国投新集能源新集一矿1.5Mta新井设计【含CAD图纸+文档】
国投新集能源新集一矿1.5Mta新井设计【含CAD图纸+文档】,含CAD图纸+文档,国投新集,能源,新集一矿,mta,设计,cad,图纸,文档
专题部分锚网支护巷道掘进围岩顶板离层机理及控制技术摘要:锚网支护巷道掘进围岩控制一直都是矿井开采的难题,该类型的巷道围岩变形量大且容易发生冒顶事故,严重影响矿井安全生产。本文在总结分析巷道围岩顶板离层机理及控制技术国内外研究现状的基础上,对复合顶板巷道围岩变形破坏特征和支护机理进行分析研究,结果表明,在复合顶板支护中单纯采用锚杆支护难以保证巷道围岩的稳定性,需在锚杆支护的基础上采取锚网索补强措施,利用锚网索的高预紧力和高破断力制约复合顶板的离层破坏。关键词:锚杆支护;稳定性;离层破坏 The anchor net supporting roadway roof separation mechanism and control technology of surrounding rockABSTRACT: The bolt support compound roof coal roadway surrounding rock control is always one of the difficulties in coal mining. The surrounding rock deformation and prone to collapse accident seriously affect the normal production of mine. This paper uses the combined method of theoretical analysis and fieldtest. The concept of composite roof is more difficoult to support . Failure characteristics and mechanism were analyzed. Results show that the deformation of surrounding rock of roadway in compound roof. compound roof support with bolt support is difficult to support the stability of roadway surrounding rock, the anchor bolt support by anchor cable reinforcement measures. Using high-cable force and high breaking capacity constraints the compound roof separation failure.Key word:bolt support;stability;roof separation failure1绪论1.1问题的提出在煤矿井巷中,回采巷道的长度占矿井巷道总长度的以上。矿井开拓巷道可布置在较稳定的岩层内,而回采巷道要受到因煤层开采形成的应力集中的影响,因而回采巷道顶板离层机理研究及支护方式的选择非常重要。在我国随着矿井开采深度的增加,工作面回采机械化程度提高,要求回采巷道断面积加大,因而使矿压显现更加剧烈,回采巷道的支护问题在煤矿生产中越来越突出。在很多矿井中,由于巷道断面缩小,严重影响工作面运输、通风,常常形成“爬行巷道”,从而威胁井下的安全生产,使得工作面机械生产能力不能充分发挥。而且回采巷道的多次返修还是造成煤炭企业亏损、采掘接替紧张的主要原因之一。锚杆支护巷道顶板离层及围岩破坏失稳一般没有明显的预兆,一旦发生冒顶,往往具有突发性,且多数情况下垮落规模比较大,因而危害性更大。已有的研究成果和工程经验表明,离层是煤巷顶板破坏失稳的基本特征或直接原因.因此,如果能及时准确地掌握煤巷锚杆支护的顶板离层情况,就可以在冒顶发生之前及早做出预报,避免顶板事故发生,保证煤巷锚杆支护技术健康发展。