CN111581833A - 一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法，该方法通过矿井现场实测确定回采巷道超前段顶板应力集中系数，基于弹塑性理论得到不同粘聚力及不同厚度岩层内的弹性切向应力与塑性切向应力分布，确定回采巷道超前段顶板塑性区发育情况，并以此为依据得到回采巷道超前支护初步设计方案；利用数值模拟对理论分析做进一步论证，分析设计方案的损伤破坏特征，确定回采巷道超前支护最终设计方案；将最终回采巷道超前支护设计方案应用到现场实际，并根据试验效果调整锚索布置密度，直至达到支护设计要求。本发明实现了回采巷道超前段支护方式占用空间小、劳动成本低，极大的提高了施工效率，保证了工作面的安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及回采巷道超前支护领域，具体涉及一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法。
背景技术
采煤工作面回采巷道超前段是煤炭运输、行人及设备运输的枢纽，长期以来，受作业空间小、运输设备多、人员流动频繁等影响，使得该区域存在着巨大的安全隐患，同时由超前采动及支承压力影响的矿压显现较为复杂，造成巷道维护困难，其安全有效支护一直是我国矿山安全生产的难点。随着开采深度的增加，地应力及构造应力的影响显著增加，巷道超前段煤壁脱落、底板鼓起等问题层出不穷，导致巷道断面收敛性增加，造成通风、运输困难。
我国目前常用的超前支护手段主要有2种：单体支柱+π型梁和自移式液压支架。实际生产过程中采用π型梁和单体支柱结合支护的缺点：1)支护强度不足，受到较大顶板压力时，易造成支柱损伤破坏；2)回收困难，使用过程中出现频繁钻底现象，导致其回撤难度大；3)支护效率低，人工劳动强度大，严重降低了煤炭开采速率与产量。在机械化、智能化综采技术日益发展的今天，该种支护方式已无法满足安全高效生产需要。自移式液压支架相比于单体支柱+π型梁支护来说，支护强度与支护效率得到提升，但依旧存在部分缺陷：1)在移架过程中反复支撑顶板，造成顶板破碎，不利于顶板维护和管理；2)工人劳动强度大，支架安装、维护、拆卸工序复杂，消耗人工资源较多；3)巷道有效使用空间减小，液压支架占据较多巷道空间引起设备挪移困难、风速过快等问题。
基于目前传统超前支护存在的问题，本发明提出一种采用补强锚索强化巷道超前段的围岩控制技术，相比于单体支柱+π型梁和自移式液压支架支护，可大幅度降低劳动强度、减少巷道空间占用率、提高围岩控制成效。
发明内容
基于目前传统超前支护存在的问题，本发明提出一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法，相比于单体支柱+π型梁和自移式液压支架支护，可大幅度降低劳动强度、减少巷道空间占用率、提高围岩控制成效。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法，具体步骤包括：
(1)通过矿井现场实测结合理论分析，确定回采巷道超前段顶板支护范围，为回采巷道超前支护提供理论依据，确定回采巷道超前支护初步设计方案；
(2)通过数值模拟对理论分析的准确性做进一步论证，分析初步设计方案的巷道顶板损伤破坏特征，确定回采巷道超前支护最终设计方案；
(3)将最终设计方案应用到现场实际，并根据现场试验效果调整锚索布置密度，直至达到支护设计要求。
进一步地，步骤(1)中，通过矿井现场实测确定回采巷道超前段顶板应力集中系数。
进一步地，步骤(1)中，所述理论分析采用弹塑性理论得到不同粘聚力及不同厚度岩层内的弹性切向应力与塑性切向应力分布，确定回采巷道超前段顶板塑性区发育情况。
进一步地，步骤(1)中，基于所得到的塑性区半分布表达式，依据悬吊理论，得到一系列满足支护要求的初步设计方案
进一步地，步骤(2)中，所述数值模拟采用FLAC3D模拟，预先设计顶板损伤破坏安全阈值Sa，通过模拟得到巷道顶板损伤破坏值Sb，若Sa<Sb，则重新调整与优化相关理论设计支护参数，直至Sa>Sb，若Sa>Sb，则在此基础上模拟各个设计方案，从中选取最优设计方案，应用到现场实际。
