煤矿锚网支护

株柏煤矿急倾斜煤层顺槽锚网支护优化争论山东科技大学20238一、前言临沂矿业集团总公司下属的株柏煤矿位于临沂市罗庄镇，年产量1511字钢支护。为了进一步降低支护本钱，提高巷道的掘进效率，依据集团公司的建议，矿方打算承受煤巷锚网支护技术代替原来落后的木棚支护方式和矿用工字钢支护形式。为了保证煤巷锚网支护技术在株柏煤矿安全牢靠地应用，临沂矿业集团株柏煤矿托付山东科技大学进展煤巷锚网支护参数优化课题争论。以及顶底板内部围岩变形后裂隙的发育状况，以便确定煤和煤2

顺槽巷道3锚网支护参数优化设计，提出技术可行、经济合理的锚网支护参数。二、工程地质概况1、煤层及顶底板特征株柏煤矿主采煤层为煤和煤2

。采面顺槽一般沿煤层顶板布置。二煤煤层3厚度，平均厚度0.27m，多属半光亮型具有条带状构造0.4m，f=3。为简洁构造，稳定的厚煤层。2.1是矿井的煤岩层综合柱状图。表二和表三分别为煤和煤2

3煤顶底板岩性特征表 表二2顶底板名称老顶直接顶直接底老底

岩石名称细纱岩泥岩炭质页岩砂页岩

厚度〔m〕8.391.10.2722.06

岩石特性灰色，夹泥质线条，水平层理发育深灰色，致密黑色，质轻性脆易脱落浅灰-灰白色，石英为主，砂泥质胶结，局部含泥砾顶底板岩石顶底板岩石厚度岩性名称名称〔m〕特征直接顶砂质泥页岩8黑色，质轻性脆易脱落直接底炭质页岩0.4老底砂岩35.73浅灰-灰白色，石英为主，砂泥质胶结，局部含泥砾2、煤层瓦斯涌出量、瓦斯等级、发火期、煤尘爆炸指数20234个月，自生产以来，尚未39.23%，有爆炸危急煤层，3、水文状况：主要含水层有第四系流砂层、白垩系疑灰岩含水层掩盖其上部，但在白垩系底界至二煤顶板发育一隔水岩组〔其间由砂岩、粉砂岩、砂质泥页岩组成层间较大，透水性极弱，但对该工作面掘进影响不大。最大涌水量：2m3/h，正常涌水量：1m3/h。地温：19℃，构造压力：不明显。三、回采巷道围岩内部裂隙分布探测进展到裂隙形成最终到裂开，这是岩体变形破坏的根本过程，也是围岩内部不同深度变形破坏的根本特征。因此了解围岩内部的裂隙分布状况，对评价巷道四周岩体稳定性、锚喷支护参数设计有重要意义。.巷道围岩的.对于支护设计..可以探测到巷道围岩的地质构造.确定消灭透水、瓦斯突出的可能性.以便准时地实行措施.对实现煤矿安全生产.防止人员受到伤去.保护职工的安全与安康避开则产受到损失往往起打算性的作用。探测仪器YTJ203.1所示3.1YTJ20型岩层探测记录仪仪器构造特点：YTJ20型岩层探测记录仪由YTJ20-Z型主机和YTJ20-S型摄像头组成，防爆型式均为本质安全型；整套仪器体积小，重量轻，便于井下远距离携带；直接利用锚杆钻孔探测，与隔爆型〔ExdI〕钻孔探测仪相比，无需另配地质钻机钻孔，现场钻孔、探测快捷便利。岩层探测记录仪能实时显示并记录探测深度，通过配套软件，能够测量离层、裂开、裂开岩体裂隙宽度及范围；岩层探测记录仪能够确定围岩主变形及岩体主裂隙的方向。与光纤窥视仪相比，有以下几个特点纤窥视系统高数十到数百倍。而且，_信号不会由于传输受到消耗；;数十瓦以至数百瓦的照明光源，而数十瓦、数百瓦的光源防爆是格外困难的，更难做到本安型防爆；窥视结果比较形象、直观，一目了然；;接收仪器可与计算机连接，分析和处理图象主要用途：YTJ20,结合相关分析软广泛应用于煤矿顶板离层垮冒、地下突水、巷道支护失效等地下灾难工程预警预报；地下工程锚杆支护、围岩注浆加固、巷道修复等参数设计；地下工程施工质量、支护方案评估分析等多个领域，为煤矿及岩土工程供给科学、牢靠、真实有效的技术数据。目前岩层探测记录仪在地下工程和采矿工程的主要应用有：探测煤岩层厚度、岩性探测岩层的原始地质构造探测岩体变形、破坏及变化状况探测地下工程围岩支护和加固效果探测采场顶板垮冒、稳定状况探测采场三带高度探测原岩主应力、采动影响主应力的方向探测并预报突水点区域回采巷道围岩内部裂隙区探测310073.2-3.10是截取的典型记录图像。图3.2完整岩层图像 图3.3岩层原生裂隙图像〔2907运输顺槽顶板0.6m〕 〔3904顺槽顶板0.8m〕图3.4三煤裂开区图像 图3.5三煤完整煤层图像〔3904顺槽顶部0.5m〕 (3904顺槽顶部1.1m)图3.6二煤裂开区图像 图3.7二煤完整煤层图像〔2907顺槽顶部0.4m〕 (2907顺槽顶部1.1m).3.33.83.9290739043.1②③②③③①②老顶顶板直接顶①④三煤二煤底板底板图3.82907运输顺槽钻孔布置图 图3.93904运输顺槽钻孔布置图3.1孔号①2907039040备注②0.60③0.91.1④00.33.4探测成果分析分析探测成果可以看出：通过探测觉察二煤和三煤顶底板只有少量的原生裂隙，没有形成裂开的松动区；说明巷道开挖后，顶底板岩层比较稳定；二煤和三煤顺槽四周的煤层均存在着肯定深度的松动区，在松动区内，围岩裂隙发育，裂开，甚至消灭塌孔现象。异较大。其规律是：

