回采巷道锚网索支护设计决策系统的应用与研究

作者:禹申友 李守刚 侯民川 赵永根 来源:山东省兰河口矿业有限责任公司 点击:  评论: 更新日期:2017年08月30日

1、前言
锚杆支护作为一种新的巷道支护形式,与传统支护方式相比,在改善支护效果、降低支护成本、加快成巷速度、减轻劳动强度、提高巷道断面利用率、简化回采面端头区维护工艺等方面的优越性十分突出。因而受到了世界主要产煤国家的普遍重视,代表了煤矿巷道支护技术的发展方向。
目前,三河口矿在回采巷道支护中,普遍采用了“锚网索”联合支护形式。虽然取得了较为显著的经济效益和安全效果,但是,长期以来,锚网索支护参数一直以周边邻近矿区的经验为主,没有针对矿的具体地质条件和开采条件进行科学合理的锚网索支护设计。因此,带有较大的盲目性,导致支护设计参数缺乏科学依据,给矿井的安全生产带来了隐患。为了解决上述何题,针对的主采煤层
——3上煤层的地质条件和目前巷道支护状,能够通过计算机可视化手段,建立一套锚网索支护的力学模型,决定开发《3上煤层回采巷道锚网索支护设计系统》,为回采巷道支护设计提供依据。
2、3上煤层回采巷道支护现状
3上煤层回采巷道目前普遍采用矩形断面,巷道净高度一般为2.5m,巷道净宽度一般为3.2-3.5m。采用锚网带、锚索联合支护。顶板选用Ф18mm的螺纹树脂锚杆,锚杆长度1. 8m。锚杆间排距为800mm ×800mm(700mm×800mm),排距0. 8m(0. 7m),每排锚杆的锚杆数为5根,两肩窝处锚杆的安装角度为70º,锚杆间距为0.8m。(见图1)

金属网采用10#铁丝编制成菱形网,网格为30mm×30mm。为了加强顶板支护强度,每隔2. 4m安装锚索2根。锚索长度5m,直径15.24mm,由低松弛预应力钢绞线绞合而成,与W钢带配合使用。W钢带型号为WX180/3. 0(辅助顺槽),WX180/3.2(运输顺槽)。锚索孔间距为1200mm。
两帮采用Ф18mm的螺纹树脂锚杆,锚杆长度1. 6m,每排2根、3根间隔布置。每隔1600mm加设一根长2000mm的钢筋拉筋,拉筋为16#钢筋,双股,用同型号钢筋焊接,与锚杆联合使用。在顺槽的回采侧,为了便于回采,有时也采用水泥锚固的竹锚杆。
3、3上煤层回采巷道支护设计决策模型
支护参数设计是巷道支护设计实现定量决策的关键所在。当支护型式确定以后,参数设计正确与否,直接影响到支护效果和经济效益。当支护参数所提供的支护强度不够,即使支护型式是合理的,也可能控制不住巷道围岩的严重变形和破坏,最终导致巷道不得不翻修,影响正常生产和经济效益;当支护参数设计得过于保守,虽然能保证巷道在服务期间的稳定状况,但支护成本必然偏高。因此,科学地寻找支护参数设计在安全和经济这两方面之间的最佳点,对安全生产和经济效益的意义是显而易见的。
本课题与山东科技大学合作,根据“以岩层运动为中心的矿压理论”的最新研究成果,首先建立起采场结构力学模型,为进一步计算出已采工作面周围煤体上的支承压力分布规律,确定出内应力场的范围,从根本上解决沿空顺槽的煤柱尺寸问题奠定基础。
以采场支承压力结构力学模型和锚网索支护的理论研究成果为依据,结合三河口矿十几年来的工程实践,参考临近矿区的开采经验,建立3上煤层回采巷道支护设计决策模型。
3. 1沿空顺槽煤柱尺寸计算模型(模型1)
3.1.1模型决策目标
该模型决策目标是沿空顺槽煤柱尺寸S
3.1.2输入参数
相邻工作面长度L;
相邻工作面老顶岩梁初次来压步距C0;
相邻工作面超前支承压力高峰位置距煤壁的距离S3;
相邻工作面老顶岩梁总厚度M;
相邻工作面支承压力集中系数K;
采深H。
3.1.3 模型公式:

3.1.4应用举例
由于3上煤层今后均采用放顶煤技术进行回采,主要矿压运动参数尚没有观测数据,因此采用《顶板控制设计专家系统》进行了预测。
3上煤层其他相关参数如下:
工作面长度:70~150m;
支承压力高峰位置距煤壁的距离S3=20m;
工作面支承压力集中系数取K=2.6;
采深H=350-600m
将上述参数代入模型中,计算出3上煤层采空区周围的内应力场范围。
可见,在工作面长度为70-150m的范围内,采深为350-600m左右时,内应力场范围一般为6. 3-9. 3m。考虑到的顺槽宽度一般为3-4m,因此,为了把顺槽布置在内应力区,煤柱尺寸应该为:S=(6.3-9.3)-(3-4)=3-6m如图2所示。

3. 2回采巷道锚杆支护参数决策模型(模型2)
由于3上煤层采用放顶煤技术开采,.顺槽沿着煤层底板布置,巷道顶板为煤层,在巷道高度为2.5m的情况下,顶煤厚度大约为2.5m。由于顶煤较厚,其冒落形状为拱形,故可按照普氏免压拱理论进行锚杆支护参数设计。
3. 3锚索支护参数决策模型(模型3)
锚索的长度由3部分组成:顶煤厚度、砂质泥岩厚度和深入到白灰色细砂岩中的厚度。因此,锚索的基本长度为:
L锚索=顶煤厚度+砂质泥岩厚度+深入到白灰色细砂岩中的厚度
4、3上煤层回采巷道锚网索支护设计决策支持系统
DSS实质上是在管理信息系统和运筹学的基础上发展起来的。即DSS的出现,它不同于MIS数据处理,也不同于模型的数值计算,而是它们的有机集成。它既具有数据处理功能又具有数值计算功能。助决策有几种方式:(1)以数据形式辅助决策;(2)以模型和方法的形式辅助决策;(3)以多模型组合形式辅助决策。
决策支持系统即人机交互系统(对话部件)、模型库系统(模型部件)、数据库系统(数据部件)。
决策支持系统的结构如图3。

决策支持系统是三个部件的有机结合,即对话部件(人机交互系统)、数据部件(数据库管理系统和数据库)、模型部件(模型库管理系统和模型库)的有机结合。
人机对话部件包括如下几方面的功能:①提供丰富多彩的显示和对话形式;②输入输出转换;③控制决策支持的有效运行。
数据部件的集成语言由所编制的DSS控制程序来完成。数据部件包括数据库和数据库管理系统。
模型部件由模型库和模型库管理系统组成。包括:①模型的表示形式:②模型的动态形式;③模型库管理系统;④模型库管理系统的特定功能等。
5、3上煤层回采巷道支护设计决策支持系统的实现
在前述研究工作的基础上,开发了《3上煤层回采巷道锚网索支护设计决策支持系统》,系统主界面如图4,图5,图6,图7所示。然后系统弹出数据编辑窗口,如图5所示。以后可以在此界面中输入与巷道相关的数据。

6、结语
回采巷道锚网索支护设计决策系统在三河口矿已得到成功应用,是科学理论指导生产实践的具体体显。经过巷道支护优化设计为科学管理顶板,正确选择支护参数、合理确定支护强度,提供了科学的依据,该系统的应用不仅取得安全生产,取得了较好的社会效益,而且节约材料消耗,减少了工人的劳动量,提高了劳动效率;每百m巷道节约纯材料费用10358元。目前该系统还能根据特殊的地质情况,采取相应的支护设计。

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