进一步地，步骤(3)中，应用于现场时，设置顶板超前段实际裂隙发育安全阈值La，按设计方案铺设完成以后，在回采巷道超前段顶板布置裂隙探测仪，探测巷道顶板超前段裂隙发育最大值Lb，若La<Lb，则对该部分区域适当加密锚索布置，增大顶板支护强度，直至顶板La>Lb，若La>Lb，则继续按设计方案布置。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提出的回采巷道超前段锚索加强支护的方法，基于巷道顶板岩层不同粘聚力及不同的厚度，得到了顶板弹塑性切向应力分布表达式，并根据弹塑性切向应力相等的条件得到塑性区发育范围，为巷道超前支护提供了一种新的理论分析方法。采用该种支护设计方法，能够显著提高回采巷道超前段的支护效率，有效避免对巷道顶板反复挤压造成的破坏，降低回采巷道空间占有率，提高采煤、运输、行人及通风能力，保证回采巷道超前段安全稳定服务。
附图说明
图1为矩形回采巷道超前段顶板围岩力学结构模型。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法，具体步骤包括：
(1)通过矿井现场实测结合理论分析，确定回采巷道超前段顶板支护范围，为回采巷道超前支护提供理论依据，确定回采巷道超前支护初步设计方案。共分为3个步骤：①通过矿井现场实测得到回采巷道顶板超前段应力集中系数，确定回采巷道超前段顶板最大支撑压力，为后续理论分析提供基础参数；②基于弹塑性理论，探讨顶板不同岩层的弹塑性切向应力分布特征，得到不同顶板厚度及黏聚力情况下，顶板弹塑性切向应力分布表达式；③联立弹塑性区切向应力表达式，求解得到不同顶板岩层厚度及黏聚力条件下，顶板塑性区范围分布表达式。
本实施例结合矿井现场实测情况和理论分析得到回采巷道超前段顶板受力相比于非超前段巷道表现为巷道顶板原岩应力增加，即回采巷道超前段顶板的应力为KγH。其中，K为应力集中系数、γ为顶板围岩容重(kN/m3)、H为巷道最大埋深(m)，以上参数均可通过现场实测得到。因此，可以用回采巷道支护的弹塑性理论分析确定顶板塑性区发育范围。
对回采巷道做如下假设：①将回采巷道等效为圆形巷道，等效圆半径R0；②围岩为理想弹塑性体；③各岩层边界处应力值相等；④巷道断面内，水平和竖直方向的原岩应力相等，且沿巷道长度方向不变化。如图1所示，基于矩形回采巷道，建立极坐标系。
对图1所示梯形巷道分析，此时：
L1、L2、L3分别塑性区在不同岩层内延伸时的长度，R0为等效圆半径，其表达式如下：
由弹塑性理论可知巷道围岩塑性区切向应力表达式为：
在不同的区段内塑性区切向应力分布为：
当R0<r<R0+l1时：
当R0+l1<r<R0+l1+l2时：
当R0+l1+l2<r<R0+l1+l2+l3时：
同理，弹性区切向应力表达式为：
在不同的区段内弹性区切向应力分布为：
当R0<r<R0+l1时：
当R0+l1<r<R0+l1+l2时：
当R0+l1+l2<r<R0+l1+l2+l3时：
式中：c为围岩粘聚力，MPa；r为极坐标系下的极径，m；θ为极坐标系下的极角，°；H1、H2、H3为顶板岩层的厚度，m；R0为等效圆半径，m；a为矩形巷道宽度，m；b2为梯形巷道高帮的高度，m。
进一步的，当
时，此时对应的r，即为塑性区范围Rp，为简化计算，代入摩擦角
当R0<r<R0+l1时，联立式1和式4可得：
当R0+l1<r<R0+l1+l2时，联立式2和式5可得塑性区半径为：
RP＝RPa+l1+R0
其中：
当R0+l1+l2<r<R0+l1+l2+l3时，联立式3和式6可得塑性区半径为：
RP＝RPb+l1+l2+R0
其中：
式中：c为围岩粘聚力，MPa；r为极坐标系下的极径，m；θ为极坐标系下的极角，°；H1、H2、H3为顶板岩层的厚度，m；c1、c2、c3为顶板岩层1-3对应的黏聚力；R0为等效圆半径，m；a为矩形巷道宽度，m；b2为梯形巷道高帮的高度，m；H为巷道最大埋藏深度，m；θ为不同方向塑性区范围与水平方向的夹角°；α为煤层倾角，°。
