辅运顺槽支护方案设计研究精选.docVIP

纳林庙二号井4-2102辅运顺槽支护方案设计研究 朱立永 李绍海 姜光 (鄂尔多期天地华泰采矿工程技术有限公司纳二项目部，内蒙古 鄂尔多斯 017000) 摘要：纳林庙二号井4-2102辅运顺槽为半煤岩巷，具有顶板强度低、巷道跨度大的特点。为了解决此类巷道支护问题，本文结合理论分析、FLAC数值模拟等设计巷道支护方案，确定出锚杆、锚索的长度及间距排距等关键参数，最终得出最优的支护方案。 关键词：悬吊理论；支护参数；支护方案；FLAC数值模拟 纳林庙二号井4-2102辅运顺槽掘进区域距地面50～170 m，地表标高为1295～1405 m，4-2煤层煤类为不粘煤，该煤层及围岩属侏罗系中下统延安组中部含煤岩段。其煤层倾向202～215°，倾角0～2°，在本工作面上覆基岩一般为砂质泥岩，泥岩互层，有很薄细砂岩发育。 本次设计的巷道有三个特点，一是巷道为半煤岩巷道，直接顶为软弱泥岩，泥岩互层，强度较低；二是巷道跨度大，设计宽度为5 m且巷道为矩形；三是顺槽要经受采动应力的作用，巷道变形会相对比较严重，影响正常的安全生产。因此，针对纳林庙二号井，如何采取合理的支护方案解决控制巷道围岩变形对于采掘工程实践具有重要意义，对其他条件相似矿井巷道支护设计提供有益借鉴[1-3]。 图1 纳林庙煤矿二号4-2102辅运顺槽综合柱状图 1 巷道支护参数选取 本文设计巷道为矩形巷道:S掘=宽×高=5 m×2.8 m=14 m2，永久支护方式采用锚杆-金属网-钢筋梯-锚索耦合支护。 （1）顶锚杆长度的确定[4]： 采用悬吊理论设计，锚杆长度有下式确定： L=L1+L2+L3 （1） 公式（1）中： L—锚杆外露长度； L1=垫板厚度+螺母厚度+（0.02～0.03）m=0.1 m； L2—锚杆有效长度，依据普式自然平衡拱理论确定L2； L3—锚杆锚固长度，一般0.3～0.4。 顶锚杆L2的长度确定：当f ≤ 3时， L2=[B/2+Hctg(45+φ/2)]/f = 1.237 m （2） 公式（2）中： f—岩石普氏坚固性系数，考虑4-2煤顶板为细砂岩泥岩互层，易离层破碎，取f=2.7； B—巷道跨度，取为5.0； H—巷道掘进高度，取为2.8； φ—岩体内摩擦角，取为65°。 故顶锚杆L=1.737 m，取顶板锚杆长度为2.1 m。 帮锚杆L2的长度确定： L2=(1+f)/(1+2f)+(B-1)/(B+1)=1.13 m （3） 公式（3）中：f—岩石普氏坚固性系数，4-2煤的坚固性系数为0.9；故帮锚杆L=1.53m，取帮锚杆长度为1.6 m。 （2）锚杆杆体直径的确定： 顶锚杆长度按照公式（4）进行计算： d=L/110=2.1/110=19 mm （4） 取20 mm。 同理，帮锚杆长度为： d=L/110=1.6/110=14 mm 取16 mm。 （4）锚杆间排距的确定： 对锚杆支护巷道，考虑施工工艺通常取间排距相等，锚杆间排距D按照公式（5）进行计算： D=0.5L=0.5×2.1=1.05 m （5） 通过以上计算，选用直径20 mm，长度2100 mm的锚杆，间排距为1100×1000 mm能够满足要求。 2数值模拟研究 FLAC3D是一种在工程力学计算常用的有限差分程序。它是在在拉格朗Et算法基础上，采用有限差分显式算法来获得模型全部运动方程（包括内变量）的时间步长解。本文利用FLAC3D数值模拟模拟软件对巷道支护参数进行模拟优化，最终选取最佳支护方案[5-8]。 图2 物理模型建立 表1 FLAC模拟方案设计 方案名称 方案一 方案二 方案三 间排距 1100×1000 1000×800 800×800 表2 煤岩层物理力学性质参数 岩层 密度 d/kg·m-3 体积模量K/GPa 切变模量G/Gpa 内摩擦角 ?/° 粘聚力C/MPa 抗拉强度t/MPa 细砂岩顶板 2500 24.6 12.6 38 7.24 2.4 泥岩顶板 2390 11.8 5.2 38 0.34 0.31 4-2煤 1560 0.7 0.5 28 1.86 0.56 砂质泥岩底板 2390 12.6 5.6 38 0.38 0.34 细砂岩底板 2500 24.2 11.2 38 7.24 2.4  （a）方案一 （b）方案二 （c）方案三 图3 塑性区分布图 （a）方案一 （b）