掘进工作面支护方案与锚杆抗拔作用力学模型研究_付廷喜.pdf

掘进工作面支护方案与锚杆抗拔作用力学模型研究 付 廷 喜 （大同煤矿集团大斗沟煤业有限公司，山西 大同 037000 ） 摘要 结合同忻三盘区山 2 煤层 8201 工作面切眼掘进施工实例，介绍了 EBZ- 260 型综掘机掘进 施工工艺及锚杆 （索支护方法。探讨了锚杆抗拔作用的力学模型及荷载计算。实践证明， 施工技术措 施科学合理， 支护方法适当， 确保了安全生产， 取得了较好的经济效益。 关键词 8201 工作面 ； 锚杆 （索 ） 支护施工 ； 抗拔力学模型 ； 荷载计算 中图分类号 TD353文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0117- 03 Study on the support model of the driving face and the mechanical model of the bolt pullout resistance FU Tingxi （DatongCoal MiningGroup Dadougou Coal IndustryCo., Ltd. , Datong 037000 , China ） Abstract This paper introduces the construction example ofthe EBZ- 260 type comprehensive excavation machine and the bolt cablesup- port in combination with the construction example ofthe 8D coal seam8201 workingface in Tongpan Sanpan District. The mechanical model and load calculation of bolt pullout resistance are discussed. Practice has proved that the construction technical measures are scientific and reasonable, and the supportings are appropriate, ensuringsafe production and achievinggood economic benefits. Key words 8201 workingface ; bolt cablesupport construction ; pullout mechanics model ; load calculation 1矿井概况 1.1地表及井下位置 根据 同忻三盘区山 2 煤层 8201 工作面掘进地 质说明书 提供数据， 地面位于碾子沟新兴村南西部， 三条小路和北洋路穿越本工作面， 工作面中部地面为 本矿已关闭南井井口及工业广场， 有四条沟穿越本工 作面， 深度为 16～33m， 宽度为 29～142m， 地表大部分 种植小松树， 盖山厚度为 450～510m。 井下位于同忻三 盘区山 2 煤层， 北东部为 8201 工作面， 北西部为山 2 煤层可采边界,南西为山 2 煤层可采边界。 1.2煤 （岩） 层赋存特征 根据 2201 巷和 5201 巷掘进时揭露的煤厚， 煤 体结构简单， 平均煤厚 2.4m中厚煤层， 含夹矸 1- 2 层 （0.15～0.4） 。 煤层走向北西， 煤层特征及顶 （底） 板 岩层详见表 1、 表 2。 表 1煤层特征情况 表 2顶、 底板岩性特征表 2施工组织设计与方法 2.1巷道布置 巷道层位、开口位置及方位角 8201 工作面开 切 眼 位 山 2 层 三 盘 区 ， 巷 道 开 口 设 计 位 置 X4433322.537， Y542210.397， 掘 进 方 位 角 为 14415′20″。巷道开口位置与 2201 巷水平夹角 为 900′0″。同忻三盘区 8201 工作面开切眼巷 道中线按照巷道的方位进行控制。 