中厚煤层断面巷道围岩优化支护方案的设计

机械管理开发

MECHANICALMANAGEMENTAND

DEVELOPMENT

Total193No.5，2019

DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2019.05.010

中厚煤层断面巷道围岩优化支护方案的设计

关

羽

古交

030203）

（西山煤电集团公司镇城底矿，山西

摘要：以某煤矿的4-4巷道断面为研究对象，结合相关参数设计及工程的经验，完成了对4-4断面支护方案的最优化设计，并对设计结果进行了校核。为今后该煤矿巷道其他断面的最优支护方案设计奠定了基础。关键词：断面

巷道

支护

参数

数值模拟中图分类号：TD353

文献标识码：A

引言

据研究表明，煤炭将在未来很长时间内占主导

地位，即煤炭的储量及利用率等直接决定着国民经济的发展[1]。随着我国煤炭综采工作面自动化水平的不断提高，综采机械化开采技术得到了飞速发展，

且其开采效率也在不断提升。

其中，全采高采煤技术及综合机械化放顶煤技术已经被广泛应用于中厚煤层的开采中，采煤技术对巷道的端面要求越来越高，对其支护方式也越来越严格。为全面提升中厚煤层巷道围岩的支护方案，越来越多的学者投入到其中

的研究中。本文将以某煤矿为研究对象，

进行支护方案设计[2]煤矿地质概。

1述

本文所研究煤矿位于内蒙古，该煤矿的年产煤量为60万t，开采方式为立井多水平开采方式，通风方式为中央并列式通风。该煤矿巷道顶板的岩性包括煤、砂质泥岩以及细粒砂岩。煤矿综采工作面巷道的两侧为煤体，巷道底板的岩性包括有砂质泥质和

细粒砂岩。其中，4-4巷道的断面面积可达22.88m2，

5-5巷道的端面面积为29.92m2。

通过查阅相关资料可得：

该煤矿不存在陷落柱、岩浆入侵体以及河床冲刷的现象。经对煤矿中所有巷道情况的对比分析可知：FS22逆断层由于其倾角

范围可达35°～45°、落差可达7m等因素，

造成该逆断层是阻碍巷道掘进的关键位置。

经探测可知：掘进机在巷道工作时，FS22逆断

层会暴露出来。值得注意的是，

在该逆断层和煤层之间存在隔水层，而且隔水层中有存在裂隙破碎带的

收稿日期：2019-01-07

作者简介：关羽（1989—），男，本科，毕业于山东科技大学采矿工程专业，助理工程师。

文章编号：1003-773X（2019）05-0021-02

可能。当隔水层中存在裂隙破碎带时将严重影响其

阻水及抗水压的能的设计

力[3]初步支护方案。2所谓巷道围岩的初步支护方案设计指的是，

在理论计算的基础上结合相关工程的经验所完成的设计。在实际应用中，常结合煤层及相关物理力学参数得出初始方案，而后通过数值模拟仿真得出该最优参数[4]。

经对该煤矿地质、水文以及煤质的分析，

特选用锚杆、锚索联合支护方式。则其相关参数计算如下。根据经验，该煤矿巷道围岩顶板支护所选用的支护设备为高强度螺纹钢锚杆，且该锚杆的直径为20mm。则顶板锚杆锚固长度l0的计算如下：

l0=2πpmRk.式中：pm为顶板锚杆设计的锚固力，取pm=182kN；R

为锚杆孔的半径，取R=14mm；k为树脂药卷与钻孔壁的黏结强度，

取k=2.5MPa。将数值代入公式计算得l0=0.83m。锚固卷长度l的确定如下：

l=R2R-R1222l0.式中：R1为顶板锚杆的半径大小，R1=10mm；R2为顶板锚固树脂药卷的半径大小，R2=11.5mm。

将数值代入公式计算得l=0.6m。

根据经验，该煤矿巷道围岩顶板支护所选用的

支护设备为圆钢锚杆，

且该锚杆的直径为16mm。则顶板锚杆锚固长度l0'的计算如下：

l0'=2πpnRk

.式中：pn为两帮锚杆的设计锚固力，pn=65.3kN。

将数值代入公式计算得l0'=0.3m。

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第34卷

两帮锚杆锚固卷长度l'的确定如下：

22R-R3l'=l0'.

R42式中：R3为两帮锚杆的半径大小，R3=8mm；R4为两帮锚固树脂药卷的半径大小，R4=11.5mm。

将数值代入公式计算得l'=0.3m。

锚索锚固长度l0\"的计算如下：

.l0\"=p02πRk取p0=370kN；式中：p0为锚索的破断载荷大小，R为

取锚杆孔的半径，取R=14mm；k为黏结强度系数，

k=2.5。

将数值代入公式计算得l0\"=1.68m。

顶锚杆

项目

型号

锚固力/t101010

预紧力

/kN间排距/mm150150150

800×1000800×1000

型号椎16×1800椎16×1800

则，树脂锚固剂的长度计算如下：

22R-R3''=ll0\".

