回采巷道松动圈厚度的确定与控制_初明祥

关键词: 松动圈; 松动圈半径; 厚度; 控制; 锚杆支护
中图分类号: TD322
文献标识码: B
文章编号: 0253- 2336 ( 2003) 09- 0053- 03
Definition and control of thickness of relaxed zone around mining gateway
( 2) 该次实验的完成, 不但使阳泉煤业集团公 司各矿独头小断面岩巷的掘进 水平跃上了新 的台 阶, 缓解了衔接紧张的局面, 而且找到了在现有生 产条件下提高小断面岩巷掘进水平的方法, 为进一 步提高掘进水平奠定了良好的基础。
( 3) 今后需解决的问题是由于走向高抽巷为长
距离独头掘进, 采用耙岩机与 带式输送机的 组合 后, 设备的更换仍然靠人抬肩扛, 劳动强度较大。 此外, 受耙岩机有效耙矸距离的限制, 输送带延长 工程频繁, 平均每 3 天延长 1 次。
目前在巷道支护的各类手段中, 只有锚杆支护 能适应并解决巷道在承受采动支承压力作用下的支 护问题。因而 松动圈厚度可以 用锚杆支护进 行控 制。其依据是:
( 1) 锚杆支护具有良好的可缩性。根据前面分 析, 回采巷道位于煤层中, 沿底板掘进, 两帮的强 度较低, 在支承压力作用下将产生较大的松动圈和 碎胀变形。围岩的这种变形, 需要支架具有良好的 收缩来适应。而锚杆支护, 其尾端能随巷道表面而 移动, 而头部也能随深部岩体的移动而位移, 从而 起到较好的让压作用。
巷道围岩松动圈的厚度, 并加以控制。
1 采动压力分析及围岩松动圈
回采巷道支承压力分为由巷道开挖引起的支承 压力和由采动引起的支承压力 2 部分。采煤工作进 行之后, 因上覆岩层的移动在工作面前方一定范围 内形成采煤引起的支承压力, 称为采动压力; 巷道 断面形成引起的支承压力, 称为围岩压力。在开采 过程中, 这 2 种支承压力共同作用在回采巷道上。 在它们的共同作用下, 巷道发生变形, 甚至破坏。 对于煤层巷道来说, 当巷道表面局部发生变形破坏 后, 上述 2 种压力向两侧深处转移, 从而造成围岩 应力的重新分布, 在巷道围岩中形成松动圈、塑性
参考文献: [ 1] 淮南煤炭学院. 井巷工程 ( 第二分册) [ M] . 北京: 煤炭工
业出版社, 1980.
作者简介: 郭 海亮 ( 1970- ) , 男, 山西阳 泉人, 工 程师, 现 在阳泉煤业 ( 集团) 有限责任公司一矿生产技术科工作。
211 弹性圈的应力平衡方程及弹性应力分析 根据弹性理论, 对于对称平面应变问题, 有弹
性圈的应力平衡微分方程[ 1]
d Rr dr
+
1 r
(
Rr
-
RH) =
0
式中 Rr ) ) ) 围岩径向应力;
RH ) ) ) 围岩切向应力;
r ) ) ) 距圆形巷道中心的距离。
弹性区应力为
Rr = P0 - ( P0sin U+ ccos U)
3 松动圈的厚度、分析及其对巷道影响
通过上述分析及理论计算, 巷道围岩松动圈的 厚度为 L = tR - a。
由此可以看出, 围岩松动圈的厚度随岩体单向 抗压强度的增大而减少; 而随围岩弱化程度的变化 而变化。岩石的弱化程度越大, 巷道围岩的松动圈 厚度越大。随着开采的进行, 支承压力的作用会越 来越大, 围岩松动圈的厚度扩大是不可避免的。
承载力, 增强巷道的稳定性。 ( 3) 锚杆支护可以补充围岩强度。锚杆支护对
锚固范围内的松动圈围岩提供了一个径向压力, 使 因巷道开挖失去应力平衡的围岩达到了新的力学平 衡。锚固范围内的围岩强度得到了恢复, 部分进入 重复加载时的弹性状态。
5 几点认识
( 1) 在全煤巷道中, 回采巷道因受采动支承压 力作用产生的松动圈, 由于煤层松软, 裂隙发育, 当用松动测定仪测得的数据无 法判断松动圈 大小 时, 可以通过理论计算来确定。
第 31 卷第 9 期
煤炭科学技术
2003 年 9 月
回采巷道松动圈厚度的确定与控制
初明祥1 , 颜景光2
( 11 山东科技大学, 山东 泰安 271021; 21 山东省田庄煤矿, 山东 济宁 272103)
摘 要: 提出了回采巷道松动圈厚度的理论计算方法, 分析了影响松动圈厚度的因素, 指出了用锚 杆支护进行控制的依据。
2 松动圈的半径计算
松动圈是巷道围岩塑性区的内圈, 它与塑性区 并没有严格的区 分。在煤层巷 道中, 由于煤 层松 软、裂隙发育, 通常使用的 BA- Ò型松动圈测试 仪测得的数据无法判断松动圈的大小。为了有效控
制松动圈, 有必要通过理论计算进行确定。根据近 几年的理论研究, 线性弱化理想残余塑性模型比较 接近实际。
( 2) 锚杆支护具有 组合作用。在 锚固力作 用 下, 锚杆穿过松动圈厚度能将薄层状巷道顶板、破 碎的顶板组合在一起, 形成组合拱 ( 梁) , 通过锚 杆支护反力的逐渐增加使围岩的松动圈厚度逐渐减 小, 形成比较坚固的再生环或锚固带, 并进一步压 缩成 / 压力拱0。这种压力拱不仅能承受自身重量 和上覆岩层的压力, 而且可以提高巷道支护结构的
4 松动圈厚度的控制
松动圈范围内的岩石进一 步扩大导致巷 道破 坏, 其原因是围岩松动、裂隙扩大造成的。即是松 动圈内的岩石进一步软化, 受力平衡遭到破坏, 自 承力降低所致。因而, 控制松动圈厚度就是要阻止 松动圈内岩石的进一步软化, 并对围岩强度进行恢 复, 至少使一部分恢复到弹性状态, 以提高其残余 强度, 增强巷道稳定性, 提高承载能力, 阻止围岩 变形。
[ ( 1- sin U) ( P0 + m0B 0cot U+
ccot U) ] + m0B 0
R r
2
cos U- ( c + m0B 0) cos U
54
RH =
1+ 1-
sin sin
UURr +
2cos U 1- sin U
c-
m0 B0
R2 r2
-
1
式中
B0 )))
B0=
1 2G
( P0sin
U+ cos
U) ;
G ) ) ) 围岩弹性模量。
塑性区的外圈半径与弹性区内圈半径相等。
213 松动圈应力分析及半径计算 煤层破坏前后, 内摩擦角一般变化不大, 但在
塑性区内圈交界处, 围岩的黏结力与塑性区相同,
故松动圈的岩石应力也满足库仑准则, 即
R1 =
R3
1+ 1-
sin sin
UU+
2c* cos 1 - sin
CHU Ming- xiang1, YAN Jing- guang2
( 11 Shandong University of Science and Technology , Tai. an 271021, China; 21 Shandong Tianzhuang Coal Mine , Jini ng 272103, Chi na )
R=
a t
{
[
2sin U
t 1- sin U( p 0
+
m0B 0cot
U+
c cot
U) -
(c-
c*+
m0B 0) cot
U] / [ Pa +
c*
cot
U( 1-
sin
1- sin U
U) ] } 2sin U
式中 a ) ) ) 巷道半径; Pa ) ) ) 巷道支护反力; R ) ) ) 塑性区半径, 由此可求得 tR, 即松动 圈半径。
sin sin
UU+
2cmcos U 1- sin U
式中
cm = c - m0( E1 - ER ) , m0 ) ) ) 塑性区应力应变曲线斜率, m0=
tan A; ER ) ) ) 初始屈服时的最大主应变, 即弹塑性
区交界面上的最大主应变。
塑性区应力为
2sin U
Rr =
r R
1- sin U
在沿空留巷过程中, 木垛的半圆木加木楔, 木 楔大头向巷, 在回采工作面风巷安装回柱绞车, 回 收材料十分方便, 回收方法是在工作面回柱之后, 回柱绞车绳头挂在 钢带上拉出, 然后拆出木 垛木 楔, 拉出半圆 木, 回收的 钢带、锚杆 运至地面 复 用, 坑木作为工作面采矿使用。
直接经济效益: 该技术提高了高岭土矿的回采 率, 每个工作面按走向 200 m 计算, 多采岩柱 5 m 宽, 采高 211 m, 多回收 高岭土 2 kt , 价值 22 万 元。按掘进每米巷道成本 1 800 元计, 200 m 巷道 少投入 36 万元, 所以每个工作面创直接经济效益
U U
式中 c* ) ) ) 围岩残余黏结力。
松动圈是塑性区内圈, 小于外圈半径 R , 令
t= r/ R。
在 r = tR 时, 存在 cm= c*
c-
c* =
m0 B0
1 t2
-
m0B0
从而求得 t =
m0 B0 c- c* + m0B 0
因为在 r = tR 处, Rr 与R 处的相等, 故推得
RH = P 0 + ( P 0sin U+ ccos U)
式中 P 0 ) ) ) 支承压力峰值, MPa; U) ) ) 煤层的内摩擦角, 平均为 30b; c ) ) ) 围岩黏结力。
212 塑性区的应力分析 由于塑性区粘结力取决于塑性应变, 在塑性区
内满足库仑条件, 即
R1 =
R3
1+ 1-
目前各矿回采巷道多采用 棚子支护或锚 杆支 护。由于棚子支护是一种传统的被动支护形式, 在 复杂的压力状态下, 它必须借助其它形式的支护配 合, 才能确保巷道的绝对安全。因而锚杆支护已成 为解决巷道围岩承受采动支承压力的重要途径。采 用锚杆支护解决采动支承压力问题, 关键是确定出
木垛与走向双抬棚交替进行, 沿空留巷质量较好, 符合 4 号工作面回风和行人要求。4 号工作面回采 过程中, 超前支护为 13 m, 采用二梁三柱顺山棚。
作者简介: 刘生优 ( 1967- ) , 男, 安徽肥西人, 高级工程师, 现在淮北矿业集团公司生产管理部工作, 一直从事煤矿现场生产及 技术管理工作。
收稿日 期: 2003- 05- 08; 责任编辑: 曾康生
53ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第 31 卷第 9 期
煤炭科学技术
2003 年 9 月
圈和弹性圈。松动圈是巷道围岩塑性区的内圈, 是 塑性区的一部分, 松动圈半径与塑性区半径存在着 量的相关性, 即松动圈半径, 随着塑性区半径增大 而增大。确定松动圈厚度的关键是确定松动圈的半 径。
( 2) 松动圈的厚度与松动圈半径有关。由于巷 道破坏的原因是松动圈厚度扩大造成的, 因而解决 巷道支护问题的关键是控制松动圈的厚度。
( 3) 控制松动 圈厚度可 以通过锚 杆支护来 实 现。当采用锚杆支护时, 可以通过锚杆支护反力增 大, 使松动圈半径减小, 即通过使松动圈厚度减小 来解决回采巷道的支护问题。
58 万元。
参考文献:
[ 1] 侯朝炯, 郭励生, 勾攀峰, 等. 煤巷锚 杆支护 [M ] . 徐州: 中国矿业大学出版社, 1999.
[ 2] 孟德君, 刘生优. 淮北朔里矿煤系高岭岩开采技 术 [ J] . 中 国煤炭, 2000 ( 10) .
[ 3] 刘生优, 孟德君. 煤系地层高岭岩开采技术探讨 [ J] . 西部 探矿工程, 2002 ( 2) .
随着煤矿开采深度增加和 综采技术的广 泛应 用, 矿井生产趋 于高度集中化, 而且回采速 度加 快, 从而给巷道支护提出了一系列问题。对于回采 巷道, 由于一方面处于原始岩体应力状态中, 同时 又随时受到采动引起的支承压力作用, 巷道变形严 重, 支护非常困难, 冒顶破坏事故不断发生, 其支 护问题已成为各矿亟待解决的问题。
参考文献:
[ 1] 郑雨天. 岩石力 学的弹塑 粘性理 论基础 [ M ] . 北 京: 煤炭 工业出版社, 1988.
作者简介: 初 明祥 ( 1963- ) , 男, 山东诸 城人, 副 教授, 现 从事土木工程教学和研究工作。
收稿日 期: 2003- 03- 20; 责任编辑: 王宗禹
( 上接第 50 页) 及设备的改进, 克服了出矸效率低及工时利用率低 的弊端, 使掘 进效率和机械化 水平有了较大 的提 高, 工效由原 01118 m/ 工提高到 01156 m/ 工, 月进 水平由原 90 m 提高到 200 m, 提高了 120% , 年进 水平可达到 2 000 m。
巷道的破坏主要是巷道围岩松动圈的过度扩大 造成的。松动圈厚度的过度扩大, 给巷道支护带来 了很大困难。因而, 阻止围岩破坏, 有效地对巷道 进行支护, 其关键是防止松动圈扩大, 并在确定其 厚度的前提下, 运用合适的支护手段加以控制, 使 之减少。
第 31 卷第 9 期
煤炭科学技术
2003 年 9 月