深部高应力薄层坚硬顶板底抽巷支护工艺

技术领域

本发明涉及掘进支护领域，具体涉及一种深部高应力薄层坚硬顶板底抽巷支护工艺。

背景技术

近年来，随着科技的进步和发展，矿山机械设备的功率越来越大，智能化程度越来越高，煤炭开采技术得到迅猛发展，煤矿开采效率有了大幅度提升，矿井产量不断增加，但是采掘矛盾在矿井的生产过程中日益凸显，由于岩巷的掘进速度较慢，出现了矿井的采掘接续紧张甚至失调现象，严重制约了矿井的高产、高效和健康发展。因此针对矿井具体的生产地质条件及掘进设备的尺寸和性能，研究相应的巷道快速掘进技术，提高巷道掘进效率，对于加快矿井安全高效生产具有非常重要的意义。

目前由于底抽巷掘进速度较低，严重影响了回采工作面的正常接续和可持续生产。提高掘进效率缓解衔接紧张需要解决的主要问题是瓦斯问题，所以提前施工底抽巷为抽放提供战场就成了解决问题的关键，而提高底抽巷单进水平就成为解决衔接问题的突破点。为了提高底抽巷单进水平，需要开展底抽巷快速掘进技术研究，分析影响底抽巷快速掘进的各种因素，优化底抽巷支护设计，确定合理的支护参数，同时改进掘进工艺和施工工序，对于改善巷道维护效果，加快巷道掘进速度，有效控制巷道围岩变形破坏，对于缓解矿井采掘衔接紧张，确保矿井安全、高效、可持续生产具有重要的实用价值和现实意义。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，提供一种深部高应力薄层坚硬顶板底抽巷支护工艺

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：深部高应力薄层坚硬顶板底抽巷支护工艺，包括以下步骤：

1)模型建立，依据底抽巷的地质资料，采用FLAC

2)底抽巷支护参数确定,采用“锚网+锚索”组合支护方式：

①巷道顶板支护

锚杆型号和规格：Ф22×2400mm，MSGLW—500/22/2400高强度左旋无纵肋螺纹钢锚杆；

锚杆配件：采用强力锚杆螺母，配合高强度托盘调心球垫和尼龙垫圈，托盘采用高强度拱形托盘，规格为长×宽×厚＝150×150×10mm钢板、400×280×4mm型W钢带护板；

锚索型号和规格：Ф22×6300mm，SKP22-1/1720-6300股高强度低松驰钢铰线锚索，头部设有树脂锚固剂搅拌头,尾部配有高强度锁具；

锚索托盘：长×宽×厚＝300×300×16mm钢板；

钢筋托梁规格：采用Φ14mm的钢筋焊接而成，宽度为80mm，钢筋托梁长度4200mm，型号Φ 14－4200－80－5，眼距1000mm；

锚杆布置：排距1.2m，间距1.0m，每排5根锚杆，距帮0.3m开始布置，靠近巷帮的顶板锚杆安设角度与垂直线成15度角，其余与顶板垂直。

锚索布置：采用矩形布置，每排2根，排距为2.4m，间距2.0m，居中布置，距帮1.3m，锚索施工角度与顶板垂直；

网片规格及连接方式：网片规格为4600×1400mm，网格50×50mm，采用10#铁丝编织的金属菱形网；网与网采用搭接方式连接，搭接长度100mm，采用双股16#镀锌铅丝拧紧，至少拧3 圈，将剩余联网丝扭成麻花状，并使之紧贴在所联网片上；顶帮铺设菱形金属网，顶网与帮网连接在一起；

锚固方式：树脂加长锚固，锚杆采用两支锚固剂，先放一支规格为MSK2335，再放一支规格为MSZ2360，钻孔直径为30mm，锚固长度不小于1200mm，锚固力不小于150KN，预紧力距不小于 400N·m，外露长度为10-50mm；锚索采用四支锚固剂，两支规格为MSK2335，两支规格为MSZ2360，先放快速药卷MSK2335，后放两支中速药卷MSZ2360；钻孔直径30mm，锚固长度不小于2416mm，外露长度锁具外150-250mm，预紧力不小于250KN；

②巷道两帮支护

锚杆型号和规格：Ф22×2400mm，MSGLW—500/22/2400高强度左旋无纵肋螺纹钢锚杆；

锚杆配件：采用强力锚杆螺母，配合高强度托盘调心球垫和尼龙垫圈，托盘采用高强度拱形托盘，规格为长×宽×厚＝150×150×10mm钢板、400×280×4mm型W钢带护板；

锚杆布置:排距1.2m，间距1.1m，每排每帮3根锚杆，顶锚杆距顶板0.4m，安设角度与水平成向上10度角，底锚杆距底板0.6m，安设角度与水平成向下10度角，中部锚杆施工角度与巷帮垂直；

