超高软岩支护设计.doc

精选资料超高软岩巷道强力支护设计研究摘要：以XX矿西三盘区水仓超高软岩巷道为研究对象，应用高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度“三高一低”的现代锚杆支护设计理念，对巷道支护材料、参数进行合理选择。通过高预应力锚杆锚索、注浆、喷浆联合支护方式达到有效控制巷道围岩变形，提高围岩完整性和稳定性的目的，对于今后超高软岩巷道一次强力支护设计具有一定的借鉴意义。关键字：超高巷道；软岩；强力支护0 引言近年来我国煤矿大型综合机械化技术得到快速发展，矿井产能不断提升，对通风、运输要求提高，巷道断面尺寸不断加大；随着深部资源的开采，地质条件复杂化，部分岩石在深部高应力条件下呈现出软岩特性，给巷道支护带来困难。超高软岩巷道的支护难点主要体现在两个方面：一是超高巷道由于两帮偏高，巷道高宽比偏大，煤帮稳定性差，极易发生剪切破坏；二是软岩的自身承载能力较弱，围岩膨胀、破碎、流变特性明显。锚杆支护材料、支护理论的发展与完善为解决超高巷道支护难题提供了新的思路，研究如何对超高软岩巷道进行有效支护对矿井安全高效生产具有重要的理论及现实意义1-5。1 工程概况XX矿15#煤西三盘区水仓将服务于西三盘区整个回采过程。水仓设计高度为6.6m，巷道掘进分两次成巷，先平掘煤巷，然后进行全断面起底，巷道掘进断面最终达到26.4m2，巷道断面大，两帮超高，形成超高大断面巷道；同时，15#煤底板存在泥岩、铝土岩，岩性强度低，含遇水泥化、膨胀成分，围岩自身稳定性差，支护难度大。西三盘区水仓施工地点进行了钻孔取芯，15#煤层老顶为砂质泥岩，厚5.14m，坚硬细密；直接顶为K1石灰岩，厚10.13m，坚硬，含方解石。单向抗压强度平均101.6MPa。另外，零星分布有泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩伪顶，厚度为0.50-2.00m。15#煤层直接底为泥岩，厚3.12m，单向抗压强度平均28.3MPa。老底：灰岩，厚20.00 m，有斜层理，含方解石脉，黄铁矿。详细岩层状况见下图1所示。图1 岩层综合柱状图2 超高软岩巷道变形机理2.1 超高巷道数值模拟方案根据XX矿15#煤地质力学参数，建立圆柱状数值模拟模型，模型直径为1000mm，高径比分别为1:1、1:2、1:3、1:4和1:5。模型计算采用应变软化准则，模型固定上下边界，采用均匀速度加载，模拟实验室单轴压力试验。对不同高径比模型进行单轴压缩模拟试验，主要分析其塑性区的形态，数值模拟结果如下图2所示。图2-a 高径比1:1 图2-b高径比1:2 图2-c 高径比1:3 图2-d高径比1:4 图2-e高径比1:5图2 数值模拟结果图从模拟结果中可以看出，试件在单轴压缩作用下，均发生了剪切破坏，随着高径比的增加，破坏的范围也越来越大。高径比为1:1时，破坏主要发生在试件的端部，以受载面破坏为主；高径比为1:2时，破坏贯穿整个试件，但主要发生在试件中部，且破坏范围并不大；高径比为1:3时，破坏范围增大，集中在试件的中部，主要以试件中部发生较大体积应变而导致破坏；高径比大于1:4时，试件破坏位置集中在试件上中下部，且呈现明显的X状共轭倒锥形塑性破坏区，试件中部还存在未发生破坏的柱核区。由此可以看出，针对水仓超高巷道，超高煤帮的破坏主要是剪切破坏，破坏位置主要集中在中部及偏上、偏下的位置。2.2 软岩性质分析岩石各项理化性质与自身组成成分密切相关，为了清楚掌握水仓底板岩石成分，对底板岩石进行取样分析。第一组样品位于底板内500mm，第二组样品位于底板内5002400mm，第三组样品位于底板内24003900mm。为准确研究底板岩层组成，对底板岩样进行X射线衍射分析。水仓底板泥岩中粘土矿物占多数，其粘土矿物平均含量达到75.0%，其中第一层粘土矿物含量为98.5%，第二层粘土矿物含量为78.1%，第三层粘土矿物含量为55.8%。说明粘土矿物随深度增加不断减少，但总含量仍占到一半以上，因此底板矿物以粘土为主。在实验室条件下，对所取样品进行单轴抗压强度及变形测定试验，试验结果如下表1所示。表1 单轴抗压强度及变形测定结果试件编号试件尺寸(mm)破坏载荷（KN）抗压强度（MPa）平均抗压强度（MPa）弹性模量（GPa）平均弹性模量（GPa）直径高度s-150.6897.28254.86126.30123.9619.3821.03s-250.7097.64245.52121.6222.68s-350.5096.50131.1465.4765.4714.0614.06从试验结果来看，泥岩试件的弹性模量、峰值应力离散性都很大，主要是由于岩体是一种包含大量裂隙的物体，各向异性特征明显，即使在同一地点选取的岩芯其变形与强度参数也有很大的不同6-8。3 超高软岩巷道锚杆支护设计三盘区水仓设计高度为6.6米，巷道掘进分两次成巷，先平掘煤巷（宽4.0m，高2.6m），之后进行全断面起底（宽4.0m，高4.0m），巷道掘进期间采用树脂加长锚固锚杆与锚索组合支护。水仓一次掘巷支护设计中，顶板及两帮采用锚梁网喷联合支护，使用20mm2000 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距1000mm1000mm；顶板采用15.24mm5400mm钢绞线锚索，每排布置1根，居中布置，排距3000mm；帮部采用15.24mm5400mm钢绞线锚索，每排布置1根，布置在巷帮中部，排距1000mm，垂直巷帮打设。同时，铺设经纬网，锚杆间使用钢筋托梁连接，表面喷射厚100mm的混凝土。水仓二次掘巷支护设计中，巷道两帮采用锚梁网喷联合支护，使用20mm2000 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距1000 mm1000mm；两帮采用15.24mm5400mm钢绞线锚索，每排布置2根，间排距20001000mm，垂直巷帮打设；底板采用15.24mm5400mm钢绞线锚索，每排3根，间排距1400mm2000mm，底板中间锚索垂直于巷道底板表面，两侧锚索钻孔与巷道底板水平夹角15。预埋锚索7天后，底板铺钢筋网，规格为21001100mm，插入铝塑注浆管，安装封孔胶塞、托板、锁具，张拉锚索后全长一次注浆。施工完毕后必须要进行硬化，硬化厚度不小于200mm。图3 三盘区水仓二次掘巷锚杆支护布置图4 矿压数据及巷道围岩变形监测4.1支护系统受力监测本次进行的支护系统受力监测包括顶板及两帮锚杆、锚索受力监测。测点布置如图4所示。图4 水仓监测断面整条巷道共布置五处测站，取其中一处的观测结果进行分析，此处巷道锚杆、锚索受力监测曲线如图5所示。图5-a上分层锚杆受力 图5-b 上分层锚索受力图5-c 下分层锚杆受力 图5-d 下分层锚索受力图5 1#测站锚杆锚索受力监测曲线从巷道锚杆、锚索受力监测曲线可以看出：顶板锚杆早期受力较大，说明及时施加高预紧力矩，能有效控制围岩的早期扩容变形，抑制煤体结构面的滑动、新裂纹的产生及扩张，提高围岩的内聚力，起到主动及时支护目的；顶板锚杆受力变化比较明显，锚杆受力基本是增大的，锚杆受力达到100kN之后变形趋于平缓，锚杆受力在合理范围之内，即能控制顶板，又在正常工作阻力范围之内，说明锚杆对维护巷道顶板的完整起到了应有的支护作用，从现场顶板保持非常完整也可以证实锚杆支护的良好性。