CN111581833A - 一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法 - Google Patents

一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111581833A
CN111581833A CN202010403260.9A CN202010403260A CN111581833A CN 111581833 A CN111581833 A CN 111581833A CN 202010403260 A CN202010403260 A CN 202010403260A CN 111581833 A CN111581833 A CN 111581833A
Authority
CN
China
Prior art keywords
roadway
top plate
support
mining roadway
design scheme
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010403260.9A
Other languages
English (en)
Inventor
王方田
尚俊剑
赵宾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China University of Mining and Technology CUMT
Original Assignee
China University of Mining and Technology CUMT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China University of Mining and Technology CUMT filed Critical China University of Mining and Technology CUMT
Priority to CN202010403260.9A priority Critical patent/CN111581833A/zh
Publication of CN111581833A publication Critical patent/CN111581833A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D11/00—Lining tunnels, galleries or other underground cavities, e.g. large underground chambers; Linings therefor; Making such linings in situ, e.g. by assembling
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Devices Affording Protection Of Roads Or Walls For Sound Insulation (AREA)

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

一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法
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：
Figure BDA0002490303400000031
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：
Figure BDA0002490303400000041
Figure BDA0002490303400000042
由弹塑性理论可知巷道围岩塑性区切向应力表达式为：
Figure BDA0002490303400000043
在不同的区段内塑性区切向应力分布为：
当R0<r<R0+l1时：
Figure BDA0002490303400000044
当R0+l1<r<R0+l1+l2时：
Figure BDA0002490303400000045
Figure BDA0002490303400000046
当R0+l1+l2<r<R0+l1+l2+l3时：
Figure BDA0002490303400000047
Figure BDA0002490303400000048
同理，弹性区切向应力表达式为：
Figure BDA0002490303400000049
在不同的区段内弹性区切向应力分布为：
当R0<r<R0+l1时：
Figure BDA00024903034000000410
当R0+l1<r<R0+l1+l2时：
Figure BDA00024903034000000411
Figure BDA00024903034000000412
当R0+l1+l2<r<R0+l1+l2+l3时：
Figure BDA0002490303400000051
Figure BDA0002490303400000052
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
Figure BDA0002490303400000053
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
Figure BDA0002490303400000054
当R0<r<R0+l1时，联立式1和式4可得：
Figure BDA0002490303400000055
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
Figure BDA0002490303400000056
其中：
Figure BDA0002490303400000057
Figure BDA0002490303400000058
Figure BDA0002490303400000059
Figure BDA00024903034000000510
Figure BDA00024903034000000511
Figure BDA0002490303400000061
Figure BDA0002490303400000062
Figure BDA0002490303400000063
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
Figure BDA0002490303400000064
其中：
Figure BDA0002490303400000065
Figure BDA0002490303400000066
Figure BDA0002490303400000067
Figure BDA0002490303400000068
Figure BDA0002490303400000069
Figure BDA00024903034000000610
Figure BDA00024903034000000611
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。
CN202010403260.9A 2020-05-13 2020-05-13 一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法 Pending CN111581833A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010403260.9A CN111581833A (zh) 2020-05-13 2020-05-13 一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010403260.9A CN111581833A (zh) 2020-05-13 2020-05-13 一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111581833A true CN111581833A (zh) 2020-08-25

Family

ID=72115407

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010403260.9A Pending CN111581833A (zh) 2020-05-13 2020-05-13 一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111581833A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116503511A (zh) * 2023-05-06 2023-07-28 中国矿业大学(北京) 一种掘进巷道围岩破坏区形态的即时映射成像方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105134214A (zh) * 2015-09-24 2015-12-09 中国矿业大学 一种煤矿开采后期辅助通风巷道布置及围岩稳定控制方法
CN110792450A (zh) * 2019-09-26 2020-02-14 中国矿业大学 一种确定注浆锚索超前支护的方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105134214A (zh) * 2015-09-24 2015-12-09 中国矿业大学 一种煤矿开采后期辅助通风巷道布置及围岩稳定控制方法
CN110792450A (zh) * 2019-09-26 2020-02-14 中国矿业大学 一种确定注浆锚索超前支护的方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116503511A (zh) * 2023-05-06 2023-07-28 中国矿业大学(北京) 一种掘进巷道围岩破坏区形态的即时映射成像方法
CN116503511B (zh) * 2023-05-06 2023-09-19 中国矿业大学(北京) 一种掘进巷道围岩破坏区形态的即时映射成像方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112196596B (zh) 深部破碎围岩超前支护用的注浆锚杆索组合梁及支护方法
CN110397470B (zh) 一种基于裂隙演化的沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定方法
CN111058855B (zh) 一种盾构下穿的结构物的形变控制方法及评估系统
Cao et al. Support technology of deep roadway under high stress and its application
Wang et al. Geomechanics model test research on automatically formed roadway by roof cutting and pressure releasing
CN104564086B (zh) 一种大巷区域应力场优化方法
CN103061771B (zh) 复采矿井综采面切眼掘进及其支护方法
CN108843382A (zh) 一种适合缓倾斜围岩不稳定中厚矿体的下向嗣后充填法
CN104500078B (zh) 一种巷外施工优化巷道区域应力场的方法
Zhou et al. A 3D model of coupled hydro-mechanical simulation of double shield TBM excavation
CN110593924B (zh) 一种基于回采巷道全生命周期的支护方法
CN104481579A (zh) 采动区地面“l”型顶板水平井施工方法
CN113803066A (zh) 无煤柱自成巷平衡开采设计方法及系统
CN103867213B (zh) 防止煤矿含煤层底板瓦斯泄露与底鼓变形的联合施工方法
CN107145684B (zh) 一种地下岩体工程地压管理与控制方法
CN111581833A (zh) 一种回采巷道超前段锚索加强支护设计方法
Chen et al. Determination of coal pillar width and support parameters in deep coal mines—A case study
CN109779634B (zh) 煤矿地面垂直井压裂坚硬顶板位置确定方法
Yu et al. Mechanism and technology study of collaborative support with long and short bolts in large-deformation roadways
CN106483197A (zh) 一种基于原位声波测试的巷道底鼓分类方法
CN105370307B (zh) 采煤工作面过超高段支护工艺
CN113107537B (zh) 一种冲击地压对抗型巷道的分布式注浆技术及方法
CN203488188U (zh) 巨厚煤层采区巷道布置结构
CN204175317U (zh) 大倾角煤层炮采面下出口支护设置
CN117574646B (zh) 一种锚杆锚索支护下综放顶煤卸压特性数值模拟方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination