论文部分内容阅读
随着国家对煤矿企业的规划和煤炭资源产业的整合,单个煤矿的产能出现了大幅的提升,而且随着“一井一面”的逐步推进,矿井的现代化水平逐步提高。为了满足现代化特大型矿井高产高效的要求,工作面装备大型化的发展趋势越发明显,大断面区段巷道跨度和断面增加成为大型集约化矿井发展的必然选择,具体来讲,巷道跨度由原来的3.5m扩展到现在的6m左右,高度则由原来的2.5m增大到4m以上;而相应的工作面开切眼巷道的断面也在不断增大,开切眼的跨度由5.5m逐渐增加到8.0~10.0m。王家岭煤业公司矿井设计年产量五百万吨,18101综放面开切眼设计净宽度达9.5m,针对其在使用和维护过程中可能存在的控制难题,本文采用现场调研、力学建模、理论计算、计算机数值模拟、现场施工试验与实测方法,提出了采用复合锚索桁架主动控制的原理与相应技术,主要研究内容如下:探究特大断面开切眼的变形破坏特征并建立力学模型分析开切眼顶板煤梁弯曲变形破坏的弹性、塑性和极限阶段,得出保持顶板自稳的最小煤梁厚度及缩小煤梁厚度的办法;详细分析了锚索桁架布置的几种方法,提出复合锚索桁架主动控制原理、布置方式及优越性,重点在考虑锚索预紧力衰减条件下分析了特大断面巷道岩梁内中性轴的下移规律;详细计算优化了复合锚索控制技术的锚索角度、锚索长度、搭接宽度、桁架跨度等关键控制参数,得出适应于现场的详细支护方案并实施,实现了支护革新。主要结论如下:(1)通过对特大断面开切眼围岩特点调研和围岩变形破坏特征的分析得出特大断面巷道围岩控制存在如下问题:①原有支护方式参数选择不合理,在5.0m胶带顺槽采用普通锚网索支护时已出现了顶板较严重下沉现象,而开切眼跨度为区段平巷的近两倍,其最大拉应力和顶板下沉量显著增加。②单体锚索不具有水平方向预紧力和支护力,不利于顶板煤岩体处于三向压应力状态和增加强度,在支护原理上尤其不利于巷道顶板在水平方向上形成稳定结构。③原有方案设计的单体锚索和锚杆全部垂直于巷道顶板和两帮布置,不能发挥锚杆(索)的抗剪性能。④单体锚索与顶板是点接触,锚固点位于巷道正上方,可能随顶板离层、垮落而松动失效,不能实现协同支护效果。⑤原有开切眼支护设计,锚杆(索)使用的树脂锚固剂全部是超快的,且帮部的锚固剂只使用一支,由于凝固时间短,不能得到充分搅拌,不符合锚固剂的锚固原理,锚固效果差。⑥原有支护设计方案中,两帮锚杆支护强度偏低,不符合“控顶先控帮”的原则。(2)根据开切眼维护的实际特点,建立综放开切眼矩形截面顶板煤梁超静定结构模型,分析了顶板煤梁在受弯矩作用下的弹性阶段、塑性阶段和极限阶段,得出了三个阶段的弯矩值表达式。结合18101综放开切眼的实际参数计算得出在没有锚杆索锚固作用下顶板煤梁的最小高度,并提出了缩小顶板锚固岩梁高度的办法为增加锚杆索支护或者增加截面的屈服强度。锚杆索支护能够增加岩梁稳定性的原因:一是锚杆支护可以减小顶煤自稳岩梁的高度;二是锚杆支护可以使锚固区顶煤形成组合梁结构共同承载;三是锚杆支护可以使顶板浅部围岩处于多向应力状态,增加锚固岩梁的截面屈服应力;四是采用复合锚索桁架主动控制技术,可以给锚固岩梁内的顶板施加水平预紧力,减少或抵消岩梁内产生的正应力;五是锚索桁架支护将锚索锚固点置于巷帮深部稳定三向受压区,控制锚固岩梁下沉,相当于对锚固岩梁减跨,从而实现岩梁的稳定控制。