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第卷增仪抖年月岩石力学与工程学报曰'人伦'人训纪￡溯己增人加,薄层状碎裂顶板综采切眼锚固参数与锚固效果康天合太原理工大学采矿工艺研究所太原部进海'潘永前神华集团海勃湾矿业有限公司乌海摘要介绍了薄层状碎裂顶板综采切眼采用螺纹钢锚杆一金属网一钢筋焊接梯子梁·锚索一槽钢梁等进行联合锚固的地质力学条件、围岩特征和施工方式,提出了该条件下锚固材料的选择原则和选择结果.
运用以巷道围岩稳定性分类为基础的工程类比设计方法和以地质力学条件为基础的数值计算设计方法,给出了薄层状碎裂顶板综采切眼锚固参数的确定方法与结果.
对顶板离层的监测结果表明采用的锚固方式和锚固参数能够有效地控制薄层状碎裂顶板综采切眼的顶板变形与漏冒顶在巷道掘出后内,顶板岩层处于剧烈活动期,后趋于稳定初次掘巷后,顶板岩层的下沉量以锚杆锚固范围内的顶板下沉量为主二次扩巷后,顶板岩层所产生的下沉量以锚索锚固范围内的顶板下沉量为主联合锚固技术取得了显著的经济和社会效益关健词岩石力学,薄层状碎裂顶板,二次扩巷,锚固参数,锚固效果分类号文献标识码文章编号一增·一一,曲,物从八卿,几饰"妙恻,枷占几人馆即即,肋人叩,肠人,一,翻雌一一,,,,能,即田的,,,,,,年月日收到初稿,年月日收到修改稿,教育部高等学校骨干教师基金和山西省青年科学基金资助项目作者康天合简介男岁,博士年毕业于原山西矿业学院采矿工程系,现任教授主要从事岩石力学与采矿工程方面的教学与研究工作一心http://www.
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cn中国科技论文在线第卷增康天合等薄层状碎裂顶板综采切眼锚固参数与锚固效果·,一别,,田划,引言面宽,高.
巷道东侧为采空区,北侧为"煤层左二片正在回采工作面,西侧为未开采区、南侧距大断层落差约.
地质与水文条件巷道范围内地质构造简单,岩层倾角.
,没有影响巷道围岩稳定性的大、中型地质构造.
水文条件简单,顶板有淋水现象,对锚固不利.
围岩特征表为试验巷道所在采区穿层绕道中实测的煤岩层厚度和单轴抗压强度测定结果.
擎和牛可采煤层及腰石总厚,加权平均单轴抗压强度为表围岩特征序号岩性层厚单轴抗压强度石滩名名夕乃飞,甘近年来,我国煤巷锚杆支护技术取得了很大进展【'一,但在复杂条件下,如复合顶板、破碎顶板、综放煤巷以及沿空掘巷、沿空留巷、高应力和动载荷作用等条件下的锚固理论、技术与应用效果等仍需进一步的研究与试验卜,.
神华集团海勃湾矿业有限公司地处鄂尔多斯西部,其煤巷锚杆支护的发展相对缓慢,主要是该地区的主采煤层顶板极为破碎,属于薄层状碎裂顶板.
年月年月,该公司平沟煤矿与太原理工大学采矿研究所共同承担了海勃湾矿业有限公司的重点科技项目"薄层状碎裂顶板大断面巷道锚杆支护技术研究"课题.
该课题是一项针对薄层状碎裂顶板下大断面巷道锚固理论、设计方法、支护材料、施工机具、施工工艺和井下监测、经济效益分析等所进行的一项理论与应用技术综合性研究项目.
它从海勃湾矿区巷道支护的最困难条件入手,解决了大厚度薄层状碎裂顶板下大断面巷道支护的技术难题.
该课题的研究成功,不仅取得了显著的技术效果,降低了支护成本,而且大大减轻了工人的劳动强度,使巷道的安全性得到了显著的改善,消除了原来采用棚式支护在综采支架安装期间碰倒棚架,导致漏冒顶事故发生的隐患.
本文是该课题内容的一部分,重点介绍薄层状碎裂顶板综采切眼锚固参数与锚固效果.