网片规格及连接方式：网片规格为3200×1400mm，网格50×50mm，采用10#铁丝编织的金属菱形网；网与网采用搭接方式连接，搭接长度100mm，采用双股16#镀锌铅丝捆扎，每隔150mm 捆扎一道，拧结不少于3圈；

锚固方式：锚杆采用两支锚固剂加长锚固，先放一支规格为MSK2335，再放一支规格为MSZ2360，锚固长度不小于1200mm，锚固力不小于150KN，预紧力距不小于400N·m，钻孔直径为30mm，外露长度为10-50mm。

进一步的，步骤1)中计算模型边界条件确定如下：

(1)模型X轴两端边界施加沿X轴的约束，即边界X方向位移为零；

(2)模型Y轴两端边界施加沿Y轴的约束，即边界Y方向位移为零；

(3)模型底部边界固定，即底部边界X、Y、Z方向的位移均为零；

(4)模型顶部为自由边界。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

本发明通过优化底抽巷支护设计，确定合理的支护参数，对于改善巷道维护效果，加快巷道掘进速度，有效控制巷道围岩变形破坏，对于缓解矿井采掘衔接紧张，确保矿井安全、高效、可持续生产具有重要的实用价值和现实意义。

附图说明

图1为巷道开挖模型图。

图2为三维支护计算模型示意图。

图3为锚杆支护断面应力图。

图4为锚索支护断面应力图。

图5为巷道围岩塑性区分布。

图6为支护不平衡力监测图。

图7为顶板位移监测图。

图8为底板位移监测图。

图9为左帮位移监测图。

图10为右帮位移监测图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例

本实施例以胡底煤业为例。

胡底煤业是高瓦斯高突出矿井，3#煤层原始瓦斯压力3.83MPa，原始瓦斯含量25m

底抽巷支护设计数值模拟研究

(1)软件简介

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是连续介质快速拉格朗日分析程序。拉格朗日元法是利用显式有限差分方法求解，其基本原理与算法与离散元法相似，它运用节点位移量连续条件，可对连续介质进行大变形分析，基于显式差分法求解运动方程和动力方程。拉格朗日元法的计算假定某一时刻各节点的速度为已知，则根据GAUSS定理可求得单元的应变率，进而可以根据材料设定的本构定律求得各单元新的应力。然后按节点周围的单元对应力围线积分，即能求得作用在节点上的不平衡力，按照时步迭代求解的方法可确定各节点的不平衡力，利用运动定律即可确定节点在某一时刻的加速度，即又计算达到图中左下角，然后再按时步ΔΤ进行下一轮循环，一直算到问题收敛。若问题本身不收敛，如发生塑性流动，则可以跟踪塑性流动的全过程。

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是一个利用显式有限差分方法求解的岩土、采矿工程中进行分析和设计的二维连续介质程序，主要用于模拟土层、岩石及其他材料的非线性力学行为，可以解决众多有限元程序难以模拟的复杂的工程问题，例如大变形、大应变、非线性及非稳定系统(甚至大面积屈服/失稳或完全塌方)等问题。FLAC程序中提供了由空模型、弹性模型和塑性模型组成的11种基本的本构关系模型：(1)零模型；(2)各向同性弹性模型；(3)横向同性弹性模型；(4)莫尔－库仑模型；(5)德鲁克—普拉格模型；(6)节理化模型；(7)应变硬化—软化模型； (8)双线性应变硬化—软化的节理化模型；(9)双屈服模型；(10)修正的剑桥粘土模型；(11)霍克—布朗模型。用户也可以用FISH程序语言创建自己的本构模型。FLAC网格中的每个单元都可以有不同的材料模型或参数，并且对于每个参数都可以有详细指定其连续梯度和统计分布。此外，在两部分或更多部分的网格之间，提供了界面模型和滑移面模型表示明显的界面，可以用于模拟断层、节理和摩擦边界等。

计算中采用莫尔－库仑模型和空单元模型(巷道开挖和工作面回采)。莫尔－库仑(Mohr－ Coulomb)屈服准则为：

式中：σ

(2)模型建立

依据胡底矿底抽巷的地质资料，采用FLAC

计算模型边界条件确定如下：

(1)模型X轴两端边界施加沿X轴的约束，即边界X方向位移为零；

(2)模型Y轴两端边界施加沿Y轴的约束，即边界Y方向位移为零；

(3)模型底部边界固定，即底部边界X、Y、Z方向的位移均为零；

(4)模型顶部为自由边界。

计算模型边界载荷条件：模型上边界施加20.5MPa的垂直应力。

表1底抽巷支护设计方案参数

(2)数值模拟结果分析

数值模型建立后，对岩体进行开挖，底抽巷开挖宽度4.6m，高度3.2m。上方煤巷宽5.4m，高3.9m，如图1所示。

图2表示巷道模型开挖后，安装了锚杆、锚索支护措施后数值计算垂直应力模型。图3为截面垂直应力图，表明底抽巷的2.4米长的顶锚杆刚刚穿过最大应力集中区，2.4米长的帮锚杆端头所在区域应力也比较大；图4中的顶锚索端头距应力集中区较远，说明顶锚索锚固处的围岩是稳定的，另外底抽巷右侧收到了右上方煤巷的影响，出现了垂直应力叠加，但对于底抽巷影响不大。图5为巷道围岩的塑性区范围，从图中可以看出，底抽巷顶板和两帮未见明显的塑性区，但底板出现了塑性区特征，而上方的两条煤巷出现了明显的塑性区。底抽巷的围岩移近量需要通过位移监测曲线来体现。