进而依据悬吊理论求得超前段顶板支护强度，确定满足支护强度的一系列初步支护设计方案，设计内容包括各类支护方案的锚索布置方式，以及安装角度等。
(2)通过数值模拟对理论分析的准确性做进一步论证，分析初步设计方案的巷道顶板损伤破坏特征，确定回采巷道超前支护最终设计方案。
为进一步论证理论分析的准确性，通过数值模拟对理论分析做进一步论证，并分析初步设计方案的巷道顶板损伤破坏特征，采用FLAC3D模拟在理论假设条件下，回采巷道超前段顶板的塑性区发育情况，来验证理论分析的准确性。预先设计顶板损伤破坏安全阈值Sa，通过模拟得到巷道顶板损伤破坏值Sb，若Sa<Sb，重新调整与优化相关理论设计支护参数，直至Sa>Sb，若Sa>Sb，则在此基础上模拟各设计方案。
在保证支护强度的条件下，模拟各类支护方案顶板塑性区变化情况，汇总模拟结果，选取模拟的顶板塑性区发育范围不超过理论模拟的塑性区半径，并且最经济的方案作为最终设计方案。
(3)将最终设计方案应用到现场实际，并根据现场试验效果调整锚索布置密度，直至达到支护设计要求。
将最终布置方案应用到现场实际，设置顶板超前段实际裂隙发育安全阈值La，在锚索铺设完成以后，回采巷道超前段顶板布置裂隙探测仪，记录现场裂隙发育监测数据，探测巷道顶板超前段裂隙发育最大值Lb，若La<Lb，对该部分区域适当加密锚索布置，增大顶板支护强度，直至顶板La>Lb，若La>Lb，则继续按设计方案布置。
Claims (5)
1.一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法，其特征在于，具体步骤包括：
(1)通过矿井现场实测结合理论分析，确定回采巷道超前段顶板支护范围，为回采巷道超前支护提供理论依据，确定回采巷道超前支护初步设计方案；
(2)通过数值模拟对理论分析的准确性做进一步论证，分析初步设计方案的巷道顶板损伤破坏特征，确定回采巷道超前支护最终设计方案；
(3)将最终设计方案应用到现场实际，并根据现场试验效果调整锚索布置密度，直至达到支护设计要求。
2.根据权利要求1所述的一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法，其特征在于，步骤(1)中，通过矿井现场实测确定回采巷道超前段顶板应力集中系数。
3.根据权利要求2所述的一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法，其特征在于，步骤(1)中，所述理论分析采用弹塑性理论得到不同粘聚力及不同厚度岩层内的弹性切向应力与塑性切向应力分布，确定回采巷道超前段顶板塑性区发育情况。
4.根据权利要求1所述的一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法，其特征在于，步骤(2)中，所述数值模拟采用FLAC3D模拟，预先设计顶板损伤破坏安全阈值Sa，通过模拟得到巷道顶板损伤破坏值Sb，若Sa<Sb，则重新调整与优化相关理论设计支护参数，直至Sa>Sb，若Sa>Sb，验证理论分析的正确性，在此基础上模拟各设计方案，判断其损伤破坏特征，确定最优设计方案。
5.根据权利要求1所述的一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法，其特征在于，步骤(3)中，应用于现场时，设置顶板超前段实际裂隙发育安全阈值La，锚索铺设完成以后，在回采巷道超前段顶板布置裂隙探测仪，探测巷道顶板超前段裂隙发育最大值Lb，若La<Lb，则对该部分区域适当加密锚索布置，增大顶板支护强度，直至顶板La>Lb，若La>Lb，则继续按设计方案布置。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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