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唐安煤矿回采巷道锚杆支护参数优化研究
放大字体  缩小字体 发布日期:2015-09-14  来源:科技创新  作者:李晓明  浏览次数:621
   1唐安煤矿巷道围岩地质力学测试
 
  根据有关锚杆支护的理论研究成果及锚杆参数设计方法,在唐 安矿布置了 4个测站,测定了岩层和3#煤层的强度,测试结果如下 表:
 
 

岩性

强度(MPa)

岩性描述

砂岩

64.2

层理发育,局部夹有泥岩,有纵向裂隙

泥质页岩

48.6

岩芯破碎,岩石较硬性脆

3#煤层

23. 13

煤层厚度稳定,性脆,内生裂隙发育, 煤层底上1. 15-1. 50m含1-4层夹矸

 
 
  煤帮煤层强度测试结果为:煤体强度最大为30.8Mpa,最小为 6.8Mpa。强度处于10-15之间。地应力测试结果见下表:
 

埋深

(m)

垂直应力 (MPa)

最大水平 主应力

最小水平

主应力

岩石抗

张强度

最大水平主 应力方向

448

11.87

12.91

6.48

11.27

N86° 1' E

2

366

9. 70

13. 15

6.41

1.73

N97°  35' E

3

240

6. 36

10. 60

5. 52

2. 06

N32°  34'  E

4

279

7. 39

13. 84

6. 35

6. 34

N94°  11' E

  
  地应力测量结果表明,唐安矿最大水平主应力在12.91- 13.84Mpa之间,方向为N86°1'E-97°35'E。但最大主应力方向由于受 局部地质构造的影响,表现出一定的离散性,与实际构造比较一致。 上述现场实测数据为锚杆支护设计及优化的技术基础。
 
  2唐安煤矿围岩松动圈超声波探测
 
  在3406工作面运输巷采用ZBL-U510非金属检测仪,每隔5m 布置一对钻孔,孔深5m,通过探测,超前工作面支承压力影响范围 内,围岩松动的范围一般在1.7m左右。这为锚杆长度的确定奠定了 基础。
 
  3唐安煤矿锚杆支护参数优化的数值模拟研究
 
  根据模拟对象的特点,选用三维有限差分软件FLAC3D进行数 值模拟。
 
  数值计算模型:
 
  3.1模拟原型条件
 
  巷道宽度5m、高度3.5m,断面积17.5m2。巷道两帮为煤层,单轴 抗压强度15Mpa,顶板为泥岩,单轴抗压强度35-40Mpa。
 
  巷道采用锚杆与锚索支护。顶板锚杆直径22mm,长度2.4m,屈 服载荷235kN,破断载荷310kN,树脂加长锚固,锚杆间排距lmx lm。销索直径18mm,长度7.3m,破断载荷350kN,树脂加长锚固。每 排2根锚索,排距为3m。两帮锚杆直径22mm,长度2.0m,树脂加长 锚固,排距Ira,每排3根锚杆,间距为1.2m。
 
  3.2模拟方案
 
  ①锚杆预应力的影响:将锚杆预应力分别设为20kN、40kN、 60kN、80kN、100kN、120kN、140kN、160kN、180kN、200kN、220KN 进行 计算。
 
  &锚杆长度的影响:将锚杆预应力设为60kN,模拟锚杆长度分 别为 1.6m、1.8m、2.0m、2.2m、2.4m、2.6m、2.8m、3.0m 的应力分布。
 
  ③锚杆间距的影响:将锚杆预应力设为60kN,模拟每排锚杆数 为1-8根的应力分布。
 
  ④锚杆锚固方式的影响:将锚杆预应力设为60kN,模拟锚杆为 端部铺固、加长锚固与全长锚固的应力分布。
 
  ⑤销杆角度的影响:将锚杆预应力设为60kN,模拟顶板角锚杆 与垂线的角度为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、45°的应力分布。
 
  ⑥锚索预应力的影响,将锚索预应力分别设为50kN、100 kN、 150 kN、200 kN、250 kN、300 kN 进行计算。
 
  ⑦描杆与锚索联合支护的应力场分布。
 
  3.3数值模拟结果及分析
 
  ①通过模拟不同情况下的预应力分布与分析
 
  在高预应力条件下,锚杆支护应力场得应力值大,形成的压应 力区范围广,有效压力区几乎覆盖了整个巷道顶板,形成有机整体, 锚杆的主动支护作用得到充分发挥。
 
  ②锚杆间距对锚杆支护预应力的影响
 
  在预应力一定的条件下,锚杆越长,锚杆预应力的作用越不明 显,主动支护性越差。因此,锚杆越长,施加的预应力越大。
 
  ③锚杆锚固方式对支护应力场的影响
 
  在只考虑锚杆预应力的条件下,全长锚固与加长锚固的效果均 比端部锚固差,提高全长锚固与加长锚固描杆预应力扩散效果的有 效途径是实现先施加预应力,锚固剂后固化,类似于预应力钢筋混 凝土的结构。
 
  ④锚杆角度对锚杆支护预应力场的影响
 
  在近水平煤层的巷道中,顶板角锚杆最好垂直布置,如考虑施 工需要一定角度,最大角度不应超过10°。
 
  ⑤铺杆与锚索联合支护的预应力场分析
 
  在锚杆和锚索之间,有效压应力区相互连接、重叠,形成以锚索 为骨架、锚杆为连续带的网状结构,对锚杆、锚索之间围岩的主动支 护作用非常明显。
 
  4总结
 
  4.1锚杆支护的作用主要是控制巷道浅部围岩的松动、变形。
 
  4.2巷道围岩的松动范围一般在1.7m左右,较原始的应力区的 0.9-lm有了显著增加。
 
  4.3唐安煤矿煤体虽然强度较高,f=3左右,但具有脆性、破碎、 易风化的特点。采用高预应力、强力锚杆支护后,给围岩施加较大的 压应力,并扩散到整个掘进工作面围岩,大大减少了掘进期间冒顶 与片帮现象。巷道支护后,锚杆预应力有效抑制了顶煤中节理裂隙 的扩展与新裂纹的产生,显著减小了风化层厚度。在试验巷道中,没 有出现风化片落、坠包等现象,顶煤比较完整、稳定。
 
  4.4采用高预应力、强力锚杆支护系统,与原锚杆支护相比,大 幅度减小了巷道围岩变形与破坏,顶板下沉量不到原来的1/3,两帮 移近量减小了 30%以上。试验巷道中锚杆受力调整幅度不大,且受 力呈逐渐增大的趋势,稳定后基本没有大的变化,使巷道处于一种 更有利的应力状态。
 
  4.5高预应力、强力描杆与锚索支护是比较适合唐安矿回采巷 道的支护形式。

 
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