2.2巷道形状及断面 （见表 3） 表 3断面尺寸及工程量汇总表 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 项 目指 标 煤层厚度 （最小 ～ 最大 / 平均 ） m2.3～2.5/2.4 煤层倾角 （最小 ～ 最大 / 平均 ） 1～3/2 煤层硬度∫ （最小 ～ 最大 / 平均 ）4～6 煤层层理发育 （发育程度 ）发育 煤层节理 （发育程度 ）不发育 自然发火期 （d ）30～120 正常涌水量 / 最大涌水量 （m3/min ）0.05/0.09 绝对瓦斯涌出量 （m3/min ）0.5 煤层爆炸指数 /50.67 煤 层 顶 底 板 情 况 顶底板名称 岩石名称厚度 （m ）岩性特征物理力学性质 老顶中粗砂岩 5.1～14.58 灰白色， 中粗壮构 造， 厚层状构造 抗压强度 29.3MPa 抗拉强度 1.68MPa 直接顶泥岩0.6～0.8 灰色， 泥质结构， 层状构造 抗压强度 25.4MPa 抗拉强度 0.14MPa 直接底泥岩3.08～5.58 灰黑色， 泥质结 构， 层状构造 抗压强度 50MPa 抗拉强度 0.4MPa 巷道名称 （按断面分 ） 单巷 长度 （m ） 掘进 坡度 净宽净高 （mm ） 掘宽掘高 （mm ） 8201 古塘侧小切眼 （A- A断面， 矩形 ） 180 沿底 掘进 5100310052003300 8201 工作面侧小切眼 （A- A断面， 矩形 ） 180 沿底 掘进 2400310025003300 机组滚筒壁龛 （矩形 ） 2.0 净宽净深净高 （mm ） 2000020003100 净宽净深净高 （mm ） 2000020003300 117 ChaoXing 2.3施工方法 1） 8201 工作面开切眼采用 EBZ- 260 型综掘机 掘进， 开切前按设计打两排组合锚索， 锚索采用直 径 8mm 的钢条 3 根拧在一起， 长度 8000mm， 间距 4m，每排距帮 1.5m。首先，按全断面 7.7m 宽施工 10m 后再进行工作面侧小切眼施工， 最后扩刷古塘 侧小切眼， 掘、 刷两个过程,以保证开切眼顶板平整。 2） 大断面严禁一次性扩刷成巷， 分次掘进、 分 次支护，支护时工作面侧帮按图纸设计进行支护， 扩刷帮上部采用 Φ222000mm 高强度螺纹钢 （BHRB 400） 锚杆每排 2 根进行临时支护， 上部第一 根 锚 杆 距 顶 板 不 大 于 450mm， 玻 璃 钢 护 板 Φ200mm， 厚 50mm， 铺设高强塑料网。 3锚杆抗拔作用力学模型及荷载计算 锚杆 （索） 支护技术能有效提高巷道支护安全， 改善井下工作环境。锚杆是将小面积的顶板围岩锚 定成一个小的整体， 而锚索是将几个小的整体锚定 成一个较大的稳定区。锚杆 （索） 对稳定顶板及围岩 的效果主要取决于岩体的结构类型、 破坏形式以及 锚杆 （索） 的长度、 角度和间距等因素， 安装时， 主要 考虑预紧力的大小。锚杆 （索） 应用需要满足以下条 件 Pyi＞Pmax。公式中， Pyj为锚杆 （索） 预紧力， Pmax为锚 杆 （索） 同时满足各种作用所需的最大作用力。 3.1锚杆抗拔作用的力学模型 建立锚杆抗拔作用的力学模型时, 通常依据假 设的锚杆抗拔试验的剪应力与位移的关系曲线， 从而 推导出锚固体表面的剪切力及其轴力的分布公式 NP- πDk β （B1eβx- B2e-βx） B3（1） τ- k （B1eβx- B2e-βx）（2） 式中 β πDk AEα■ k 为剪切变形系数, 其值与 围岩性质 、 锚固体结构特性以及作用在锚固体上的 垂直应力有关 ； P 为拉拔力 ；Lα为杆体的锚固长 度, 系数 B1、 B2、 B3由以下边界条件确定 （1） 当 x0 时， NP；（2） 当 xLα时， N0；（3） 当 x0 时， u u0（u0 为位移实测值） 。 求得 B1 Pβ/kπDu0 （e-rLα- 1） eBLαe- PLα- 2 ， B2 - Pβ/πDku0 （ePLα- 1） eBLαe-BLα- 2 ， B3 kπD β （B1- B2） 为了便于描述 ,假设锚杆拉筋和岩体的弹性模 量及岩土体的泊松比分别为 Eb2.0105MPa， E6. 0103MPa， μ0.3， 锚杆直径 r22mm， 锚杆的拉拔 力 P300kN； 锚固体直径 D50mm， 锚固体的等效弹 性模量为 Eα8.0104MPa，锚固体与锚固层界面 的剪切模量 Gs20MPa，锚固段长度为 Lα10m， 锚 固体剪切变形系数 k8.0MPa/m 。 该模型考虑了锚固体的剪切变形系数, 锚固体 的等效弹性模量及锚孔位移的实测值, 则由式 （1） 、 （2） 得 锚固体表面剪应力分布为 N134.8e0.0894x837. 3e-0.0894x- 972 锚 固 体 的 轴 力 分 布 为 τ- 0.0768e0.0894x0. 4768e-0.0894x 在实测 u0为 50.90mm , 其它参数不变的情况 下 ,其分布曲线如图 1、 图 2。 