全部
▼
热搜：
788
编辑：
来源：北京智宏科信科技发展有限公司
采用悬臂式掘进机掘进时，掘支锚不能平行作业，影响掘进效率，该项目针对掘支锚连续平行作业机理进行了深入研究。为了实现掘支锚运连续平行作业，需对巷道掘进与锚固分离时，围岩变形破坏机理、支护机理进行研究，研究手段为数值模拟与现场试验相结合等方法。
1.掘锚分离巷道围岩受力及变形破坏特征
(1)掘进工作面后方15m范围不同支护下巷道围岩应力分布
采用Flac3D软件模拟某矿西下山回风巷掘锚分离巷道围岩受力、变形及破坏规律。模拟研究掘进工作面后方15m范围内不打设锚杆（a）、顶板每排布置2根锚杆(b)、顶板每排布置4根锚杆(c)及顶板每排布置6根锚杆每两排布置2根锚索(d)4种不同锚杆布置方式时，巷道围岩应力、围岩及塑性区情况，如图1~图2所示。
图1巷道围岩垂直应力场分布
图2巷道围岩水平应力场分布
从图1、图2看出，掘进工作面后方15m范围内，（a）、（b）、（c）、（d）4种不同条件下巷道围岩应力分布形态影响较大，但对最大应力值却相差不大。4种情况下最大垂直应力值在12.5MPa～12.8MPa之间，垂直应力集中区域主要分布在巷道的两帮，顶板垂直应力释放，属于应力降低区。掘进工作面后方15m范围内不打锚杆情况下，可明显看出未布置锚杆区域顶板应力释放区域很大，顶板应力降低区范围大约是正常锚杆、锚索支护段应力降低区范围的3倍左右。随着锚杆支护数量的增加，顶板垂直应力释放区范围缩小。
随着锚杆支护数量的增加，顶板最大水平应力略有减小的趋势，但减小幅度较小，其原因是锚杆支护增加了顶板岩体的整体抗压强度，使围岩受力更为均匀。不打锚杆情况下，最大水平应力为13.05MPa；掘进面后方每排布置2根锚杆情况下，最大水平应力为12.96MPa；每排布置4根锚杆情况下，最大水平应力为12.94MPa，每排布置6根锚杆每两排布置2根锚索情况下，最大水平应力为12.85MPa。从水平应力分布形态来看，与垂直应力分布形态类似，不打锚杆时，顶板水平应力降低区范围较大，随着锚杆支护数量和强度的增加，顶板水平应力降低区范围逐渐减小。
(2)掘进工作面后方15m范围不同支护强度下围岩位移分布
掘进工作面后方15m范围内，不打锚杆、顶板打设2根锚杆、4根锚杆、6根锚杆及2根锚索4种条件下巷道围岩位移分布情况见图3～图4所示。
图3巷道围岩垂直位移场分布
图4掘进面后方不同位置及不同锚杆支护数量下顶板下沉曲线
针对某矿顶板岩层条件，掘进工作面后方15m范围内不打锚杆情况下，巷道顶板下沉达到75.85mm，顶板将可能出现离层现象。掘进工作面后方15m范围内每排布置2根锚杆情况下，巷道顶板下沉34.40mm，顶板基本不会出现离层现象。掘进工作面后方15m范围内每排布置4根锚杆情况下，巷道顶板下沉21.66mm，顶板基本不会出现离层现象。掘进工作面后方15m范围内每排布置6根锚杆每两排布置2根锚索情况下，巷道顶板下沉20.20mm，顶板不会出现离层现象。巷道两帮水平位移相差不大。巷道掘进后变形最为剧烈的范围为掘进工作面后方10m范围内，随后逐渐趋缓。随着锚杆数量的增加，顶板下沉量减小，锚杆数量4根和6根时在掘进初期对巷道的变形影响相差不大。
(3)掘进工作面后方15m范围不同支护强度下围岩塑性破坏区分布
掘进工作面后方15m范围内，（a）、（b）、（c）、（d）4种不同条件下巷道塑性破坏区分布情况见图5所示。
图5 巷道围岩塑性破坏区分布形态
4种条件下围岩塑性破坏区分布存在一定差别，掘进面后方15m范围不打锚杆，巷道顶板及掘进工作面前方煤体塑性破坏区较大，顶板塑性破坏范围达到了4m。随着顶板支护强度的增加，顶板塑性破坏区范围逐渐减小。同时，由于支护强度的增加，顶板承载能力增强，对掘进工作面前方煤体的塑性破坏区分布也存在一定的影响，随着顶板支护强度的增加，工作面前方煤体塑性破坏区有少量减少。
2.不同空顶距锚杆（索）锚固性能测试
为了分析不同空顶距对锚杆（索）锚固性能发挥的影响，采用CRM500，直径22mm的锚杆，直径为22mm的锚索，在某矿下山回风巷进行了试验。分别测试了及时支护时锚杆（索）锚固力、空顶2排（排距1000mm）后支护时锚杆（索）锚固力及空顶3排（排距1000mm）后支护时锚杆（索）锚固力。从测试结果来看，随着空顶距增大，锚杆锚固力及锚索张拉力一定程度上会降低，且帮锚杆锚固力略小于顶锚杆锚固力。但是某矿西下山回风斯巷空顶3排支护后335#号钢顶帮锚杆平均锚固力分别为193kN和187.3kN，锚索平均张拉力为283kN，完全能够满足生产设计要求。
同时采用钻孔窥视仪在临时支架掩护下，对刚掘进出的巷道顶板及24小时后顶板围岩结构进行了观测。结果发现，巷道掘进后在临时支架作用下未打设锚杆24小时后顶板基本未发生离层现象。