图6是对巷道支护状态下的不平衡力的监测，结果表明数值计算迭代8000次时，模型已经达到了稳定收敛状态。图7是对巷道顶板最大位移量的监测，监测结果表明巷道顶板最大位移量为107mm；图8是对巷道底板最大位移量的监测，监测结果表明巷道底板最大位移量为197mm；图9是对巷道左帮的位移量的监测，监测结果表明巷道左帮位移量为130mm，图10是对巷道右帮的位移量的监测，监测结果表明巷道右帮位移量为155mm。以上监测结果表明，该支护方案合理。

(二)底抽巷支护参数确定

综合底抽巷围岩结构、力学理论分析、工程类比法的经验数值及计算机数值模拟结果，确定巷道支护设计方案。

(1)底抽巷支护参数设计

底抽巷断面形状为为矩形断面，掘进宽度×掘进高度＝4600mm×3200mm，净宽度×净高度＝4400mm×3100mm；S

①巷道顶板支护

锚杆型号和规格：Ф22×2400mm，MSGLW—500/22/2400高强度左旋无纵肋螺纹钢锚杆。

锚杆配件：采用强力锚杆螺母，配合高强度托盘调心球垫和尼龙垫圈，托盘采用高强度拱形托盘，规格为长×宽×厚＝150×150×10mm钢板、400×280×4mm型W钢带护板。

锚索型号和规格：Ф22×6300mm，SKP22-1/1720-6300股高强度低松驰钢铰线锚索，头部设有树脂锚固剂搅拌头,尾部配有高强度锁具。

锚索托盘：长×宽×厚＝300×300×16mm钢板。

钢筋托梁规格：采用Φ14mm的钢筋焊接而成，宽度为80mm，钢筋托梁长度4200mm，型号Φ 14－4200－80－5(眼距1000mm)。

锚杆布置：排距1.2m，间距1.0m，每排5根锚杆，距帮0.3m开始布置，靠近巷帮的顶板锚杆安设角度与垂直线成15度角，其余与顶板垂直。

锚索布置：采用矩形布置，每排2根，排距为2.4m，间距2.0m，居中布置，距帮1.3m，锚索施工角度与顶板垂直。

网片规格及连接方式：网片规格为4600×1400mm，网格50×50mm，采用10#铁丝编织的金属菱形网；网与网采用搭接方式连接，搭接长度100mm，采用双股16#镀锌铅丝拧紧，至少拧3 圈，将剩余联网丝扭成麻花状，并使之紧贴在所联网片上(联网丝剩余长度长时，且宜梳小辫)。顶帮铺设菱形金属网，顶网与帮网连接在一起。

锚固方式：树脂加长锚固。锚杆采用两支锚固剂，先放一支规格为MSK2335，再放一支规格为MSZ2360，钻孔直径为30mm，锚固长度不小于1200mm，锚固力不小于150KN，预紧力距不小于 400N·m，外露长度为10-50mm；锚索采用四支锚固剂，两支规格为MSK2335，两支规格为MSZ2360 (先放快速药卷MSK2335，后放两支中速药卷MSZ2360)，钻孔直径30mm，锚固长度不小于 2416mm，外露长度锁具外150-250mm，预紧力不小于250KN。

②巷道两帮支护

锚杆型号和规格：Ф22×2400mm，MSGLW—500/22/2400高强度左旋无纵肋螺纹钢锚杆。

锚杆配件：采用强力锚杆螺母，配合高强度托盘调心球垫和尼龙垫圈，托盘采用高强度拱形托盘，规格为长×宽×厚＝150×150×10mm钢板、400×280×4mm型W钢带护板。

锚杆布置:排距1.2m，间距1.1m，每排每帮3根锚杆，顶锚杆距顶板0.4m，安设角度与水平成向上10度角，底锚杆距底板0.6m，安设角度与水平成向下10度角，中部锚杆施工角度与巷帮垂直。

网片规格及连接方式：网片规格为3200×1400mm，网格50×50mm，采用10#铁丝编织的金属菱形网；网与网采用搭接方式连接，搭接长度100mm，采用双股16#镀锌铅丝捆扎，每隔150mm 捆扎一道，拧结不少于3圈。

锚固方式：锚杆采用两支锚固剂加长锚固，先放一支规格为MSK2335，再放一支规格为 MSZ2360，锚固长度不小于1200mm，锚固力不小于150KN，预紧力距不小于400N·m，钻孔直径为30mm，外露长度为10-50mm。