地质与生产条件基本情况试验巷道为平沟煤矿盘区右三"煤层综采工作面开切眼.
"煤层为厚煤层,分个分层,其电聋和牛可采,生为煤岩互层,不可采.
巷道布置在幕和牛煤层中,沿底板掘进·以前这类巷道采用次掘进,"矿用工字钢支架对棚支护,棚梁上密布木板护顶.
这种方法不仅初期材料投资大,替梁换柱时棚梁丢失率在以上,而且在安装综采支架时容易造成倒架,发生漏冒顶事故.
一般情况下顶板冒落高度,巷道冒落长度以上.
漏冒顶事故严重影响了安全生产,延长了综采支架的搬运与安装工期.
试验巷道埋深,倾斜长,断"曰甘乃凡月,二中砂岩砂质泥岩煤泥岩及砂质泥岩'煤泥岩及砂质泥岩细砂岩中砂岩粘土页岩生煤粘土页岩炭质页岩煤夹炭质页岩粘土页岩煤夹粘土页岩炭质页岩煤夹炭质页岩炭质页岩煤炭质页岩摹煤泥岩腰石今煤泥岩及砂质泥岩】.
口煤泥岩及砂质泥岩细砂岩砂质泥岩乃··岩石力学与工粗举报妈年.
巷道顶板为层薄层状煤岩互层,厚,平均层厚,加权平均单轴抗压强度在锚杆和锚索锚固范围内无坚硬稳定岩层直接底板为厚左右的泥岩及砂质泥岩,其下为厚左右的煤层在穿层绕道中钡得的顶板岩体的层理间距最大为,平均为节理'距最大为,平均为应力环境由于开采深度较浅,并且相邻工作面的采动仅对开切眼巷道的上下端头有一定影响,因此不属于高地应力巷道相比之下,薄层状碎裂顶板是该巷道支护上的难点与重点抓进方式采用掘进机掘进由于受掘进机摇臂长度的限制,需耍次成巷第次掘进宽度,第次扩巷宽度描固材料的选择一般来说,导致大断面巷道锚杆支护失效的主要原因有个锚固体系的锚固能力不够如杆体强度不够、粘结剂的姆度不够等锚固体系的锚固能力不能充分发挥,如在破碎围岩中,锚固段没有稳定的着力点锚杆之间的围岩片落导致周围锚杆锚固失效,在锚杆体系刚度不太大的情况下,围岩已严孟变形破坏,而锚杆仍未达到锚固力锚固方式和参数选择不当,或是忽视了锚杆梁和网的作用,成是锚杆间排距太大,或是锚杆长度太短,难于形成连续的和有效厚度的加固岩梁这就耍求一方面作好锚杆支护方式与参数的设计,另一方面选择好锚固材料锚固材料包括锚杆杆体、锚固剂、托板、钢带钢筋梯子梁、金属网、锚索、锚索梁及锚索托板等这些材料的力学特性和支护作用极大地影响着锚杆的支护效果,选择的合理与否是决定锚周效果及锚固成败的关键猫杆体的选姆目前国内外适用于不同条件、具有不同功能和用途的锚杆种类很多按照锚杆与锚固体的锚固方式可分为机械锚固式、粘结锚固式、摩擦锚固式和混合锚固式锚杆按照锚固段的长短可分为端部锚固、加长锚固及全长锚固锚杆按照锚杆体的工作特性可分为刚性和可延伸锚杆按照锚杆体的材质可分为金属及非金属锚杆木锚杆、竹锚杆、袱脂锚杆、玻瑞钢锚杆等按照猫杆体姐度的大小可分为普通和高强度或超高强度锚杆各类锚杆各有特点各适用于不同条件根据试脸巷道的地质力学条件顶板选用树脂粘结可全长锚固的高强度峨坟翎愉杆煤帮选用树脂粘峭端头锚圈的普通圆栩麻花头锚杆枯因剂的选择锚固剂的选择原则是锚固力强能够沙通到岩体的微裂隙中锚固速度快,晶与施工速度相配合考虑锚杆徽索、钻孔和药卷三径的合理匹配,施工中选用邢台锚固剂厂生产的型和型中速,直径,长度分别为和与型和型超快速和中速各在一端的双速锚固齐的树月廿锚同剂柑杆托板的选姆导致锚杆托板火效的方式有种杆体与托板脱离,锚杆被拉入岩体