CN108035743A - 回采巷道临界宽度的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种回采巷道临界宽度的确定方法,首先,确定普氏拱理论的主要参数;而后,计算回采巷道围岩压力;最后再确定回采巷道临界宽度。以有效控制破碎覆岩回采巷道变形,根据其赋存特征采用“工”字钢架棚支护技术,分析破碎覆岩普氏拱结构的形成原理和研究回采巷道临界宽度。本发明属于巷道施工技术领域。

Description

回采巷道临界宽度的确定方法
技术领域
本发明提供一种巷道宽度确定方法,属于巷道施工技术领域。
技术背景
复杂条件下围岩物理力学特性与其赋存环境有直接关系。当巷道遇到破碎带、断层带、节理发育地段以及采动影响时,岩体强度大大降低,巷道开挖后,巷道围岩呈现不稳定变形和破坏,给煤矿安全生产带来极大威胁。为有效解决破碎覆岩回采巷道出现的工程问题,巷道的支护形式和掘进尺寸是关键。巷道的掘进宽度应小于巷道的临界宽度,即满足生产设备等正常使用条件下的最大开挖宽度。
巷道临界宽度受工程地质条件、巷道形状、巷道支护等因素的影响。对于较完整的巷道围岩,普通的锚杆、锚索联合支护基本上能够解决实际工程问题,减小顶板事故的发生。但破碎覆岩条件下须考虑传统的架棚支护,如果仍采用普通围岩巷道宽度掘进,则容易形成巷道局部冒顶、两帮不稳定、围岩变形大、支护困难等问题。
在破碎覆岩回采巷道中,坍塌和松动是产生围岩压力的主要因素,松动压力是主要的围岩压力。巷道围岩压力直接影响支护的形式和参数,进而影响破碎覆岩条件下回采巷道的临界宽度。所以,研究架棚支护下破碎覆岩回采巷道临界宽度具有一定的理论价值和实用意义。
发明内容
本发明的目的是为了有效控制破碎覆岩回采巷道变形,根据其赋存特征采用“工”字钢架棚支护技术,分析破碎覆岩普氏拱结构的形成原理和研究回采巷道临界宽度。
为解决上述问题,拟采用这样一种回采巷道临界宽度的确定方法,包括如下步骤:
步骤一,确定普氏拱理论的主要参数:
(1)确定岩石的坚固性系数与换数内摩擦角
(2)确定普氏拱宽度和高度
确定压力拱的跨度和拱高之后,整个压力拱的形态也即完全确定下来,进而能够确定出巷道顶部不同位置处的荷载集度,为确定巷道临界宽度的计算提供依据;
步骤二,计算回采巷道围岩压力:最大荷载集度按qmax=knγh进行计算,其中:qmax为拱顶最大荷载集度,kN/m;k为架棚安全系数;n为棚间距,m;γ为破碎围岩容重,kN/m3
步骤三,确定回采巷道临界宽度
为确定破碎覆岩条件下回采巷道临界宽度,需要求出普氏拱的高度,由拱高确定最大荷载集度和支护参数,根据煤矿所用工字钢的屈服强度和棚间距来反演出巷道的临界宽度。
前述方法中,确定岩石的坚固性系数与换数内摩擦角的具体方法如下:
根据实验室所做煤样试验,得岩石单轴抗压强度Rc,由于煤层底分层受顶分层工作面的采动影响,顶煤较破碎,煤岩体力学参数修正系数按1/2考虑,从而有:
式中:fk为煤岩体的坚固系数;Rc为煤岩的单轴极限抗压强度;为换算内摩擦角。
前述方法中,确定普氏拱宽度和高度的具体方法如下:
在巷道开挖以后,对于完整性和岩性较差的岩石,在巷帮两侧的岩体处于极限平衡状态,破裂线与垂线的交角为普氏拱的跨度应根据两侧破裂线确定,则得普氏拱的跨度和高度,即求得2b2与h,为:
综合得到:
式中:h为压力拱高度;L1为梯形巷道上底宽;b1为梯形巷道下底跨度之半;b2为压力拱跨度之半;h0为巷道的高度,α为工字钢棚柱腿下插角。
前述步骤三中,1梁2柱巷道临界宽度的确定方法如下:
将棚梁拆分化简,按照结构力学的求解方法进行求解,计算棚梁的最大正应力按弯曲正应力计算,其结果能够满足实用的需要,由棚梁弯矩图可知,最大弯矩为:
最大正应力按弯曲正应力计算,矿用工字钢常用16Mn钢制成,本发明选择16Mn钢:
max=mσs
式中:k为架棚安全系数,由于用此方法计算已经很保守,这里取1.3;m为工字钢最大正应力按弯曲正应力计算时折减系数,这里取0.9;σs为矿用工字钢的屈服极限,σmax—梁中最大压应力;Wx—最大弯矩处梁的抗弯截面模量。
即1梁2柱时巷道上底临界宽度L1与巷道高度h0及工字钢参数σs、Wx的关系式:
将具体的围岩物理参数、工字钢参数代入,即可求出巷道上底临界宽度。
前述步骤三中,1梁3柱巷道临界宽度的确定方法如下:
由结构力学知识可知,1梁3柱,即中间支柱加在顶梁1/3处时,棚梁最大弯矩为:
计算棚梁的最大正应力按弯曲正应力计算,可得1梁3柱时巷道上底临界宽度L1与巷道高度h0及工字钢参数σs、Wx的关系式:
将具体的围岩物理参数、工字钢参数代入,即可求出巷道上底临界宽度。
本发明与现有技术方法相比具有以下优点:
1、回采巷道临界宽度确定方法计算步骤简单、实现方便且投入成本低。
2、回采巷道临界宽度确定方法简单、合理,并且所确定的临界宽度与工程实际非常接近。
3、使用效果好,能对矩形、梯形巷道进行有效支护设计,避免了回采巷道的返修工作。能对回采巷道顶板进行有效加固,并能有效保证长距离巷道的支护效果。
综上所述,本发明方法步骤简单、参数合理、施工简单、成本较低、安全可靠、实现方便且使用效果好,能对回采巷道顶板冒落进行有效防治,避免了回采巷道的返修工作,且施工成本低,尤其适用于破碎覆岩回采巷道。
附图说明
图1为巷道上方普氏拱荷载分布示意图;
图2为1梁2柱架棚支护示意图;
图3为1梁3柱架棚支护示意图;
图4为1梁2柱棚梁弯矩图;
图5为1梁3柱棚梁弯矩图。
具体实施方式
为使本发明表述的更为清楚,下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
实施例:
参照图1至图5,本实施例提供了一种回采巷道临界宽度的确定方法,一种回采巷道临界宽度的确定方法,包括如下步骤:
1)确定普氏拱理论的主要参数:回采巷道顶部为上部煤层工作面的冒落矸石和被上分层工作面破坏了的顶煤,两帮也为破碎煤体,巷道的断面形状为等腰梯形,巷道上方要形成普氏拱,则要求巷道埋深H必须大于2倍普氏拱高或2.5倍普氏拱跨度,可以满足普氏拱理论的适用条件。
(1)岩石的坚固性系数与换数内摩擦角
根据实验室所做煤样试验,得岩石单轴抗压强度Rc,由于煤层底分层受顶分层工作面的采动影响,顶煤较破碎,煤岩体力学参数修正系数按1/2考虑,从而有:
式中:fk为煤岩体的坚固系数;Rc为煤岩的单轴极限抗压强度;为换算内摩擦角。
(2)确定普氏拱宽度和高度
一般来说,在巷道开挖以后,对于完整性和岩性较差的岩石,在巷帮两侧的岩体处于极限平衡(塑性平衡)状态,破裂线与垂线的交角为普氏拱的跨度应根据两侧破裂线确定,则可得普氏拱的跨度和高度,如图1,即求得2b2与h,为:
综合得到:
式中:h为压力拱高度;L1为梯形巷道上底宽;b1为梯形巷道下底跨度之半;b2为压力拱跨度之半;h0为巷道的高度;α为工字钢棚柱腿下插角。
确定压力拱的跨度和拱高之后,整个压力拱的形态也即完全确定下来,进而可以确定出巷道顶部不同位置处的荷载集度,为确定巷道临界宽度的计算提供依据。
2)计算回采巷道围岩压力:巷道上方普氏拱形状为抛物线形,巷道跨度中点对应普氏拱的顶点,此处普氏拱的高度最大,荷载集度也最大;越靠近巷道两帮处,普氏拱的高度越小,荷载集度也越小,安全起见,临界宽度计算荷载集度都按最大荷载集度考虑,最大荷载集度按qmax=knγh进行计算。其中:qmax为拱顶最大荷载集度,kN/m;k为架棚安全系数;n为棚间距,m;γ为破碎围岩容重,kN/m3
