备和优化辅机和比较典型的集成模式挖掘,螺栓,和运输11- - - - - -13]。上述研究成果对围岩变形奠定了一定的基础和控制的大型节煤在特厚煤层巷道。一般来说,研究结果主要是优化支持通过增加螺栓和电缆支持密度,改善支架材料的强度,增加锚杆的长度,或添加围岩控制系统结合围岩的变形和破坏特征。然而,很少有快速挖掘和报告支持了大采高综采放顶煤开采过程巷道在复杂地质条件下,它的特点是“分析围岩的破坏机理、优化围岩的控制结构,和减少对围岩的支持材料。”

本文以2203年山西的煤矿运输巷道为工程背景,结合独特的复杂地质条件,现有的隧道设备,和原来的支持方案在开挖的过程中,它显示了围岩变形的现象严重,大消费的支持材料,复杂的挖掘支持,等等,导致生产的不平衡。通过现场调查、数值模拟和理论分析,大型节巷道围岩破坏机理的特厚煤层进行了分析。科学、安全、经济的控制措施提出了实现围岩稳定控制和安全、高效的支持。研究结果为类似条件下的巷道开挖提供参考支持。

2。项目概述

2.1。工程地质的一般情况

山西煤矿的N8203工作面主要是煤炭开采3 - 5的埋深350米。有6层炭质泥岩和煤矸石与不同的厚度,和最大厚度约为0.5 m。煤层的平均厚度约16米,平均倾角3°,罢工工作面长度是1250米,和倾斜的长度是210米。煤柱的宽度相邻工作面临20米。骨折关节的煤异常发达,普氏系数是1.1。如图1,立即煤层顶板泥岩(1.8米),基本的屋顶是细砂岩(8.3米),立即地板中砂岩(2.1米),和基本层中细砂岩(5.8米)。2203运输巷道N8203工作面是一个长方形的大截面巷道,宽度为5.6米和3.7米的高度。具体支持方案如图2。

2.2。巷道的变形和破坏特征的原始方案的支持

支持方案图1,一些现象很容易发生在巷道的一些地区,包括w形钢带的失败从屋顶上摔下来,屋顶螺栓切割,煤柱侧肿胀和分裂。通过大量的野外观察和分析,发现巷道变形和破坏的主要特征是水平挤压错位变形,屋顶分离,煤内部挤压。这可以总结如下。

2.2.1。卧式挤压变形煤

高剪切应力的共同作用和水平压应力导致围岩的变形挤压错位,形成挤压断裂带。屋顶的暴力水平运动导致支护结构的失败,这是表现为w形钢带的弯曲变形和失败的屋顶(图3(一个))。

2.2.2。多层煤矸石的整体滑移和位错

有很多层不同厚度的煤矸石煤结构顶部。是很常见的煤矸石从上层脱落在开挖的过程中。然后很容易导致屋顶的整体滑动和错位,导致切割屋顶螺栓或屋顶坠落事故(图3 (b))。

2.2.3。煤柱侧胀分裂失败

隧道的双方分裂的特点和片状失败了很多次,和大面积的整体网袋煤柱一侧的膨胀,导致的严重变形金属网和螺栓的剪切边(图3 (c))。

2.3。巷道变形观测

为了澄清原支持方案的支持效果,巷道断面的形成后,接触收敛测量系统用于监测巷道表面位移、屋顶分离仪是用于监控屋顶分离,螺栓和电缆轴向力由螺栓液压监控枕头。

线调查安排在600米距离的巷道围岩的收敛性分析(图4)。在初始阶段,屋顶的收敛速度是双方的速度比,地板和屋顶的收敛速度和更高的一步后趋于稳定收敛,收敛和最大数量是295毫米;同时双方收敛速度的增加线性初始和中间阶段,趋向于稳定,落后于屋顶和地板,和最大收敛量是375毫米。

四个不同的测量分1、2、3和4排列在150米,450米,750米,1050米的道路监控屋顶分离。在图所示的统计数据5。巷道开挖后,层分离快速增加,趋于稳定后10天监测,分离范围是18毫米- 48.1毫米。屋顶的螺栓锚固力,双方由螺栓液压监控枕头。如图6的增长率,屋顶的锚固力螺栓是双方的速度比。的最大锚固力锚是65 kN,顶部和侧的最大锚固力锚是85 kN。