中托板破裂托板将岩体表面岩石压碎这些都是托板翻数设计不当所致因此选择锚杆托板时应考虑以'卜基本原则,托板的承载能力耍与锚杆体的承载能力相匹配托板的结构形式合理,有良好的受力状态托板的大小适中,并具有高承载与可缩性根据试验巷道的地质力学条件,在材质上应选抒金属托板,在结构形式上应选择育形托板考虑基本支护方式为锚·网·粱,托板的面积不宜过大,但耍有足够的承载能力因此顶板锚杆选用"'的钢板压制的育形多功能托板,两帮选用尹'的铸钢托板顶板网的选姆在薄层状碎裂顶板条件下对网的耍求是整体强度高、刚度大在巷道围岩变形初始阶段就能对围岩提供护表力,加工方便,成本低廉以刀便子运输,最好可以折叠或卷捆具有一定的可弯曲性,以便能与巷道轮廓相吻合·川计算结果表明,我国煤矿现用的戮形金属网对围岩的最人作用力可达二根据试脸巷道的围着条件选用尹的铅丝编制的网格尺寸为,菱形金属网吕柑杆姆的选姆常用的锚杆梁有型钢带、平钢带和用钢筋焊接的钢筋梯子梁在强度和刚度方面,型悯带具第卷增康天合等薄层状碎裂顶板综采切眼锚固参数与锚固效果··有优越性,但由于巷道理深浅,围岩压力不大,并且是在锚网条件下,施工中采用护钢筋焊制的钢筋梯子梁作为锚杆梁,梁宽,在布设锚杆的位置焊接宽"的描杆卡栏橄索的选姆采用预应力快速承载沪的小直径锚索,主要是由股护低松弛级钢绞线、瓦片式锚具和与锚杆锚固剂相同规格的树脂锚固剂组成,,索托板与猫索梁的选择锚索的锚固效果和作用范围与锚索的托板面积和承载能力有关根据计算和应用实践,锚索托板采用厚的钢板割制成长宽'厚、'的方形托板为增大托板的作用效果,在其下放置一节长的槽钢短梁在根锚索之间用槽钢梁联接,以增加支护系统的稳定性终确定的锚固方案为顶板锚杆间距,排距锚杆直径,长度.
煤帮锚杆每侧根,直径,长度锚索三花布置,间距,排距,锚索长度,双根排锚索用"槽钢梁联接,并将锚索孔向煤帮侧倾斜.
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猫固形式与猫固长度的确定猫固数设计描固参数设计的基本方法可以归纳为大类工程类比法理论计算法以地质力学条件为基础的数值计算法根据围岩特征,采用以采准巷道围岩稳定性分类为基础的工程类比法和以地质力学条件为基础的数值计算法进行锚固参数设计以目,分类为'础的工粗类比,橄设计根据我国采准巷道围岩稳定性分类方案,试脸巷道为类不稳定巷道,根据《煤巷锚杆支护技术规范》征求意见稿午月建议该类巷道的支护方式和参数应为锚杆型钢带十网锚索或析架网描索建议的支护参数为金长锚固,杆体直径、,杆体长度,,间排距、,以地胶力举条件为'础的救位计算橄设计使用计算软件,采用卜朗准则进行届服判断以接触单元模拟岩层层面,以杆单元模拟锚杆模型宽、高,上覆载荷按采深施加根据工程类比对支护方式与支护参数选择的基础上,共计算种方案其中,无支护种在锚杆直径锚杆长度,间距,和锚索根,长度,等条件的基础上,变化锚杆间距种,交化锚杆直径种,变化锚杆长度种,无锚索种,变化帮锚杆种以顶板下沉量较小和支护成本较低为昌标最乐锚固形式的确定按照锚固长度不同,可分为全长锚固、加长锚固和端头锚固种与端头锚固相比,全长锚固或加长锚固在技术上有方面优点全长或加长锚固的锚杆可以大大降低巷道围岩变形繁.