同样在煤层中，不同部位的围岩，裂开程度和裂隙区深度差a、顶部煤层的裂隙区深度大于底部煤层；b、对于顶部煤层，靠近底板煤层的裂隙区深度大于靠近顶板煤层；c、顶部煤层裂隙区的裂开程度大于底部煤层。1.0m，1.2m。四、回采巷道数值模拟分析岩土工程中常用的数值方法近年来，数值方法始终在不断地进展，它渗透到科学与工程技术争论的各个主要领域。数值方法的突出优点是能够替代昂贵而有格外耗时的物理试验，对所争论的问题进展数值模拟。工程技术领域中的很多力学问题和场问题，如固体中的位移场、应力场分析、电磁学中的电磁分析、振动特性分析、热力学中的温度分析、流体力学中的流场分析等，都可以归结为在给定边界条件下求解其掌握方程〔常微分方程或偏微分方程〕的问题。虽然人们能够得到它们得根本方程与边界条件，但是能够用解析法去求解的只是少数性质比较简洁和边界比较规章的问题。对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何外形较简单或者问题的某些特征是非线形的则很少有解析解。这类问题的解决通常有两种途径：第一，引入简化假设，将方程和边界条件简化为能够处理的问题，从而得到它在简化状态下的解。这种方法只能在有限的状况下是可行的，由于过多的简化将导致不正确的甚至错误的解。其次，保存问题的简单性，利用数值模拟方法求得问题的近似解。数值模拟技术是人们在现代数学、力学理论的根底上，借助于计算机技术来获得满足工程要求的近似解，数值模拟技术〔即CAE技术，Computer-aidedEngineering〕是现代工程仿真学进展的重要推动力之一。对于岩土工程问题来说，岩体性态简单且受多种地质因素的影响，用解析方法求解岩土力学问题会遇到很大的困难。岩土材料的简单性表现在非均质、各向异性、本构关系的非线性、时间相关性和岩体构造的简单性。岩体构造的简单性主要是岩体的节理、裂隙、断层等，这些就使得在很多岩土工程本构关系分析中，难以使用解析法。即使承受也必需进展大量的简化，而得到的结果我们完全可以靠数值方法给出近似的比较令人满足的答案。2070年月以来，数值方法构成了岩体力学计算方法的主要进展。在岩体工程问题中，岩体力学行为的数值模拟越来越重要，数值方法的进展也层出不穷。然而，人们对数值方法在岩体力学问题中的应用始终未能得出全都的看法，其间包含着众多的误会。明显，只有在深入理解各种数值方法的根本原理和根本假定的根底上，我们才能够有期望对其进展合理评价。目前在岩土工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离散单元法、块体理论和有限差分法等。本文拟承受大型通用有限元软件ANSYSFLAC-3D〔岩土专用分析软件〕对边坡稳定性进展分析。的巷道位移分析ANSYS、ADINA、PLAXIS等。ANSYS软件是融构造、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限ANSYS开发，它能CADCAD工具之一。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元计算机设计程序，它包含了前处理、解题程序以及后处理。软件主要包括三局部：前处理模块〔，分析计算模块〔N〕和后处理模块〔R。前处理模块供给了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以便利地构造有限元模型；分析计算模块包括构造分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析力量；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、立体切片显示等图形方式显示出来，也可以将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件供给了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种构造和材料。a、实体建模ANSYS程序供给了两种实体建模的方法：自顶向下与自底向上。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANSYS程序供给了完整的布尔运算，诸如相加、ANSYS还供给了拖拉、旋转、移动、拷贝实体模型图元的功能。b、网格划分ANSYS供给了使用便捷、高质量的对模型进展网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延长划分、映象划分、自由网格划分和自适应网格划分。延长网格划分可将一个二维网格延长成一个三维网格。映象网格划分允许将几何ANSYS程序的自由网格划分器功能强大，可对简单模型直接划分，避开用户对各局部分别划分然后进展组装时各局部网格布匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动生成有限元网格，分析、估量网格的离散误差，然后重定义网格大小，再次分析计算、估量网格离散误差，直至误差低于用户定义的值或到达用户定义的求解次数。c、求解模块前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。进入分析求解模块，用户可以自己定义分析类型、分析选项、荷载数据和荷载步选项，然后开头有限元求解。dPOST1POST26ANSYS软件的后处理过程包括两个局部：通用后处理模块〔POST1〕和时间历程后处理模块过程的计算结果并进展显示。这个结果可能包括位移、温度、应力、应变速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。有限元计算模型的建立a、模型建立与计算参数TreacaMises屈服准则，但是这些屈服条件不适合于岩土材料。这其中最主要的问题之一是岩土材料在塑性流淌变形过程中会产生体胀现象，而这些屈服条件不能反映这一特征。因此，在岩土工程中最普遍承受的是 Coulumb屈服准则。用主应力表示的Coulumb屈服条件为：f(,,)1(