1.2 锚网索巷道顶板离层国内外研究现状1.2.1 巷道顶板离层机理研究现状1)岩石的破坏主要分为两类:即张拉和剪切破坏。当垂直方向上的拉应力大于岩层某一层面的抗拉强度时,该层面将发生离层,这类情况大多数发生在两种岩层的交界面处。在地下工程中大多数岩石冒落都是由于岩体内部结构缺陷而产生离层造成的。对组合梁,当下沉弯曲时,层面上将产生剪应力随着离层的增加。下部岩层由于弯曲,在横截面上产生的拉应力随之增加,当大于岩石的抗拉强度时,巷道顶板开始破坏。2)另一种导致巷道顶板离层产生的原因,是由于不同层的顶板在发生弯曲变形的时候,产生的挠度不一致,因而会造成顶板发生离层现象。在理想的层状复合顶板情况下,离层由巷道顶板表面的岩层,逐渐向顶板深部的岩层发展。3)在高水平应力情况下,水平应力是垂直应力的23倍,最高可达59倍,是影响巷道稳定性的重要因素之一对软弱层状巷道顶板。不同水平应力对顶板的破坏范围和方式有着明显的影响。在相对理想的状态下,数值模拟结果表明:当侧压系数小于1.8时。顶板岩层整体下沉,并形成自然平衡拱,因此不容易发生离层。当侧压系数大于1.8时,顶板下部岩层向下移动,上部岩层隆起,容易产生离层1.2.2巷道顶板离层控制技术研究现状美国、澳大利亚、加拿大等国由于煤层埋藏条件好,加之锚杆支护技术不断发展和日益成熟,因而锚杆支护使用很普遍,在煤矿巷道的支护比重中几乎达到了。澳大利亚锚杆支护技术已经形成比较完整的体系,处于国际领先水平。澳大利亚的煤矿巷道几乎全部采用型钢带树脂全长锚固组合锚杆支护技术,尽管其巷道断面比较大,但支护效果非常好。对于复合顶板、破碎顶板及其巷道交叉点、大断面酮室等难维护的地方,采用锚索注浆进行补强加固,控制了围岩的强烈变形。美国一直采用锚杆支护巷道,锚杆消耗量很大。锚杆种类也较多,有胀壳式、树脂式、复合锚杆等。组合件有钢带和析架。具体应用时,根据岩层条件选择不同的支护方式和参数。锚杆支护发展最快的是英国。在年以前,英国煤矿巷道支护以上采用金属支架,而且主要是矿工钢拱型刚性支架。由于回采工作面单产低、效率低、巷道支护成本高,因而亏损严重。为了摆脱煤炭行业的这种困境,在巷道支护方面积极发展锚杆支护,到年,英国从澳大利亚引进了成套的锚杆支护技术,从而扭转了过去的被动局面,煤巷锚杆支护得到迅速发展,经过近年实验的基础上,又做了改进和提高,到年在巷道支护中所占的比重己达到以上。锚杆支护技术的广泛采用给英国煤矿带来巨大的活力和经济效益。德国是型钢支架使用最早、技术上最为成熟的国家,自年发明型钢支架以来,型钢支架发展迅速,支护比重很快达到了以上,从井底车场一直到回采工作面两巷均采用型钢可缩性支架。但是自世纪年代以来,随着矿井开采深度日益增加,维护日益困难。面临这种困难,德国采用不断增加金属支架的型钢质量,逐步减小棚距的做法,这不仅使巷道支护费用增高,而且施工,运输更加困难和复杂。即便如此,巷道维护困难的状况仍然难以改观,于是寻求成本低、运输和施工简单方便、控制围岩变形效果好的锚杆支护变得尤为重要。到世纪年代初期,锚杆支护在鲁尔矿区实验成功后获得推广,现己应用到km的深井巷道中,取得了许多有益的经验。我国在煤矿岩巷中使用锚杆支护也已有近余年的历史。从年起在煤矿岩巷中使用锚杆支护,世纪年代锚杆支护开始进入采区,但由于煤层巷道围岩松软,受采动影响后围岩变形量很大,对支护技术要求很高,加之锚杆支护理论、设计方法,锚杆材料、施工机具、检测手段等还不够完善,因而发展缓慢。“八五”期间,原煤炭工业部把煤巷锚杆支护技术作为重点项目进行攻关,在“九五”期间,原煤炭工业部将“锚杆支护”列为煤炭工业科技发展的五个项目之一,对锚杆支护的可行性和适用性进行了深入细致的研究,取得了一大批水平较高的科研成果。特别是1995-1996年我国引进了澳大利亚锚杆支护技术,在邢台矿务局进行了现场演示,并完成了与锚杆支护技术有关的个项目,使我国的煤巷锚杆支护技术有较大提高。同时,困难条件下锚杆一锚索支护技术得到了应用,并取得令人满意的支护效果和经济效益。1995年,我国国有重点煤矿当年新掘巷道中锚杆支护所占比重为28.19,其中岩巷中占57.2,半煤岩巷占27.65,煤巷占15.15。到1998年,煤巷锚杆支护比重提高到20,14了,半煤岩巷中则提高到了29.74。