3)回采巷道临界宽度确定
为确定破碎覆岩条件下回采巷道临界宽度,需要求出普氏拱的高度,由拱高确定最大荷载集度和支护参数;根据煤矿常用型钢—12#“工”字钢的屈服强度和棚间距来反演出巷道的临界宽度。由于破碎覆岩条件下支护采用架棚支护,考虑到架棚支护的形式多种多样,主要讨论2种最常见架棚支护形式来分别确定回采巷道的临界宽度,即1梁2柱(图2)和1梁3柱(图3),其中1梁3柱中单体支柱加在“工”字钢顶梁1/3处。
在支护使用的“工”字钢的材料和型号已定的情况下,不同的L1会导致普氏拱高度和“工”字钢最大正应力的不同。由于架棚结构的棚腿安全系数远大于棚梁的安全系数,当棚梁的安全性满足要求时,整个结构的安全性就得以保障,故当棚梁处“工”字钢最大正应力等于”工”字钢屈服极限时,可确定出巷道的临界宽度。
(1)1梁2柱时临界宽度确定
将棚梁拆分化简,按照结构力学的求解方法进行求解。计算棚梁的最大正应力按弯曲正应力计算,其结果能够满足实用的需要,由棚梁弯矩图(图4)可知,最大弯矩为:
最大正应力按弯曲正应力计算,矿用工字钢常用16Mn钢制成,本实施例也选择16Mn钢:
max=mσs
式中:k为架棚安全系数,由于用此方法计算已经很保守,这里取1.3;m为工字钢最大正应力按弯曲正应力计算时折减系数,这里取0.9;σs为16Mn钢的屈服极限,σmax—梁中最大压应力;Wx—最大弯矩处梁的抗弯截面模量。
即1梁2柱时巷道上底临界宽度L1与巷道高度h0及“工”字钢参数σs、Wx的关系式:
(2)1梁3柱时临界宽度确定
由结构力学知识可知,1梁3柱(中间支柱加在顶梁1/3处)时棚梁最大弯矩(图5)为:
计算棚梁的最大正应力按弯曲正应力计算,可得1梁3柱时巷道上底临界宽度L1与巷道高度h0及“工”字钢参数σs、Wx的关系式:
将具体的围岩物理参数、12#矿用工字钢参数代入,即可分别求出巷道上底临界宽度。
当巷道高度一定时,支护强度和棚间距是影响巷道临界宽度的主要因素;当支护强度一定时,棚间距越小,巷道临界宽度就越大;当棚间距相同时,架棚支护增加单体支柱可以显著提高巷道临界宽度。当临界宽度较小时,断面面积较小,不满足通风及运输设备的要求,如若梯形巷道上底的临界宽度过大,虽然满足巷道断面要求,但造成巷道空间浪费,增加支护成本。

Claims (5)

1.回采巷道临界宽度的确定方法,包括如下步骤:
步骤一,确定普氏拱理论的主要参数:
(1)确定岩石的坚固性系数与换数内摩擦角
(2)确定普氏拱宽度和高度
确定压力拱的跨度和拱高之后,整个压力拱的形态也即完全确定下来,进而能够确定出巷道顶部不同位置处的荷载集度,为确定巷道临界宽度的计算提供依据;
步骤二,计算回采巷道围岩压力:最大荷载集度按qmax=knγh进行计算,其中:qmax为拱顶最大荷载集度,kN/m;k为架棚安全系数;n为棚间距,m;γ为破碎围岩容重,kN/m3
步骤三,确定回采巷道临界宽度
为确定破碎覆岩条件下回采巷道临界宽度,需要求出普氏拱的高度,由拱高确定最大荷载集度和支护参数,根据煤矿所用工字钢的屈服强度和棚间距来反演出巷道的临界宽度。
2.根据权利要求1所述回采巷道临界宽度的确定方法,其特征在于,确定岩石的坚固性系数与换数内摩擦角的具体方法如下:
根据实验室所做煤样试验,得岩石单轴抗压强度Rc,由于煤层底分层受顶分层工作面的采动影响,顶煤较破碎,煤岩体力学参数修正系数按1/2考虑,从而有:
<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>R</mi> <mi>c</mi> </msub> <mn>10</mn> </mfrac> </mrow>