3.掘进工作面临时支护装置作用
依据煤矿地质与生产条件，分别模拟了临时支架距掘进工作面距离为3m、2m、1m和0m四种情况下巷道围岩的应力和位移分布特征，数值模型如图6~图7所示。
图6 巷道顶板围岩垂直应力分布
图7 巷道顶板围岩垂直位移分布
临时支架距掘进工作面不同距离时，巷道围岩应力垂直应力分布形态大致相当，都是巷道顶底板应力释放，掘进工作面前方5m范围应力集中，尤其掘进工作面处上、下两角处。从垂直应力数值来看，临时支架离掘进工作面距离为3m、2m、1m三种情况下，巷道围岩垂直应力大小相差不大，约为13.17MPa；当临时支架紧跟掘进工作面，即临时支架距掘进工作面0m时，由于临时支架的支护作用，掘进工作面前方垂直应力集中程度降低，最大垂直应力减小为12.63MPa。
从临时支架距掘进工作面不同距离时巷道顶板下沉量看，临时支架离掘进工作面距离为3m、2m、1m、0m时下顶板下沉量总体相差不大，约为20.7mm。但顶板位移形态却不同，临时支架与掘进工作面距离越近，对顶板那上部岩层扰动越小，顶板上部整体下沉空间越小。因此，临时支架应尽量紧跟掘进工作面，以减小掘进头处的应力集中，减小顶板上部的扰动下沉空间，需开发相应的连续自移式临时支护装备。
4.掘支锚连续平行作业支护机理
基于以上巷道围岩应力数值计算、及现场测试结果得出，掘支锚连续平行作业支护机理主要包括以下内容：
(1)巷道掘进将影响围岩应力重新分布，是一个先加载后卸载的过程，巷道围岩的破坏主要是由于掘进过程中偏应力增大所引起。
巷道掘进对围岩来说是一个先加载后卸载的过程。巷道开始掘进后，距离掘进工作面一定距离的一点A处首先应力达到超前支承应力的峰值，随着开挖的进行，A点的应力逐渐降低。
由于巷道的掘进，引起巷道围岩的垂直应力和水平应力在掘进工作面周围重新分布，在工作面前后方出现应力升高区与降低区。巷道前方围岩在超前支承应力的作用下，应力逐渐升高，随着掘进工作面的推进，围岩应力逐渐降低，工作面推过后，支承应力急剧降低，随着掘进距离的增加，巷道后方围岩应力缓慢恢复。
巷道围岩在这种加载-卸载的力学环境中，其应力偏量（）逐渐增大，以摩尔-库伦强度准则为例，处在极限平衡状态的围岩，当围压（）固定，轴压（）增加时，或当轴压固定，围压减少时，都会引起偏应力（）的增加，从而导致岩体破坏。
(2)巷道支护的实质是通过锚杆或掘进工作面临时支架，改变巷道围岩的受力状态，有效降低围岩应力减小速率，避免偏应力（）的快速增大，从而提高围岩承载能力。
巷道围岩作为一种天然的多孔介质，其内部存在大量的微裂纹、微孔洞和微缺陷等细观结构，在巷道掘进、回采等施工扰动过程中，围岩处于反复的加卸载过程中，在这种循环加卸载过程中，煤岩体内部节理、裂隙张开，新的裂纹产生扩展，导致围岩扩容膨胀，最后失稳。
巷道开挖后，围岩应力释放过程需要一定的时间，在应力释放期内采取锚杆支护或掘进工作面临时支架支护措施后，将有效降低围岩应力减小速率，避免偏应力（）的快速增大，从而减小巷道围岩的破坏。
(3)围岩条件不同，巷道掘进后应力降低速率不同，对于某矿试验巷道地质条件，掘进工作面临时支护及前期锚杆支护能够有效控制巷道顶板离层，并阻止围岩塑性破坏区的扩展，同时掘支锚连续平行作业显著提高了成巷速度。
不同条件的围岩，巷道围岩应力释放过程不同，当围岩破碎强度较低时，应力释放速度较快；当围岩一般时，应力释放速度一般；当围岩坚硬，强度较高时，应力释放较慢。
巷道开挖后，由于围岩应力释放，巷道发生顶板离层，无支护时离层随着时间的推移逐渐增大；采取掘进工作面临时支架主动支护后将有效减小离层速度和离层量。顶板离层存在离层界限值，当离层值大于离层界限值后，打设锚杆索将会对支护产生影响；当顶板离层在离层界限值内，对锚杆索预应力扩散及传递影响范围较小，打设锚杆索后对支护效果影响不大。
巷道开挖后，受偏应力的作用巷道围岩将形成塑性破坏区，不同围岩条件时塑性破坏区分布范围不同。根据现场试验某矿巷道采用临时支护及两帮各打设一根锚杆后，能够有效控制巷道围岩扩容变形，围岩塑性区范围非常有限，在临时支护区域外打设锚杆索施加高预紧力后能够有效阻止了塑性区范围的进一步扩展。
掘支锚连续平行作业一体化时，首先采用临时支护装置初撑力或顶板首次支护锚杆在顶板永久支护前，短期内控制顶板离层破坏的发生，永久支护锚杆索打设后将与初次打设锚杆工作作用，防止顶板岩层发生离层破碎等。掘支锚连续平行作业一体化的关键为：初期顶板离层破坏的控制，及后期支护完成尽量实现一次支护就能有效控制围岩变形与破坏，避免二次支护和巷道维修。
分享 0
举报 0
收藏 0
反对 0
点赞 0
中冶有色技术平台
2024年08月13日 ~ 15日 