)1()sinccos0c 1 2

2 1 3 2 1 3式中c,—材料的粘结力和内摩擦角。1 2 这里规定了主应力： 假设不规定主应力的挨次则1 2 屈服条件的表达式较为简单。Coulumb料并没有象承受与Coulumb屈服条件非关联流淌法则所得到的体胀结果那么J2Drucker-PragerMisesMisesJ2F c m

k0

式中m－静水压力，即平均应力：mJ2-应力偏张量其次不变量；,k 与材料性质有关的参数。

3 ii事实上，Drucker-PragerCoulumb屈服条件，在主应Drucker-PragerCoulumb屈服条件为六Drucker-PragerCoulumb屈服条件的六面锥体母线重合，则可导出 2sin3(3sin)6ccosk3(3sin)明显，Drucker-PragerCoulumb屈服条件有一样的性质，承受与Drucker-Prager屈服条件非关联流淌法则所得到的体胀结果要比实际状况大得多。分析上式可以看出，塑性流淌得体胀现象与＝0，则Drucker-PragerMises屈服条件，没有体胀现象。为了能照实地反映实际得流淌体胀性质，将与有关的值变为j，将j称为膨胀角。这Drucker-Prager屈服条件模型变为三参数j,c的塑D-P材料来模拟性巷道煤层和顶底板岩体。本次分析是在大型有限元软件ANSYS9.0上进展的。具体计算参数见表2.1。用D-P材料便于分析，将实际问题简化为平面应变2100931007工作2-12-2所示。4-12907运输巷道原断面布置图4-2 3904运输巷道原断面布置表4.1 计算参数4-23904运输巷道原断面布置参数密度分散力内摩名称岩性(kg/m3)弹模(GPa)泊松比(MPa)擦角〔o参数密度分散力内摩名称岩性(kg/m3)弹模(GPa)泊松比(MPa)擦角〔o〕编号1二煤老顶细纱岩2二煤直接顶泥岩3二煤煤4二煤底板砂页岩5三煤顶板砂质泥页岩6三煤煤7三煤伪底炭质页岩8三煤底板砂岩图4.3 2907运输巷道计算模型网格划分图图4.4 3904运输巷道计算模型网格划分图有限元计算成果及分析4.5-4.104.52907运输巷道塑性应变云图4.62907运输巷道围岩位移矢量图4.72907运输巷道围岩最大应力矢量图4.83904运输巷道塑性应变云图4.93904运输巷道围岩位移矢量图4.103904顺槽围岩最大应力矢量图计算成果分析分析计算结果可以看出：在煤层中，而顶底板根本处于弹性状态，巷道掘进后保持在较好的稳定状态；性区主要分布在巷道顶部煤层和上帮顶板下覆的三角形区域；巷道的变形特征主要表现为顶部下沉和上帮移进；1.0m，而0.6m1.1m，而且塑性应变率也较大，而上帮煤层塑性塑性区范围较小，分布为三角形，范0.8m，塑性应变率较小。数值分析结果与实测结果根本全都。五、回采巷道锚网支护设计根本原则的塑性区主要分布在煤层中，而顶底板根本处于弹性状态，巷道掘进后保持在较好的稳定状态，因此，支护设计的重点应是巷道围岩的煤层局部。