试验巷道具有大断面和大厚度薄层状碎裂顶板等特点,不仅锚杆锚固范围内无稳定与坚硬岩层,在锚索锚固范围内也无稳定与坚硬岩层.
巷道开挖以后,如果没有垂直层理方向的有效约束,围岩将会产生离层成滑移,导致曾漏如果采用全长或加长锚固,可以使锚固范围内的围岩都受到有效约束,限制离层或滑移现象的产生,以确保围岩的枪体稳定性全长或加长锚固时锚杆的受力状态好,其工作阻力沿锚固范囤的全长作用,锚杆锚固的每一部分都对圃岩提供支护阻力,提供给锚固范围内围岩的总支护阻力倍增,因而可大大增加其岩层层面和其他弱面上的,值,更好地抑制围岩的碎胀性而端头锚固锚杆的工作阻力只作用在锚杆的两端,容易引起锚杆在孔口附近因长期高应力状态疲劳断裂,并使锚杆的托板受力增大,引起孔口表面岩层被"压酥"而破坏,使锚杆的支护阻力降低,因而失去或减小锚杆对围岩的控制能力全长或加长锚固不仅可以使锚杆具有较高的锚固力,而且可以增强锚杆的抗剪能力围岩受垂直层面方向的应力作用时,在层面成其他弱面间产生相互错动,将使弱面间的粘聚力丧失,进而使弱面间产生滑移和破坏.
全长锚固的锚杆,孔内没有任何空隙,孔内锚固剂和锚杆杆体的存在可增强弱面间的抗剪能力,减轻弱面间相互错动现象的发生,从而提高顶板的稳定性.
总之,在大厚度薄层状碎裂顶板条件下,应选用全长或加长锚固的锚杆支护系统性杆索猫固长魔的确定根据锚杆体、锚索钢绞线的极限载荷与树脂药卷和围岩的粘结强度相匹配的原则,确定锚杆锚索··岩石力学与工程学报年必需的锚固长度为.
二一苍一二二勺二二代代丁二兀大式中凡为锚杆设计锚固力,沪高强度螺纹钢锚杆体的凡,为锚杆孔半径为树脂药卷与钻孔壁的粘结强度.
需要的锚固卷长度为帮,,和一.
每个测站的个测孔距切眼后帮的距离分别为,】,和.
每个测孔布置个测点,深基点埋深,浅基点埋深,分别量测锚索锚固范围内和锚杆锚固范围内的顶板离层下沉量随时间的变化情况.
作为示例,图给出第测站个测孔的顶板离层监测曲线.
沉一一下声产产占州一一墓一一部一一深一一占川一一基卜部洲工浅''尸卜卜、勺冉,'内'日乏喇噢忱,一衅嘴式中尺为锚杆杆体的半径,这里取凡为树脂药卷的半径,这里取为实际锚固长度.
为保证锚杆尽快获得锚固力,提高掘进速度,并考虑到施工操作速度和不同药卷凝胶时间的配合,在实际施工中,每孔采用型和型树脂锚固卷各一卷.
将型树脂锚固卷放在孔底,并将超快速端朝向孔底.
两卷锚固剂的总长度,则每孔实际锚固长度为时问第测孔浅部签点深部签点一总下沉量三、喇噢忱二嘴,一衅每根顶板锚杆的实际锚固力代为嘿认氏二用同样的方法可以计算出煤帮锚杆的锚固参数每孔采用型和型树脂药卷各卷,实际锚固长度为,实际锚固力为咖大于帮锚杆体的破断力.
锚索的锚固参数为每孔用型树脂卷卷和型树脂卷卷,实际锚固长度为,实际锚固力为名大于锚索的破断力.
时问第测孔晰浅部抓深部糕总下沉卜含口夕翻一一一一一一扩百护产'一—一'日写喇噢忱时问第测孔浅部墓点叫深部基点总下沉,「卜日已、喇噢忱锚固效果的检查与监测为了解支护设计的合理性,提供反馈信息,确保安全,进行了锚杆支护质量检查与围岩动态监测工作.
检查与监测工作分日常检查与专项监测两部分.
日常检查的主要工作有锚固质量的拉拔检查、锚杆承载速度检查、锚杆预紧力检查和锚固质量的巡回检查等.
