CN112459813A - 一种综采工作面超前支护的锚索设置计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于煤矿开采技术领域，具体公开了一种综采工作面超前支护的锚索设置计算方法，所述综采工作面超前支护包括多条钢带和n根锚索；所述综采工作面超前支护的锚索设置计算方法为：首先，计算超前支护强度值；根据超前支护强度值和选用的锚索的安全拉力数值建立锚索根数n与距离的关系方程。与现有技术相比，该计算方法能够确定锚索根数与间隔距离的关系，再根据实际需要选取合适数值设置锚索。解决综采工作面超前支护操作复杂、工人劳动强度大、支护成本高、通风不利等缺点，对于智能化综采工作面的推进有着极大的促进作用。

Description

一种综采工作面超前支护的锚索设置计算方法
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，具体公开了一种综采工作面超前支护的锚索设置计算方法。
背景技术
目前，我国常用的超前支护方式主要分为架棚支护、单体支柱“π”型梁支护、超前液压支架支护，架棚支护的缺点是架棚支护完全依靠人工搬运支护材料并按要求支设，劳动强度较大，劳动效率低下，支护成本高；单体支柱“π”型梁支护单体支柱“π”型梁支护操作麻烦，工人劳动强度较大；超前液压支架支护其充足的支承力和大面积的支承范围，导致材巷顶板在经过多次反复支承后破碎离层，有时甚至出现局部冒顶现象，同时因超前支架自身体积较大，加之顶板破碎时下沉以及巷道变形等因素非常容易造成巷道有效断面积减小量较大，引起风速超限等安全隐患，同时其较大的支承覆盖面积在支承过程中造成所有顶部锚索外漏部分严重变形，导致锚索托盘无法回收复用引起材巷老空区悬顶面积过大，形成了材料的浪费与重大顶板事故
综上所述以上几种综采工作面超前支护方式普遍存在操作复杂、工人劳动强度大、支护成本高、通风不利、材料浪费等问题，同时随着智能化工作面的推进，综采工作面两顺槽内取消支柱和支架支护，推广锚索支护有很大的必要性。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供一种综采工作面超前支护的锚索设置计算方法，该计算方法能够确定锚索根数与间隔距离的关系，再根据实际需要选取合适数值设置锚索。解决综采工作面超前支护操作复杂、工人劳动强度大、支护成本高、通风不利等缺点，对于智能化综采工作面的推进有着极大的促进作用。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种综采工作面超前支护的锚索设置计算方法，所述综采工作面超前支护包括多条钢带和n根锚索；所述钢带在垂直于巷道延伸方向上间隔一定的距离均匀设置；所述锚索在每条所述钢带上均匀设置，且锚入顶板；
所述综采工作面超前支护的锚索计算方法为：首先，计算超前支护强度值；根据超前支护强度值和选用的锚索的安全拉力数值建立锚索根数n与距离的关系方程：n＝Q×L×c和
Figure BDA0002752780390000021
其中Q为锚索支护密度，F为安全拉力数值，P为超前支护强度值，c为巷道宽度；然后Q取整数值，以100mm为公差设立等差数列，根据上述关系方程计算与距离对应的数值n，且n进位取整。
优选地，所述计算超前支护强度值包括以下步骤：
步骤一，建立力学模型计算得到数值一；
步骤二，根据灯板岩层施加的压力计算数值二；
步骤三，观测获取同煤层相邻工作面矿压数值三；
步骤四，选取三者中数值最大者，即为计算超前支护强度值。优选地，所述数值一计算公式为：
Figure BDA0002752780390000031
其中，
Figure BDA0002752780390000032
式中，λ为侧压系数；
H为巷道中心的拱高；
m为椭圆竖向半轴长；
Figure BDA0002752780390000033
Figure BDA0002752780390000034
为内摩擦角；a为巷道宽度的一半，b为巷道高度的一半。优选地，所述数值二计算公式为：
Figure BDA0002752780390000035
式中,q为工作面顶板所受均布载荷
H为开采高度；
ρ1为直接顶容重；
H1为直接顶厚度；
ρ2为老顶容重；
H2为老顶厚度；
g为重力加速度。
优选地，所述数值三取顶板初次来压最大平均支护强度。
优选地，所述锚索为Φ22.0×8300mm的19芯钢绞线锚索。
优选地，所述锚索的安全拉力数值F＝583kN。
优选地，所述力学模型为普氏拱结构模型。
本发明的有益效果为：
本发明的综采工作面超前支护的锚索设置计算方法，相对于传统的在掘进期间支护基础上补打锚索的计算方法，解决了综采工作面超前支护操作复杂、工人劳动强度大、支护成本高、通风不利等缺点。对于智能化综采工作面的推进有着极大的促进作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的普氏拱结构模型图；
图2为本发明实施例的综采工作面超前支护示意图；
附图标记说明：
1-钢带，2-锚索；
a-巷道宽度的一半，b-巷道高度的一半，c3-自稳结构3的中心；a1-自稳结构1的横半轴长；a3-自稳结构3的横半轴长；b 1-自稳结构1的竖
半轴长；b3-自稳结构3的竖半轴长；L-距离；
箭头表示巷道延伸方向。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图2所示，综采工作面超前支护包括多条钢带和n根锚索；钢带在垂直于巷道延伸方向上间隔一定的距离L均匀设置；所述锚索在每条所述钢带上均匀设置，且锚入顶板。
综采工作面直接顶为砂质泥岩，平均厚度2.7m，老顶为粉砂岩，平均厚度5.2m。由于作为关键层的老顶厚度较大且质地坚硬，综采工作面顶板所受载荷为综采工作面直接顶所施加。建立综采工作面超前锚索支护力学模型如图1所示，为普氏拱结构模型图；巷道围岩在层状特征不明显,具有松散介质特性的条件下,巷道开挖后,会立即沿巷道周边形成一封闭的压力拱,即自稳结构1；巷道周边在压力作用下,破碎塌落,压力拱向外扩大,形成稳定结构2；根据极限平衡原理,当巷道两帮塌落到与巷道两帮成θ＝π4-φ2时,修正普氏拱(自稳结构3)最终形成,其中φ为岩体的内摩擦角.这里假设巷道的底板始终稳定,因此压力拱都通过巷道的底边两点。在修正普氏拱内,岩体较破碎,可作为松散体考虑.修正普氏拱自行封闭,拱外压力不向拱内传递,巷道周边的围岩松动压力简化为拱内松散岩体压力.