围岩内部裂隙分布探测和数值模拟分析成果反映巷道围岩非弹性区表现为不均匀性和非对称性，这是急倾斜煤层巷道的主要特征，因此从优化设计角度上考虑，巷道锚杆应承受非对称和多型号布置。要求即可。塑性区主要分布在巷道顶部煤层和上帮顶板下覆的三角形区域，这些区域是锚杆加固的重点。滑移线斜交，以到达较好的支护效果。隙区和数值模拟的非弹性区均按松动区考虑。锚杆的其它参数及金属网等按阅历类比法设计。锚网支护参数设计二煤顺槽锚网支护参数设计:依据锚杆设计的松动圈理论：L=a+b+c=1000+400+100=1500mm250mmb=400mm；c-外露长度，取c=100mm。1600mm。锚杆直径及间排距：a80KN/m2。b。c、锚杆直径：锚杆直径按以下公式确定：4KQB 4KQB Bxyl41.3801030.80.83.14490106式中K-安全系数，取K=1.3；Q-锚杆支护强度；BxBy-锚杆间距、排距。d=16mm。锚固剂参数：a、按煤体计算单位长度的锚固力：F d C h

3.140.0282.5106219.8KN/mb、按岩体计算单位长度的锚固力：F d 3.140.0285.7106501.1KN/mh Rc、按树脂锚固剂计算单位长度的锚固力：F d h

3.140.0287106615KN/md、锚固长度：1 1L d2/FA 4 l

43.140.0162490106/219.81030.448mK2350500mm。锚杆托盘：可承受现有的托盘，即托盘规格为：长×宽×厚＝118×118×7.8mm。不承受木垫衬。8#60×60mm经纬网。④⑤③m06老顶lΦ④⑤③m06老顶lΦ直接顶200⑥Φ18l=1600mm80008直接顶二煤80008底板0801Φ18l=1600mm04二煤2400底板老顶②①5.1二煤顺槽锚网支护〔2907运输巷道〕断面图三煤顺槽锚网支护参数设计:按顶部煤层非弹性区考虑。依据锚杆设计的松动圈理论：L=a+b+c=1200+400+100=1700mm250mmb=400mm；c-外露长度，取c=100mm。1800mm1600mm。锚杆直径及间排距：a120KN/m2。b。c、锚杆直径：锚杆直径按以下公式确定：4KQB 4KQB Bxyl41.31201030.80.83.14490106式中K-安全系数，取K=1.3；Q-锚杆支护强度；BxBy-锚杆间距、排距。d=18mmd=16mm。锚固剂参数：aF d C h

3.140.0282.5106219.8KN/mb、按岩体计算单位长度的锚固力：F d 3.140.0285.7106501.1KN/mh Rc、 按树脂锚固剂计算单位长度的锚固力：F d 3.140.0287106615KN/mh Sd、 锚固长度：1 1L d2/FA 4 l

3.140.0182490106/2