孔庄矿7435工作面运输平巷掘进工序优化及支护技术研究

直接顶
基本顶
实体煤侧 实体煤巷
煤面侧
直接底 基本底
实体煤巷的物理模型
RD=a RB A BD
O
RA
巷道围岩变形分区
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稳定性力学模型建立
巷道围岩稳定性力学模型的建立：假定深井煤巷围岩是均质的、连续
的且各向同性的，巷道开挖断面为圆形，非圆形断面可采用“等效外接圆”
进行计算。
PP
根据应力平衡方程、 几何方程、物理方
k
1
11/37
2.3 基于围岩分区的巷道断面形状及支护参数优化
巷道断面形状对围岩分区影响分析
根据塑性区应力推导公式，运用控制变量法，相关特征由围岩断
面尺寸的常系数决定。
M
+
M 1 k
＞0
s Pi 1 k s Pi 1 k n k
➢ 综上分析，非等压圆形巷道围岩分区范围与围岩断面尺寸是呈正 相关，可通过优化巷道断面尺寸来调整围岩各塑性分区的扩展影 响，从而利于控制初掘巷道围岩稳定性。
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2.1 初掘期间煤巷围岩稳定性
巷道开挖前，围岩应力将发生 两个方面的显著变化：一是巷道周 边岩体径向应力下降为零；二是围 岩中出现应力集中现象。
巷道围岩集中应力超过围岩强度之后， 巷道周边围岩塑性区逐渐向深部扩展， 直到扩展至弹性稳定状态。已产生破 裂的围岩塑性区为塑性残余区，之前 未发生明显破裂的塑性区称为塑性软 化区。
1
2
P1 2
RA2 r2
3
RA4 r4
sin
2
2）塑性软化区和塑性残余区的应力计算
峰后的塑性软化区的本构关系
Q e ep
ε p ε e
ep e Q ε p ε e
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弹塑性区位移推导
当体积应变为0时，应变关系可表示为：
εθ εr =0
u u =0 r r
1）弹性区的位移计算
综掘工序关键路线图
割煤、出煤
敲帮问顶
临时支护
锚网支护
质量验收
1
2
3
4
5
6
45min
10min
20min
65min
10min
➢ 关键路线上各个工序时间叠加得到工序总时间，可计算一个正规作业 循环内总耗时为150min，每个正常掘进班可进行3个作业循环。
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多工序平行作业
分区范围与支护力的关系
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3 千米深井煤巷掘进工序优化设计
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3.1 综掘煤巷掘进工序流程网络分析
网络图一般由工序、事项和线路等组成。
根据一项工程中各工序之间的前后衔接关系，可从左到右将各个工序联
接起来，标上各工序所需的时间，构成一个有向网络图，成为工序流程
网络图。
1
A
5
3
B 7
2
D
(1-λ)P/2
巷道围岩应力分解示意图
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2.2 M-C准则下围岩弹塑性分区规律
1）弹性区应力计算
r
1 2
P
1
RA2 r2
RA
RA2 r2
1
2
P1 4
RA2 r2
3 RA4 r4
cos
2
θ
2
1
P
1
RA2 r2
RA
RA2 r2
1
2
P
1
3源自文库
RA4 r4
cos
2
r
残余区
原岩
λP
RA
λP
巷道
λP
λP
软化区
弹性区
程的极坐标表达式， 应力函数的半逆解
(λ+1)P/2
P
P
(1-λ)P/2
残余区
原岩
法求出圆形巷道非
RA
(λ+1)P/2
巷道
(λ+1)P/2
等压受力弹性区应
软化区
弹性区
-(1-λ)P/2
残余区 软化区
RA
巷道
原岩
弹性区
-(1-λ)P/2
力计算。
(λ+1)P/2
综掘工序流程网络图
运料 60min
割煤、出煤
敲帮问顶
临时支护
锚网支护
质量验收
1
2
3
4
5
6
45min
10min
20min
65min
10min
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3.2 综掘工序流程关键路线优化
关键路线：在现有工序流程网络图中，可通过计算工序流程 中对应的时间参数找出耗时最长的路径。
关键路线图是由关键工序所形成的由起点到终点的路线。
ue = RA2 θ -
r + r +θ
rE
2）塑性区的位移计算
up = RA2 θ -
r + r +θ
rE
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M-C准则下围岩分区
莫尔-库伦准则即M-C准则如下，可进行公式推导。
> f =c+ tan
1）弹性区径向应力计算
RA
1
2
P
1
P
cos
2
1
sin
c
cos
2）塑性区的径向应力计算
本实验巷道面临的正常掘进及支护的若干难题：
① 巷道趋向煤巷化，采掘交替 紧张，影响安全高效生产。
② 煤巷掘进循环中支护时间可 占总时间的50％～60％，锚杆 支护存在诸多问题。
③“五高两扰动”的复杂地质环境影 响，巷道的掘进安全状况难保证。
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研究内容及路线图
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2 巷道断面形状及支护参数优化理论分析
孔庄矿7435工作面运输平巷掘进工序优 化及支护技术研究
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论文提纲
➢绪论 ➢巷道断面形状及支护参数优化理论分析 ➢千米深井煤巷掘进工序优化设计 ➢工程实践 ➢结论
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1 绪论
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研究背景及意义
孔庄矿7435工作面运输平巷是中煤大屯煤电公司首个超千米埋 深的实体煤巷，煤层平均厚度达4.6m，煤层埋藏平均倾角21°， 走向推进长度约为1952m，要求巷道的服务年限长达2.5年以上。
在塑性软化区和残余区内，根据塑性区内软化方程式及塑性软化区与
残余区应力联系条件，可得到：
1
M 1n
RA
=RB
QN
式中：M = c s +QN
M
M 1 k
RB
=a
s
Pi
1
k
+
s
Pi
1
k
n
k
1
Pi
1 k
1 k s
RA
c QN 1 k
QN nk
M QN
1k
n1
5
C
3
4
E 7
6
G 4
5
F 5
7
I 2
H 3
8
J
9
6
工序流程网络示意图
主要时间参数分析：
工序最早开工/完工时间
工序时间
工序总时差
工序最迟开工/完工时间
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综掘煤巷掘进工序流程网络图
煤巷掘进正规循环作业
7435综掘煤巷采用“三八制”作业方式，两班只负责巷道掘进支护工作， 每班3个循环；另一班除负责巷道掘进支护工作，要消耗3个小时进行检修 工作，每班2个循环。在巷道顶板条件正常的情况下，主要按照“一掘一 锚”的正规循环施工。
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巷道支护参数对围岩分区影响分析
1）软化模量影响：对巷道围岩进行及 时、有效的主动支护，会直接影响围岩 的软化模量等力学特征，从而影响巷道 围岩的弹塑性分区范围。
分区范围与软化模量的关系
2）支护力的影响：对巷道施加初始支护 力对塑性软化区、残余区的范围影响明 显，增加初始支护力可减小塑性区的分 区范围，从而对控制深部实体煤巷围岩 塑性变形，利于整个巷道的维护与控制。