(3)提出特大断面开切眼围岩控制的方向与策略:在特大断面巷道进行锚杆索支护需要改进支护系统结构,重点使用锚索桁架系统提供特大断面巷道所必需的水平支护力,发挥桁架锚索系统的卓越支护性能;合理设计并保障锚杆支护中锚杆的长度和预紧力,提高巷道顶板锚固岩梁的强度和尺寸,增加岩梁的自承载能力;坚持控顶先控帮的原则,加强巷道两帮及顶角的支护,防止巷道出现剪切破坏。(4)复合锚索桁架主动控制系统是指针对特大断面巷道的支护要求,利用单式锚索桁架为基本锚索支护单元,间隔一定排距采取单双循环方式布置桁架锚索,通过在不同断面上设计错位重叠的方式,充分利用巷道顶板岩体的自身强度、承载力、内聚力和对力的传递作用,使施加于桁架锚索的水平力能最大范围的作用于巷道顶板,增强特大断面巷道稳定性,提高支护质量的一种支护布置方式。其优越性表现在:控制巷道跨度大;巷道顶板水平支护力合理且分布均匀;桁架锚索支护作用分配合理;锚索锚固和连接方便,能够满足现场的快速施工要求。(5)提出锚索预紧力衰减的概念,并指出在同一类岩体中预紧力衰减率为一恒定值。建立考虑锚索预紧力衰减的复合锚索桁架控制的特大断面开切眼顶板岩梁的中性轴分析模型,研究了在三组锚索桁架作用下,特大断面开切眼锚固岩梁内中性轴的下移规律,得出了岩梁内中性轴下移量的计算公式;进一步提出要使锚索桁架发挥作用,则需要中性轴下移量必须大于零,推导出锚索桁架的最大跨度的计算方法,并结合现场参数特点,计算得出复合锚索桁架主动控制技术控制王家岭煤业特大断面开切眼的桁架跨度最大值为2.4m。(6)运用岩土工程flac3d数值模拟软件建立王家岭煤业9.5m宽度的特大断面开切眼的三维数值模拟模型,研究复合锚索桁架主动控制技术的关键控制参数变化对开切眼围岩的应力、位移场和破坏范围的影响,优化确定了如下关键支护参数:锚索桁架的边角锚索倾角、锚索桁架的中间锚索倾角、锚索桁架的锚索长度、不同排锚索桁架的搭接长度以及顶板锚杆密度等。结合工程类比法分析得出了锚杆材质、锚杆直径、锚杆长度、锚索材料、锚固方式、锚杆间排距等其它技术方案的辅助参数,确定了有效控制王家岭煤业18101开切眼围岩稳定性的复合锚索桁架主动控制技术的总体布置方式,并对最终设计方案进行了安全性模拟和分析。(7)综合王家岭煤业18101开切眼煤巷具体特点、特大断面巷道围岩控制技术的要求以及复合锚索桁架主动控制技术关键参数的优点,得出18101开切眼应采用特大断面复合锚索桁架主动控制技术方案维护巷道稳定。该方案在开切眼顶板利用单双循环布置锚索桁架,并配合锚杆、单体锚索、钢筋梯子梁和钢筋网形成协调支护系统,在永久支护侧煤帮采用高强螺纹钢锚杆、钢筋梯子梁和钢筋网联合支护,靠采面侧煤帮采用玻璃钢锚杆、木托板配合菱形金属网联合支护。在王家岭煤业公司18101开切眼煤巷复合锚索桁架主动控制支护方案进行了工业性试验,并进行了相应的矿压观测,形成了一整套集锚索桁架支护新技术、施工方法、施工工艺、安全措施和矿压监测为一体的实用技术成果。现场的矿压观测结果表明:①在观测的近两个多月中,开切眼总体的围岩变形量很小,两帮最大移近量为46mm,顶板最大下沉量为87mm,没有发生围岩失稳现象。②开切眼初期顶板和巷帮变形速度最快,后逐渐变小,两帮变形量在两周达到稳定,顶板下沉经过两到三周逐步趋于稳定。③3个测站的离层监测表明,最大离层值为4mm,顶板处于稳定状态。④18101开切眼的锚杆锚固力和预紧力矩检测结果表明锚杆施工合格率高,施工质量满足设计要求,复合锚索桁架支护系统工作可靠。