时至今日,人们不仅成功地在稳定和中等稳定以上的岩巷中使用锚杆,而且在软岩巷道、以及受采动影响的煤巷中也成功地使用了锚杆支护技术。一批技术先进的国有重点矿区的煤巷锚杆支护率在逐年稳步提高。由于对巷道围岩强度的强化作用,可显著提高围岩的稳定性,并且有许多优点支护成本较低、成巷速度快、劳动强度减轻、提高巷道断面的利用率、简化回采面端头维护工艺、明显改善作业环境和安全生产条件等。可显著提高矿井的经济效益,因而成为矿井巷道的一种主要支护形式,也代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向。锚杆支护可大幅度的降低巷道支护维修费用,提高巷道掘进速度和生产效率在巷道跨度增大时,即在大断面巷道的情况下,单纯用锚杆对巷道进行支护可能会引起巷道顶板在一定高度范围内整体垮落,在这种情况下可以进行“锚杆十锚索”联合支护,可将整个潜在冒落范围内的岩层悬吊在较稳定的岩层中,从而使得该巷道顶板处于稳定状态。1.2.3存在的问题近年来,锚杆技术在我国煤矿已经得到了快速发展,特别是锚喷、锚网喷、锚梁网和锚网索等联合支护己广泛应用在深井软岩巷道,并取得了许多宝贵的实践经验和科技成果。我国对跨采卸压、掘前预采和开卸压槽等卸压也取得了阶段性成果。但在巷道顶板离层及支护控制方面仍然存在以下问题:(1)相当一批巷道的支护形式与围岩的变形特性不相适应,巷道支护的参数选择不合理。这就造成巷道支架折损失效严重,维护困难,严重影响着煤矿的生产和安全。(2)巷道支护用的装备和机具不配套。与支护材料,新型支架形式相比,支架安装、加工、维修技术的发展还不配套。有些机具虽已生产,但质量不过关,影响巷道支护的质量和速度,如型钢支架的加工、回收设备,锚杆钻机等。(3)与新材料、新工艺和新设备配套的技术措施,规程、规范等基础工作没有跟上,严重影响新技术、新工艺的推广使用和技术效果。1.3 研究内容及意义1.3.1 研究内容本论文拟在广泛收集资料及大量调研的基础上,对以下几个方面的内容进行系统地研究:(1)回采巷道顶板离层机理分析。(2)顶板离层临界值的确定方法。(3)回采巷道顶板控制理论及支护参数的优化。1.3.2 研究意义主要针对受动压影响巷道顶板离层的研究,分析了影响顶板离层的因素,进行锚杆参数的优化,从而确定巷道的支护方法及参数,有效地控制顶板离层。对于减少巷道维护工作量,提高矿井的技术经济效益、改善矿井巷道安全生产环境具有重要的现实意义。2 离层机理及影响因素分析2.1 顶板离层的概念及离层类型2.1.1 顶板离层的概念(1)广义的顶板离层顶板离层系指巷道顶板岩层中一点与其上方一定深度岩层中某点的相对位移量,可称其为广义顶板离层。可以看出,广义顶板离层与“顶板离层”的字面含义是不同的,“顶板离层”字面理解为顶板岩层中各分层层面间的相对分离,可称其为狭义顶板离层。广义顶板离层有着更广阔的内含,除包括狭义的“顶板离层”外,还包含顶板岩层弹塑性变形、扩容变形、碎胀变形、折曲变形等。(2)狭义的顶板离层煤系地层呈明显地层状分布,并且多受节理裂隙切割,这在煤系地层的沉积和地质变动过程中即已形成。各分层及节理裂隙胶结程度低,力学性能差,是天然的力学弱面。巷道变形失稳首先从这些弱面开始,微观表面为弱面间的滑动和张开,宏观上就表现为围岩的收敛位移。特别对于顶板岩层,当弱面张开后,各层之间失去了力学联系,由于岩层自重和水平力的挤压作用,离层有进一步扩大的趋势。狭义顶板离层在广义离层中占有很大的比重,这在实际观测中得到了证实。2.1.2 顶板离层的几种形式1)由围岩弹塑性变形引起的顶板离层井下巷道由于受到原始应力的作用,开掘前处于弹性压缩状态,开挖后原始应力平衡遭到破坏,一部分弹性能得以释放,围岩就会产生向巷道内移进的弹性变形。 受二向等压作用的圆形巷道,半径r处围岩位移量的大小为U= H (1+ ) Er0r,式中,为上覆岩层的平均容重; H为埋藏深度;为泊松比; E为弹性模量; r0为巷道半径。当巷道围岩中的应力超过其屈服强度时,围岩就会进入塑性变形状态,塑性位移的大小为Up=sin(H+ Ctan)Rp2Gr,式中, C为围岩凝聚力;为围岩内摩擦角; G为围岩剪切模量; Rp为塑性区半径,即Rp= r0H+ Ctan(1- sin) Ctan1- sin2sin.