根据上述监测数据的分析,双方的围岩的变形巷道的大,变形速度快。同时,根据实地观察,当地有肿胀和分裂的现象,所以优化方案应加强双方的支持。确保巷道的整体稳定性的前提下,顶板锚索的布局应调整增加支持稳定和减少屋顶分离。

3所示。巷道的围岩稳定性的数值分析

根据2203年的实际地质条件运输巷道、FLAC^{3 d}建立数值计算模型,分析了不同煤厚度和巷道宽度对围岩稳定和应力状态的身体在最初的支持计划。采用位移边界上的左和右,正面和背面,和底部的表面模型,使用压力边界在上部,与加载压力是上覆地层的重量。模型的尺寸是长×宽×高= 50米×30 m×25 m。基于莫尔-库仑模型的本构关系。各岩层的材料参数的数值模拟力学实验测量的2203运输巷道顶部和地板,如表所示1。

3.1。前煤厚度和道路宽度的影响围岩稳定性

3.1.1。上煤厚度对巷道围岩变形与破坏的

仿真方案不同煤厚度4米,6米、8米、10米、12米、14米旨在研究影响围岩变形与破坏的不支持。

如图7,屋顶和两侧收敛的增加线性和单调的增加煤厚度。同时,屋顶的收敛速度快于双方,和顶级的厚度煤顶板沉降有很强的影响。

通过数值模拟,发现不同煤厚度产生更大的影响塑料屋顶的失败,但是他们几乎没有影响双方的巷道和地板上。有一个小范围的拉伸应力中间的道路边缘,并且它可以近似,只有失败的剪切破坏的深度3.5米发生在巷道表面的窗台。随着煤的厚度增加,屋顶的塑料故障范围的变化从一个形状一个“反向梯形拱的形状。”的原因是,当上煤的厚度很小,煤岩界面层容易被分离,未能形成一个拱门。中间的位置浅的部分大跨度屋顶容易拉伸断裂,顶部煤厚度的增加,剪切破坏逐渐发展到深的部分。

3.1.2。巷道宽度对围岩的稳定性

模型假定巷道高3.5米,顶部煤厚度是12米。四种不同巷道的宽度4.5米,5.5米,6.5米,7.5米是用来分析屋顶的垂直应力分布在中间不受支持的条件下。

通过分析垂直应力的变化在不同位置的屋顶在不同巷道跨度,从0 MPa的压力值逐渐增加,原岩应力。屋顶的垂直压力显示一个向下的趋势随着巷道的宽度增加。与巷道跨度的增加,损伤的程度和范围的围岩浅的部分屋顶变得更大。

3.2。围岩受力分析支持身体原始的支持计划

为了进一步理解原文的不合理布局支持计划,数值模拟原巷道支架的计划进行。锚索的压力分析了巷道的围岩为优化设计方案奠定基础。

3.2.1之上。分析力的螺栓

巷道挖掘后,最初的巷道表面位移变化速率相对较大。锚杆支护加固后,轴向力线性增加,相应的支持力量的增加。巷道的收敛度表面和螺栓轴向力的增长率下降的趋势。巷道的收敛表面类似于抛物线增长。巷道螺栓的轴向力分布(图8)。巷道的屋顶螺栓的轴向力小于巷道的两面,和螺栓的轴向力的肩膀,套接字是小。锚杆的轴向力在中间的两个帮派的两端,而单调减小,峰值位于右侧的中间道路,和它的价值是150 kN。屋顶的最大轴向力螺栓位于锚孔的位置,向深度而单调减小。根据螺栓轴向力的监测数据分析,最大值为78.5 kN,最小值只有33.5 kN。螺栓轴向力的峰值在巷道壁架位于浅层和中层螺栓的一部分。基于上述分析,优化方案应适当减少顶板锚杆支护密度,特别是密度在顶部角落的支持。与此同时,支持力量应加强两岸的道路,和较大的螺栓直径和长度应该选中。

3.2.2。锚索应力分析

如图9根据锚索的轴向力的分布在屋顶上的巷道,轴向力的峰值位于中间的锚索的屋顶,最大值为213.1 kN。一个锚索轴力的分布在一个“钟形,“峰值在中央监控分4和5,而深和浅监视点的最小轴向力。因此,全面考虑屋顶螺栓和锚索轴力的分布,巷道顶板锚电缆的布置应合理选择加强的支持强度锚电缆中间的巷道顶板沉降和减少屋顶。