专项监测的主要内容有巷道表面收敛量监测、顶板离层动态监测和锚杆与锚索受力状态监测等顶板离层动态监测采用型纯机械式顶板离层指示仪.
在开切眼中共布置组顶板离层动态监测测站,每组测站布置成一排个测孔,共安设套离层指示仪.
组测站的安设位置分别距运输顺槽巷】的】时间第测孔图第测站顶板离层监测曲线山旧从组测站个测孔的监测数据和监测曲线可以得出以下结果锚杆锚固范围内顶板的最大离层量为,最小离层量为,平均离层量为锚索锚固范围内顶板最大离层量为,最小离层量为,平均离层量为总离第卷增康天合等薄层状碎裂顶板综采切眼锚固参数与锚固效果··层量最大值为,最小值为,平均值为.
可见,初次掘巷时顶板岩层的下沉量以锚杆锚固范围内的顶板离层量为主.
在巷道掘出后内,顶板岩层处于剧烈活动期,后趋于稳定.
第次扩巷对顶板的下沉有一定影响.
扩巷使锚杆锚固范围内顶板产生的下沉量最大值为,最小值为,平均值为扩巷使锚索锚固范围内的顶板产生的下沉量最大值为,最小值为,平均值为扩巷使顶板产生的总下沉量最大值为,最小值为,平均值为.
可见,扩巷产生的顶板下沉量主要由锚杆锚固范围外和锚索锚固范围内的岩层离层量所组成.
二次扩巷使顶板上位岩层产生了松动,扩巷时顶板岩层所产生的下沉量以锚杆锚固范围以外锚索锚固范围以内的顶板离层量为主.
板下的大断面巷道,围岩稳定性差.
用原来的棚式支护,不仅投资大,材料消耗多,而且巷道变形和破坏严重,漏冒顶现象严重,支护难度很大.
高强度锚杆一金属网一钢筋梯子梁一小孔径预应力锚索是适合薄层状碎裂顶板大断面巷道的有效、快速、经济的支护方法,不仅技术效果明显优于原有棚式支护方式,而且经济和社会效益十分明显.
顶板动态监测结果表明,本文提供的锚固方式与参数能够有效地控制薄层状碎裂顶板大断面巷道的剧烈变形、提高围岩的稳定性、防止顶板冒漏现象的发生,同时,可确保综采支架的顺利搬运与安装.
支护设计具有很好的合理性和可靠性.
参考文献锚杆支护效益分析采用锚杆支护的综采切眼支护的材料费为元,人工工资费为元加,钻具消耗费为元,设备折旧费为元加,则巷道综合成本为元.
采用金属梯形棚支护的材料费为元,人工工资费为元,则巷道综合成本为巧元.
锚杆支护比金属棚支护节省的直接费用为元.
另外,采用锚杆支护减少了综采工作面搬家安装的工人工资共计万元.
采用锚杆支护产生的社会效益主要表现在取消了工人长距离运输工字钢支架的强力劳动,有利于矿井安全生产,节省了大量的坑木消耗.
结语海勃湾矿区煤层综采切眼属于薄层状碎裂顶侯朝炯,郭励生,勾攀峰煤巷锚杆支护徐州中国矿业大学出版社,之陆士良,汤雷,杨新安锚杆锚固力与锚固技术」北京煤炭工业出版社,康红普高强度锚杆支护技术的发展与应用煤炭科学技术,冬侯朝炯,够攀峰巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究【岩石力学与工程学报侯朝炯,柏建彪,张农困难复杂条件下的煤巷锚杆支护岩土工程学报,,柏建彪侯朝炯,杜木民复合顶板极软煤层巷道锚杆支护技术研究,岩石力学与工程学报,周保生,朱维申,李术才神经网络在综放回采巷道锚杆支护设计中的应用岩石力学与工程学报,,一柏建彪,王卫军,侯朝炯综放沿空掘巷围岩控制机理及支护技术研究煤炭学报,,康天合,郑铜镖,李焕群循环荷载作用下层状节理岩体锚固效果的物理模拟研究闭岩石力学与工程学报,薛亚东,张世平,康天合回采巷道锚杆动载响应的数值分析岩石力学与工程学报,,