巷道的弹塑性位移主要取决于原岩应力和围岩的力学特征,一定的围岩条件下,应力增加(H增加),弹塑性变形和塑性区半径都有不同程度的增加。2)岩层扩容引起的顶板离层扩容是指岩层在剪切应力的作用下体积膨胀的现象.最初由雷诺兹(Reynolels) 1885年用砂进行试验提出的,称之为“剪胀”。试验研究表明,岩石的扩容与其所受应力偏量关系很大,顶板岩层的应力偏量达到一定极限,就会发生扩容现象,直观表现为顶板离层。应力偏量与岩石扩容的关系如图1-1所示。当应力偏量超过一定极限时,岩石就发生扩容现象.应力偏量继续增加,则扩容也随之加大.当岩石发生破坏之后,应力虽然降低,但体积变形一直在增大,直至残余强度。2.2 影响顶板离层的主要因素(1)地应力地应力是引起巷道围岩变形和破坏的根本原因.随着应力的增加,围岩的弹性位移U、塑性位移UP、扩容位移UD都呈增长的趋势。(2)围岩力学性质围岩力学特性对巷道稳定性有重要影响.表征围岩力学特性的物理量主要有:围岩强度、弹性模量E、剪切模量G、内摩擦角、凝聚力C等.围岩的力学参数越高,巷道的变形越小,巷道越稳定。在煤矿生产实践中,容易测取,应用比较广泛的是围岩的单轴抗压强度。经验表明,顶、底板移近率随围岩强度的增加而降低。当强度低于某一值(如30 MPa)时,移近率随强度的降低而急剧增加;当强度大于某一值(如50 MPa)时,顶、底板移近率随强度的变化就不明显了。围岩结构。煤层巷道围岩一般呈层状分布,并且不同程度地受节理、裂隙的切割。巷道顶板岩层各分层的岩性、厚度及节理裂隙发育程度对顶板的稳定影响极大。在巷道顶板岩性一定的情况下,分层厚度、节理裂隙间距越大,巷道顶板稳定性越好,那么顶板离层值就越小。(3)锚杆支护参数在一定的围岩条件下,锚杆的密度、直径、长度、锚固长度增加,顶板下沉量都有不同程度的减小。在设计中要综合考虑支护成本和支护效果,最大程度地满足技术和经济双方面的要求。(4)巷道断面巷道断面的大小和形状也对巷道的稳定有重要影响.巷道断面尺寸愈大,愈不利于巷道的稳定。在各种形状的断面中,椭圆形巷道最稳定,拱形次之,矩形巷道容易在周边产生高集中应力和拉应力,稳定性最差。在一定的地应力条件下,巷道高宽比不同会在围岩中产生不同的附加应力,对巷道的稳定性产生影响。对于椭圆形巷道,当巷道的轴比(宽度b与高度a的比值)与侧压关系(水平应力与垂直应力的比值)相等,即b/ a=时,巷道最稳定;当b/ a时,对巷道稳定不利;当b/ a时,也不利于巷道的稳定。(5)护巷煤柱尺寸护巷煤柱的尺寸决定了相邻采空区残余支承压力的影响程度,是影响顶板离层的重要因素。沿空掘巷时巷道围岩移近率较小,随着巷道一侧护巷煤柱的加大,围岩移近率急剧增加,并达到一个峰值(煤柱宽度约5 15 m),过峰值后随着护巷煤柱的加大,围岩移近率急剧下降.当达到某一宽度以后,虽然煤柱宽度增加,但围岩移近率减少不多,基本为稳定状态,相当于在实体煤中维护的巷道。3 巷道离层控制技术3.1 锚杆支护控制顶板离层的机理锚杆支护理论是科学的进行锚杆支护设计的基础,悬吊理论、组合梁理论和组合拱理论是巷道支护设计中最为经典的理论,得到了广泛的应用,也为大家所广泛传播。近年来,又提出了最大水平应力理论、围岩强化理论等指导支护技术。 1)悬吊理论悬吊理论是最早的锚杆支护理论,其特点是直观、易懂、使用方便,认为锚杆支护的作用是将巷道顶板软弱岩层悬吊在上部稳定的岩层上,特别是在顶板上部有稳定的岩层,而其下部存在松软的破碎岩层的条件下应用比较广泛。悬吊理论的实质是关于把巷道周边的可能松脱和破坏的软弱岩石通过一端锚固在深部坚硬的岩石里面的锚杆悬吊住的理论。如2-1所示图1 悬吊理论示意图2)组合梁理论理论。该理论认为,当煤层顶板为层状结构时,锚杆将锚固范围内的岩层挤紧,增加各岩组合梁理论是关于通过锚杆把数层薄岩层夹持成一体形成具有更高承载能力的厚岩梁层间的摩擦力,防止岩层沿层面间的滑动,避免离层现象,提高将自承能力。