综放回采巷道桁架锚带网支护研究

作者:马其华 王同旭 郭忠平 樊克恭 来源:安全管理网 点击:  评论: 更新日期:2017年08月30日

1、问题的提出
兖州矿务局厚煤层综放采煤法自1992年在兴隆庄矿试验成功以来,由于高产高效、安全低耗和能适应煤厚变化等优点,显示出强大的生命力,迅速发展成该局主要的采煤方法。在发展过程中也出现了不少新问题,回采巷道支护问题就是其中之一。该局现普遍采用梯形矿工钢棚支护,与综放采煤法不相适应主要表现在如下几个方面:(1)回采巷道超前替棚支护工作量大,占用时间长,直接影响了综放面的快速推进和高产高效能力的进一步发挥;(2)不能主动加固围岩和充分利用围岩自承能力,因而掘进冒顶严重,并导致顶煤自燃发火;(3)断面收缩率大,不适应综放采煤法对通风、运输及设备搬运安装等方面的要求;(4)消耗钢材多,支护成本高;(5)棚子及围岩变形严重,维护工作量大,占用人员多;(6)端头维护工劳动强度大,超前替棚作业人身安全隐患大。针对上述问题,我们提出一种新型支护方式——桁架锚带网支护。
2、桁架锚带网支护作用原理
桁架锚带网支护的关键构件是桁架锚杆。桁架锚杆一般由两根顶板斜锚杆和一根水平拉杆及托盘组成,如图1所示。在斜锚杆和水平拉杆作用下,桁架锚杆支护系统对顶板中部产生压缩和托顶作用,增大了顶板裂隙体中的压应力和摩擦力,减小甚至抵消了顶板中部的可能产生的拉应力。两根斜锚杆通过拉杆协调受力,且具有一定的柔性,允许顶板适量下沉,在下沉过程中顶板裂隙体摩擦力增大,产生自锁作用,从而能够有效地维护高应力区的破碎顶板。
钢带及金属网的作用在于增加单体锚杆间的联系,防止锚杆间围岩松脱冒顶。

3、综放回采巷道桁架锚带网支护研究
以兴隆庄矿五采区综放回采巷道为研究对象,运用数值模拟方法(FLAC软件)模拟研究了如下内容。
3.1围岩稳定性与断面高宽比
数值模拟限于断面积12m²的矩形和梯形断面。对高宽比分别为0.47、0.67、0.75、0.84、0.91、1.33和2.08等7种矩形断面的模拟分析表明:合理的断面高宽比为0.75。进一步模拟上宽3.4m、下宽4.2m、高2.8m、平均高宽比为0.75的梯形断面表明:梯形断面优于矩形断面。
3.2系统锚杆支护参数与围岩稳定性
有关文献研究表明,对弹模为5. 4GPa的软岩试块,系统锚杆合理的参数范围为:L/e且e<0.9-1.2m (L为锚杆长度,e为锚杆间距)。煤体的弹模一般小于5.4GPa,布置系统锚杆加固煤体可参考该范围取值。为了具体确定L、e及L/e值,模拟了表1所列的16种系统锚杆支护方案。结果表明:方案6即L=2. lm,e=0. 7m, L/e=3. 0围岩稳定性最好。

3.3顶板下沉量(u)与桁架锚杆倾角(α)及拉杆预紧力(T)的关系
为研究顶板下沉量随桁架锚杆倾角及拉杆预紧力的变化,模拟了桁架锚杆倾角分别为40º、45º、50º、55º、60º、65º和70º时7种情况及拉杆预紧力从0KN、10KN、20KN、30KN……到90KN等8个方案,结果表明:合理的桁架锚杆倾角α=15º-60º,适宜的桁架拉杆预紧力T=40-50KN。
3.4围岩收敛变形量与锚杆预应力F的关系
为研究综放回采巷道顶底移近量及两帮移近量随锚杆预应力F的变化,又模拟了锚杆预应力分别为0kN、10kN、30kN、50kN、70kN、90kN和110kN时7种情况,结果如图2所示。当锚杆预应力F<60-70kN时,增加预应力对围岩控制效果作用显著;反之,对围岩控制效果不明显,故适宜的锚杆预应力为60~70kN。

3.5桁架描带网支护系统参数
根据数值模拟结果,设计出综放回采巷道桁架锚带网支护方案,如图3所示。

桁架锚带网支护系统参数如下:
(1)顶板桁架锚杆支护参数:①桁架锚杆:选用Ф20、长2.35变形螺纹钢,倾角55º;②锚固方式:树脂药卷加长锚固(采用K2335和Z2370各一支),③拉杆:采用Ф14圆钢每架两根,长2.5m;④桁架托盘:采用ZG270-500材料铸造。
(2)顶板钢带锚杆支护参数:①钢带锚杆:选用Ф2.0,长2.0m变形螺纹钢,倾角分别为70º、80º、90º,锚杆间距700mm,排距1.4m,锚固方式同桁架锚杆;②钢带:采用BHW-280-3-3400W型钢带(横向)和BHW-280-3-850W型钢带(纵向)两种;③托盘:采用BHT-B型铸造托盘;④金属网:采用10#60×80mm、网片为3600×800mm的菱形铁丝网。
(3)两帮支护参数:①帮锚杆选用Ф20、长2.0m的变形螺纹钢,间排距为700×700mm;②锚固方式:快硬水泥药卷全长锚固;③托盘:采用在木托盘上加金属托盘配套使用,木托盘尺寸为500×200×50mm。

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