通过现场调查和数值模拟,2203运输巷道围岩破坏机理进行了分析:(1)拉应力和剪应力的浓度出现在中间的大跨度巷道的屋顶。很容易导致屋顶分离和围岩挤压和错位变形。(2)双方的巷道的表面有一个大的剪切破坏深度,两边的螺栓的长度小于深度、失败和支持密度小,强度很低,很容易导致煤壁隆起分裂。(3)屋顶开发关节和裂缝,存在不同粗细的煤矸石,屋顶容易分离,和锚固体被切断沿弱煤矸石表面。(4)地质结构导致围岩的水平运动,导致可怜的支持效应和材料变形故障。

4所示。控制策略和技术

4.1。控制对策分析

根据围岩的破坏机理的分析,有必要优化和调整顶板锚索,屋顶角锚定螺栓,双方理性地脚螺栓为了实现巷道的稳定控制,大厚的部分煤炭,同时加上合理的支撑结构屋顶分离,屋顶塌陷,和水平运动。在此基础上,一个安全的和经济的全面支持系统“高强度、高阻隔和高效预应力锚索系统+高强度支持双方的巷道+ u型锚索桁架相结合”。(1)高强度、高和产量高效预应力锚索的支持系统:目前,巷道的整体变形大,屋顶是分离的,螺栓电缆失败。在会议的前提下支持电阻高,螺栓的强度和锚索应该增加。同时,支持系统允许某些变形、屈服函数的抵制的影响采矿和工作面附近的压力。20及其左撇子nonlongitudinal肋高强度(HRB500)和高阻螺栓22毫米×2400毫米被选为螺栓体,收益率压力管和拱高强度托盘与收益率压力35毫米的距离。鸟巢锚链直径为17.8 mm选择配合双泡沫产生压力管的压力点21 t∼25 t和高强度球盘。金属网采用冷拔钢筋直径为6.0毫米。(2)高强度的支持方面:上层锚杆支护系统采用螺栓。同时,两排螺栓上肩套接字的原计划安排在巷道。行之间的间距是改变从1200毫米×1000毫米到1000毫米×1000毫米,这增强了螺栓长度和密度,增加了支持,与此同时,高要求申请及时支持。螺栓的身体是一样的屋顶的支持。(3)u型锚索组合桁架:原始屋顶锚索“五方安排”布局变成“二二”布局行间距为1500毫米。一行是两个W型钢带,另一行是两端的W型钢带更换屋顶角锚棒(30°的角度垂直方向)交替的支持。w形钢带,4浅螺栓,2深锚电缆u型锚索组合桁架耦合支护形式。相结合的高强度、高阻隔和高效预应力浅螺栓和w形钢带形成一个稳定的轴承结构具有良好的完整性,有效地控制了煤破碎变形和表面应力集中现象,和达到的效果强烈保护表面,可以被定义为一级螺栓复合梁的支持系统。w型的屋顶角锚索钢带锚深的支持系统稳定的地方,和巨大的预加载锚索有效控制剪切应力集中现象的中间和结尾的屋顶和限制了水平滑动和煤矸石的弱面层之间的错位。表演在一定角稳定双方的深处,它阻碍了煤炭挤压错位变形在一定程度上。它可以防止拉失败的煤和保护松散煤岩体。考虑全面的支持范围,第一级复合梁支持系统可以被定义为一个“托盘”有一定的厚度和强度,高强度和高效预应力锚索在最后形成一个强烈的w型锁定结构轴承作用下钢带,它可以被定义为二级锚索支撑结构。两级支持结构协同作用形成u型锚索桁架系统(图相结合10)。

在最初的支持计划,单一锚索施加一个垂直向上的力通过点接触上岩石,和三维应力状态的围岩不能和径向支持范围是有限的,所以很难有效改善围岩的应力状态。u型锚索锚点的组合桁架是稳定的,在巷道的屋顶平面接触,形成一个封闭的承重结构与锚固体的变形,使锚固体的中性轴向下移动;锚固体是在更大范围的三维应力状态,和横向有效控制围岩的变形运动。

4.2。稳定性分析的煤地层的支持下u型锚索桁架相结合

巷道的顶板岩层是煤层平均厚度12米。形成的复合梁结构的一部分的锚杆支护在屋顶的下部煤层可近似视为与弹性薄板的身体。一个锚索提供的支持强度远远大于一个地脚螺栓。由于巷道跨度远小于轴向长度,可近似视为平面应变力学模型。根据力学分析,结合梁锚杆支护结构可以简化为简支梁模型”。“煤柱支持一端,另一端是由固体煤,和结束暂停两个锚锚定到深层稳定的地方,相当于增加了两个约束条件。图11显示了模型的“二次超静定梁”(14]。