另外,杆体增加抗剪能力,阻止岩层间的水平移动,从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层,这种组合厚岩层在上部岩层荷载的作用下,其最大弯曲应变和应力都将大大减小。如图2-2所示。图2 组合梁理论示意图3)组合拱理论组合拱理论认为,在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时,在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力,如果岩巷道周边布置的锚杆间距足够小,各个锚杆压应力椎体相互交错,这样将形成一种连续的压缩带。关键在于获取了较大的承载拱厚度和较高的强度,其厚度越大,越有利于围岩的稳定和支承能力的提高。如图2-3所示。图3 组合拱理论示意图4)最大水平应力理论该理论认为,矿井岩层的水平应力一般是垂直应力的1.3-2.0倍。而且水平应力具有方向性,最大水平应力一般为最小水平应力的1.5-2.5倍。航道顶板的稳定性主要受水平应力的影响,且有三个特点:(1)与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小,顶板稳定最好;(2)与最大水平应力呈锐角相交的巷道,其顶板变形破坏偏向某一帮;(3)与最大水平应力垂直的巷道,顶板稳定性最差。如图2-4所示。图4 最大水平应力示意图5)围岩强化作用机理该理论的要点是:(1)巷道锚杆支护实质是锚杆与锚固区域的岩体相互作用而形成的锚固体,形成统一的承载结构;(2)系统布置锚杆提高了锚固体的力学参数,改善锚固体的力学性质;(3)锚固体的峰值强度和残余强度都能得到强化。该理论的分析方法是将锚杆的作用简化为对锚杆围岩从锚杆的两端施加径向的约束力,由实验室锚固块体试验确定塑性应变软化本构关系,再利用弹塑性理论定量分析锚杆的支护效果3.2 巷道掘进顶板离层控制难度巷道掘进过程中,由于回采巷道位置选择空间小,受采动压力影响大,因此,在“三类”巷道中,回采巷道移动变形最严重,甚至出现破坏,严重影响采场生产。回采巷道位置放置于压力降低区内,实行无煤柱开采是使回采巷道处于良好维护状态的最根本性的措施。巷道掘进顶板离层控制,应选择主动支护的支护体系,充分利用围岩的自身强度、自支撑能力。锚网喷、锚网喷架、锚网索喷等锚杆联合支护体系,都是有效的控制顶板离层的支护方式。锚索由于支护方式简单、施工灵活,可以配合各种支护体系使用,可根据实际需要确定其长度,使其锚入到深部比较坚固稳定的岩层中,并能施加相当大的预应力。这种支护方式在一些煤矿深部回采巷道支护中发挥了有效的作用,值得推广。但应高度重视锚索支护参数的选择和施工工艺,否则很难达到要求的支护效果。4 结论(1)分析了巷道顶板离层机理及控制技术的国内外研究现状,分析了顶板离层机理及影响因素。(2)分析得出顶板离层可以分为两种类型,分别为岩层扩容引起的顶板离层和由围岩弹塑性变形引起的顶板离层。(3)巷道顶板离层控制技术应当充分考虑围岩条件和技术现状,单纯的锚杆支护往往无法满足支护要求,而联合支护是以两种以上的支护方式有机的结合起来的一种支护结构,能显著提高结构的整体承载能力和抗变形能力,从而对控制巷道顶板离层具有显著的效果。参考文献:1袁和生.煤矿巷道锚杆支护技术M北京.煤炭工业出版社,1997.2何满潮.世纪之交软岩工程技术现状与展望J.煤炭工业出版社,1999,5,.3陈炎光,陆士良.中国煤矿巷道围岩控制M.徐州:中国矿业大学出版社,1994.4谢飞鸿,孙伟,刘京学.层状复介顶板巷道稳定性分析J.兰州交通大学学报,2009.5林崇德.层状岩石顶板破坏机理数值模拟过程分析J.岩石力学与工程学报,1999.6皓进海,张耀荣,李萍.巷道支护形式优化研究J.矿山压力与顶板管理,1999.7古全忠,王泽进.锚杆支护巷道顶板离层位态监测准则J.煤矿开采, 1997(增刊): 49 53.8鞠文君,王泽进.测力锚杆研制与应用技术J.煤矿开采, 1997(增刊): 18 22.9 鞠文君.全长锚固锚杆工况监测方法J.煤炭科学技术, 1998, 26(6): 15 18.10夏孝够.深井回巷道围岩规形机理景支技索研究D.硕士论文.安徽理工大学,2006
收藏