式中:fk为煤岩体的坚固系数;Rc为煤岩的单轴极限抗压强度;为换算内摩擦角。
3.根据权利要求1所述回采巷道临界宽度的确定方法,其特征在于,确定普氏拱宽度和高度的具体方法如下:
在巷道开挖以后,对于完整性和岩性较差的岩石,在巷帮两侧的岩体处于极限平衡状态,破裂线与垂线的交角为普氏拱的跨度应根据两侧破裂线确定,则得普氏拱的跨度和高度,即求得2b2与h,为:
<mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>b</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>h</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
<mrow> <mi>h</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>b</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>f</mi> <mi>k</mi> </msub> </mfrac> </mrow>
综合得到:
式中:h为压力拱高度;L1为梯形巷道上底宽;b1为梯形巷道下底跨度之半;b2为压力拱跨度之半;h0为巷道的高度,α为工字钢棚柱腿下插角。
4.根据权利要求1所述回采巷道临界宽度的确定方法,其特征在于,步骤三中,1梁2柱巷道临界宽度的确定方法如下:
将棚梁拆分化简,按照结构力学的求解方法进行求解,计算棚梁的最大正应力按弯曲正应力计算,其结果能够满足实用的需要,由棚梁弯矩图可知,最大弯矩为:
<mrow> <msub> <mi>M</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>q</mi> <mi>max</mi> </msub> <msup> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mn>8</mn> </mfrac> </mrow>
最大正应力按弯曲正应力计算:
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式中:k为架棚安全系数,由于用此方法计算已经很保守,这里取1.3;m为工字钢最大正应力按弯曲正应力计算时折减系数,这里取0.9;σs为矿用工字钢的屈服极限,σmax—梁中最大压应力;Wx—最大弯矩处梁的抗弯截面模量;
即1梁2柱时巷道上底临界宽度L1与巷道高度h0及工字钢参数σs、Wx的关系式:
将具体的围岩物理参数、工字钢参数代入,即可求出巷道上底临界宽度。
5.根据权利要求1所述回采巷道临界宽度的确定方法,其特征在于,步骤三中,1梁3柱巷道临界宽度的确定方法如下:
由结构力学知识可知,1梁3柱,即中间支柱加在顶梁1/3处时,棚梁最大弯矩为:
<mrow> <msub> <mi>M</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <msub> <mi>qL</mi> <mn>1</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mn>24</mn> </mfrac> </mrow>
计算棚梁的最大正应力按弯曲正应力计算,可得1梁3柱时巷道上底临界宽度L1与巷道高度h0及工字钢参数σs、Wx的关系式:
将具体的围岩物理参数、工字钢参数代入,即可求出巷道上底临界宽度。
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