如图11 (b),可以计算和分析对称semistructure B和C都随着负载的出生是相等的:

立法二次静不定方程

用方程(1)- (3)方程(4),可以获得以下方程: 在哪里 , ,和 ,分别代表单位力所产生的位移 , = 1,沿着行动方向和负载作用在行动点额外的未知力量 ,米;是额外的未知的力量,N;代表梁的抗弯刚度, ; 代表梁上的均布荷载;和代表支持间距:= 0.8米,= 4米。

根据结构力学中力法的解决方案,支持B和C的反应可以得到如下:

假设单锚电缆和垂直方向之间的夹角的u型锚索桁架相结合α力,然后沿着方向的单一锚索桁架

为了避免大型屋顶分离和不稳定和塌陷事故,单一的最小支持力锚索沿轴向方向每米的巷道如下: 在哪里γ代表潜在的平均单位重量下降岩石,kN / m³,13 kN / m³;和h是潜在的下降高度,米。

支持计划,锚索的直径是17.8毫米,锚索可以提供的最大支持力达到463 kN。优化后的方案,结合u型锚索桁架的行间距是2米,所以单一的控制范围锚索轴向方向的道路是2 m,并提供每米231.5 kN的支持力量。潜在的下降高度由数值模拟计算,和最大值约为6米。根据公式(8),提供所需的最小支持力量由一个锚索在每米沿着轴向方向的道路是202.8 kN,小于一个锚索提供的支持力量在每米沿着轴向方向的道路231.5 kN。因此,u型锚索桁架可以控制顶板岩石的稳定性。

5。优化方案和现场测量的支持

5.1。优化设计方案的支持

根据上面的分析,考虑到经济和建设成本,优化方案(图122205运输巷道)实现下一个工作面。

5.2。优化技术的支持

为了实现大型节煤巷道的快速支持,支持是分为两次通过让压力把技术支持。第一次,w型屋顶钢带锚杆,锚索,两个上螺栓安装在双方的每一行。第二个支持采用20米的位置滞后标题的脸,和w型之间的锚链钢带和两个螺栓下部的双方安装。第一个支持是及时的支持以及巷道,有效控制顶板分离。屋顶压力释放后,锚索和锚杆结束第二次加固。它不仅可以有效地控制围岩的稳定性的屋顶也实现并行操作,加快巷道开挖。

现场试验表明,优化的支持方案和施工技术能有效解决问题的巷道围岩破坏和缓慢的支持。优化后,计划与原计划相比。巷道的两个屋顶角螺栓部分转移到双方的安装。在这个过程中,支持保存时间大约210分钟/ 100。锚索安装在钢带孔螺栓,而是4螺栓和2群锚保存在每6行,和262.8每100分钟保存在支持。同时,multiprocedure并行操作更有利于挖掘和支持平衡的实现。原2203运输巷道平均每月201的镜头,而优化方案平均每月321的镜头,增加了近60%。

5.3。现场测量分析

为了验证新方案的支持作用,垂直孔是由开放的方向每隔80米2205运输巷道,巷道之间,总共3孔排列。每个洞都配备两套屋顶分离工具。深基础点排列在7米的屋顶,和浅基础点排列在2.5从屋顶。

如图13,离解的最大数量的顶板# 1,# 2,# 3测量站是1毫米,2毫米,分别和3毫米。通过分析围岩的膨胀不稳定,可以考虑,屋顶没有分离的现象。根据地面位移观测,相对位移的屋顶,地板,双方是在可控的范围内,这表明螺栓和有线电视的支持力量是合理的,并有效控制围岩变形与破坏的。

6。结论

(1)现场调查和数值仿真结果表明,明显的应力集中,参数不合理的支持,支撑结构,复杂的地质条件是失败的主要原因和围岩变形。(2)安全、经济综合支持系统”高强度、高阻隔和高效预应力锚索系统+高强度支持双方的巷道+ u形锚索桁架相结合”。合理的支撑结构添加屋顶分离,屋顶塌陷,水平运动。(3)新的支持系统有效地控制围岩的破坏和变形,提高了挖掘效率的支持。现场测量结果表明,优化方案的平均镜头321每个月,和巷道率增加了60%。

数据可用性

使用的数据来支持这项研究的结果包括在纸上。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者欣然承认金融支持的重点研发项目大同城市,山西省(2019025)和中国山西自然基金会的项目(201901 d111305)。

引用

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