按普氏拱结构计算：
根据综采工作面条件，取a＝1900mm，b＝1100mm。巷道顶部的围岩压力等于巷顶与修正普氏拱之间松散岩体重.可得：
Figure BDA0002752780390000062
拱顶最大压力为：
Pmax＝γh
所以顶板围岩压力为
Figure BDA0002752780390000061
其中
Figure BDA0002752780390000071
代入数据可解得超前支护合理的支护强度为0.5MPa。
按照灯板岩层施加的压力计算：
切顶沿空巷道基本顶为粉砂岩，简化为板。
根据综采工作面条件，取c＝3800mm，d＝2200mm。顶板载荷主要力源为工作面顶板自重及覆岩顶板所传递的压应力，压应力取工作面顶板自重的10％，可得：
Figure BDA0002752780390000072
取最大值，代入数据可解得q＝0.356MPa。根据煤矿实际地质情况，综采皮带顺槽为沿空顺槽，故考虑动压时顶板压力约为静压时的2倍，则超前支护强度应为0.712MPa。
根据同煤层相邻工作面观测数值，通过同比数据可以得出顶板初次来压最大平均支护强度为0.65Mpa。
综上所述，综采工作面需要的支护强度为0.712Mpa。
锚索选用规格为Φ22.0×8300mm的19芯钢绞线锚索，配合W型钢带，F锚索＝＝583kN，则要求锚索提供的强度要大于0.712MPa。
代入公式n＝Q×L×c和
Figure BDA0002752780390000073
得出需要的锚索根数n与距离L之间的关系，如下表所示：
Figure BDA0002752780390000081
在不采用超前单体支柱的情况下，顶板可以采用“一带四索”的方式每排布置四根锚索和一条W钢带，距离L为800mm，n为4。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种综采工作面超前支护的锚索设置计算方法，其特征在于，所述综采工作面超前支护包括多条钢带(1)和n根锚索(2)；所述钢带(1)在垂直于巷道延伸方向上间隔一定的距离(L)均匀设置；所述锚索(2)在每条所述钢带(1)上均匀设置，且锚入顶板；
所述综采工作面超前支护的锚索设置计算方法为：首先，计算超前支护强度值；根据超前支护强度值和选用的锚索(2)的安全拉力数值建立锚索(2)根数n与距离(L)的关系方程：n＝Q×L×c和
Figure FDA0002752780380000011
其中Q为锚索支护密度，F为安全拉力数值，P为超前支护强度值，c为巷道宽度；然后Q取整数值，以100mm为公差设立等差数列，根据上述关系方程计算与距离(L)对应的数值n，且n进位取整。
2.根据权利要求1所述的综采工作面超前支护的锚索设置计算方法，其特征在于，所述计算超前支护强度值包括以下步骤：
步骤一，建立力学模型计算得到数值一；
步骤二，根据灯板岩层施加的压力计算数值二；
步骤三，观测获取同煤层相邻工作面矿压数值三；
步骤四，选取三者中数值最大者，即为计算超前支护强度值。
3.根据权利要求2所述的综采工作面超前支护的锚索设置计算方法，其特征在于，所述数值一计算公式为：
Figure FDA0002752780380000021
Figure FDA0002752780380000022
其中，
式中，λ为侧压系数；
H为巷道中心的拱高；
m为椭圆竖向半轴长；
Figure FDA0002752780380000023
为塌落角；
Figure FDA0002752780380000024
为内摩擦角；a为巷道宽度的一半，b为巷道高度的一半。
4.根据权利要求2所述的综采工作面超前支护的锚索设置计算方法，其特征在于，所述数值二计算公式为：
Figure FDA0002752780380000025
式中,q为工作面顶板所受均布载荷
H为开采高度；
ρ1为直接顶容重；
H1为直接顶厚度；
ρ2为老顶容重；
H2为老顶厚度；
g为重力加速度。
5.根据权利要求2所述的综采工作面超前支护的锚索设置计算方法，其特征在于，所述数值三取顶板初次来压最大平均支护强度。
6.根据权利要求1所述的综采工作面超前支护的锚索设置计算方法，其特征在于，所述锚索(2)为Φ22.0×8300mm的19芯钢绞线锚索。
7.根据权利要求6所述的综采工作面超前支护的锚索设置计算方法，其特征在于，所述锚索的安全拉力数值F＝583kN。
8.根据权利要求2所述的综采工作面超前支护的锚索设置计算方法，其特征在于，所述力学模型为普氏拱结构模型。
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