图 1锚固体剪应力变化曲线 图 2锚固体轴力变化曲线 依据图 1、 图 2 应力变化曲线， 不难得出， 锚杆 在不同深度的变形量及应力大小是不同的。锚杆的 受力分为两部分 越接近巷道一端的， 锚杆为防止 围岩移动而变形比较大， 因此锚杆受到的剪应力也 最大； 反之， 远离巷道一端， 锚杆表面受到背向巷道 的剪应力， 导致锚杆的变形量及位移减小。为此而 得出， 锚杆在不同深度的不均匀变形， 产生锚固效应， 抑制了顶板围岩的变形， 实现了顶板围岩的支护。 3.2锚杆 （索） 承受的拉断荷载计算 Pπd2/4 σb 式中 P 为锚杆 （索） 拉断荷载； d 为锚杆 （索） 直 径； σb为锚杆 （索） 拉断强度。 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 118 ChaoXing 从常用锚杆钢筋拉伸强度表可知，对于直径 22mm 锚杆而言， 高强度螺纹钢 （BHRB400） ， 其拉断 荷载计算如下查表 （σb570） Pπd2/4 σb（3.14159222/4） 570216675.4623≈216.7kN （满足设计要求） 3.3锚杆 （索） 承受的剪切荷载计算 Qπd2/4 τb 式中 Q 为锚杆 （索） 剪切荷载； d 为锚杆 （索） 直 径； τb为锚杆 （索） 剪切极限强度。 从常用锚杆钢筋剪切强度表可知，对于直径 22mm 锚杆而言， 高强度螺纹钢 （BHRB 400） 其剪切 极限强度计算 （查表 τb399） Qπd2/4 τb（3.14159 222/4） 399151672.82361≈151.7kN （满足设计要求） 本工程依据设计要求、 顶板围岩实际情况及受 力验算， 锚杆采用直径 22mm， 长度 2000mm 的螺纹 钢筋，锚索采用直径 8mm 的钢条 3 根拧在一起， 长 度 8000mm。 4锚杆 （索） 支护施工工艺 施工作业工序 临时支护→定眼位→钻眼→装 树脂→注锚杆→搅拌→凝固→紧固→检查。 4.1临时支护、 定眼位 打锚杆、 锚索前先将机载前探梁及金属网升起 与顶板接实， 然后将锚杆机调整到合适位置， 根据 锚杆、 锚索设计的间排距， 将锚杆、 锚索的眼孔位置 用喷漆标好， 眼位误差不得大于100mm， 并在钻杆 上标出钻孔的深度。 4.2装药、 搅拌、 凝固和紧固 安装锚杆 （锚索） 时， 取两支 （三支） MSK2360 树 脂锚固剂放入眼内， 然后用锚杆 （锚索）顶住锚固 剂， 送入眼内， 再将锚杆 （锚索） 放入搅拌器， 开起风 钻将锚固剂送到眼底开始转动进行搅拌， 快速型锚 固剂搅拌时间一般控制在 20～35s，等待固化时间 为 90～180s， 7min 后用风动扳手 （锚索涨拉千斤） 进 行预紧， 15min 后方可测试锚固力。 4.3检查 完成紧固工序之后使用盒尺和扭距扳手 （锚索 涨拉千斤） 检查锚杆 （锚索） 安装是否合格。 为了确保安全施工， 锚杆、 锚索支护必须紧跟 工作面， 不得滞后， 如巷道遇破碎带， 过地质构造时 必须编制专项安全技术措施； 挂网前要处理离层片 帮， 处理完后才能开始支护， 保证作业人员安全； 在 掘进过程中严格控制墙底脚伸腿现象, 否则必须人 工处理；一旦发现支护质量问题必须及时处理， 并 认真填写相关生产日志。 5结语 同忻三盘区山 2 煤层 8201 工作面切眼巷道掘 进施工， 自 2018 年 8 月 27 日开始， 历时 2 个多月， 于 2018 年 10 月底顺利完工。由于所采用锚杆 （索） 支护方法与施工工艺科学合理， 不仅保证了安全生 产,改善了井下作业环境， 而且节约了支护和维修费 用,取得了较好的经济效益。 参考文献 [1] 赵德芳.探析煤矿井下巷道掘进顶板支护[J].河南科技， 2013 （12） . [2] 陈鹏飞. 关于煤矿井下巷道掘进顶板支护技术研究[J].内 蒙古经济，2016.21 [3] 王剑,李付臣,魏忠民.煤巷快速施工成套设备与支护技术 研究[A].2007 [4] 邹志晖, 汪志林.锚杆在不同岩体中的工作机理[ J] .岩土 工程学报, 2009, 15 （6） 71～ 79 作者简介 付廷喜 （1988.10－） ， 男， 助理工程师。毕业于太原理工 大学采矿工程专业， 现大同煤矿集团大斗沟煤业有限公司从 事井下掘进采煤技术工作。 （收稿日期 2019- 7- 1） 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 119 ChaoXing