巷帮锚杆受力总体上来说在逐渐增大，锚杆施加预紧力可以达到5070kN，正常工作阻力在80100kN，说明巷帮锚杆可以稳定的支护两帮。巷道锚索受力整体是增大的趋势，当锚索施加预紧力较大时，锚索受力基本不会出现下降，均呈上升状态发展，说明较高的预紧力可以阻止围岩有害裂隙的发展发育，持续保持围岩的完整性，锚索受力也稳步增长，且增长到一定程度保持稳定。总体来看，巷道锚杆、锚索受力没有明显的增大，表明在强力锚杆锚索支护作用下，巷道围岩矿压显现不剧烈，变形量不大。4.2 巷道围岩变形监测巷道围岩变形监测包括顶板下沉量、两帮移近量和底鼓量。为对水仓变形量进行准确监测，共部置五处测站，取其中一处进行说明。巷道表面位移监测曲线如下图6所示。图6-a 1#测站上分层位移量图6-b 1#测站下分层位移量图6 巷道表面位移监测曲线由监测数据可以看出，巷道变形以顶底板变形为主，两帮变形次之，其中底鼓为主要变形，底鼓约为顶底板总变形量的62%；两帮变形中，巷道上分层变形量较大，上分层变形量比下分层大9%25%，也证明巷道变形主要发生在巷道的中上部软煤区。总体来说，巷道变形量均不大，在控制范围之内。5 结论结合工程实践经验，针对15#煤西三盘区水仓软煤岩超高巷道围岩条件和受力特征，设计巷道采用高预应力强力锚杆锚索、注浆、喷浆联合支护系统，实现充填围岩裂隙、增加围岩整体性、提高围岩强度、抑制围岩节理、裂隙发育发展，将岩体锚固为一个整体，使岩体整体承载。井下工业试验表明，巷道顶板下沉量最大为15mm，两帮移近量最大为30mm，底鼓量最大为21mm，高预应力锚杆锚索、注浆、喷浆联合支护有效控制了巷道围岩变形，提高了围岩的完整性和稳定性，有效控制了围岩的有害变形9-13。参考文献：1袁成帮,许磊等.超高巷道围岩塑性区工程响应特征及稳定控制J.煤矿安全，2013，(02):189-1922许磊，何富连等.超高巷道巷帮变形特征及支护技术J. 煤矿安全，2013,44(6):84-873浑宝炬,陈晓坡. 林南仓矿软岩巷道变形控制技术及数值模拟研究J.中国矿业，2013，22（10）:88-904成小勇. 大采高工作面超高巷道掘进支护技术J. 煤矿开采，2009，14（5）:50-515王成，汪良海，张念超. 高应力软岩巷道围岩流变动态演化研究J. 采矿与安全工程学报，2013，30(1):14-196徐永圻煤矿开采学.徐州：中国矿业大学出版，1 9 9 9 7 钱鸣高，石平五矿山压力与岩层控制 M. 徐州：中国矿业大学出版社.2 0 0 3 8叶冠林，张锋.堆积软岩的强度及蠕变特性的三轴及平面应变试验研究J岩石力学与工程学报，2 0 0 8 ，2 7 ( 1 2 ) ：2 4 0 3-2 4 1 0 9薛琳巷道围岩支护系统黏弹性分析蠕变柔量法J煤炭学报，1 9 9 6 ，2 1 ( 6 ) ：5 9 1 -5 9 5 10王永刚,任伟中.软弱围岩的蠕变损伤特性及最佳支护时间J中国铁道科学，2 0 0 7 ，2 8 ( 1 ) ：5 0 - 5 5 11张向东，李永靖，张树光，等软岩蠕变理论及其工程应用 J 岩石力学与工程学报 ，2 0 0 4 ，2 3 ( 1 0 ) ：1 63 5 1 63 9 12赵长红，张忠凝“ 三软”煤层中回采巷道支护技术研究 J 价值工程， 2 0 1 2 ， 3 l ( 2 7 9 ) ： 2 3 2 4 13康红普，王金华煤巷锚杆支护理论与成套技术 M北京：煤炭工业出版社，2 0 0 7 ： 2 98 3 THANKS !致力为企业和个人提供合同协议，策划案计划书，学习课件等等打造全网一站式需求欢迎您的下载，资料仅供参考，如有侵权联系删除！可修改编辑