R42将数值代入公式计算得l''=1.48m。

根据经验可知，锚固锚杆在每个钻孔中需要三卷树脂药卷，则填充树脂药卷后钻孔中锚杆的实际长度计算如下：

2R4=L022l0\".R-R3将数值代入公式计算得L0=1.68m。通过上述锚固锚杆相关参数的计算，在结合以往工程经验的基础上，针对4-4断面特拟定如下支护方案（见表1）。

表14-4断面支护方案对比统计表

帮锚杆锚固力预紧力

/t/kN555

707070

间排距

/mm850×1000850×1000750×900

型号—椎17椎17.8

锚固力/t—1515

锚索预紧力/kN—100100

间排距/mm—2200×40002200×4000

实际长度/mm—52005200

方案一椎20×2200方案二椎20×2200方案三椎20×2200

700×900椎16×1800

3

数值模拟分析

根据该煤矿巷道的实际情况对其相关参数进行设置。其中，巷道尺寸为5.2m×4.4m，煤层厚度为7.2m，老顶的高度为14.12m，直接顶的高度为4.36m，伪顶的高度为1.9m。

针对4-4断面不同的支护方案下巷道围岩塑性仿真结果如图1所示。

锚杆和锚索联合支护的方式后，其垂直位移和水平位移量明显减小，即说明联合支护效果较好。其中，锚杆支护主要作用于跟顶板距离较近围岩，锚索主

此外，联合支护对要作用于跟顶板距离较远的围岩。

底板支护的效果并不明显。4结语

随着我国综采工作面采用全采高采煤技术的广

根泛推广，对巷道围岩的支护技术提出了新的要求。

本煤矿巷道4-4据煤矿地质、水文以及煤层的特点，

断面选用锚杆锚固以及锚索的支护方案。通过理论计算与模拟仿真分析，得出选用锚杆、锚索联合支护方案为最优支护方案，该方案支护效果最佳。

参考文献

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方案一方案二方案三

图1不同方案下巷道围岩塑性仿真结果图

分析图1可知：方案二的联合支护，1-1断面巷

道顶板和两帮围岩塑性区域均明显减小。且方案二锚索的支护设计，明显减小了顶板对巷道两帮的压力，从一定程度上能够防止巷道冒顶的事故发生[5]。

不同支护方案下，4-4断面巷道围岩顶板采用

（编辑：张丽媛）

（下转第26页）

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第34卷

手爪夹紧（液压缸进油）

子程序启动手爪放松（液压缸出油）

子程序启动[2][3][4]

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P3.4是否为0YES延时0.5sP2.2置1RETNOP3.4是否为0YES延时0.5sP2.2置0RETNO[5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16]

图15手爪子程序流程图

首先机械手在原地不动，和执行工具的位置摆放。启

（检测到有工件动机械手后，它的运作程序主要是：

停）下降→夹紧→上升→右移→下降→放松→上升→左移→传送带，这一系列流程总共包括九个动

机械手相关的下作，共同组成了机械手的操作流程。

降、上升、左移、右移工作模式的操作以及控制都是

再通过时间继电器对夹紧、通过限位开关来实现，放

松相关动作实施控制。

参考文献

[1]

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（编辑：何方欣）

DesignandAnalysisofControlManipulator

ZhangSen,WangFeng,ZhaoHeming,PengZhiling,HouQiang

（SchoolofElectricalandMechanicalEngineering,CentralNorthUniversity,Taiyuan

Shanxi030051）

Abstract:Automaticmanipulatorcaneasilyandrealisticallyimitatethehumanpalmandarmpartofthemovement,grasp,release,moveandsoon.Basedonthis,combinedwiththeknowledgelearnedandsocialpractice,theoveralldesignschemeofthemanipulatorisanalyzedfromtheaspectsofcomponentsandoperationprocessofthemanipulator,andthedesignschemeofitscontrolsystemisanalyzedfromtheaspectsofworkingprincipleandrequirements,softwareandhardware,andsoon.Toshowtheworkflowofthemanipulator,aswellasthelocationofthedetectionandexecutiontools.

Keywords:automaticcontrol;manipulator;singlechipmicrocomputer

（上接第22页）

DesignofOptimalSupportingSchemeforSurroundingRockof

Cross-sectionRoadwayinMedium-thickCoalSeam

GuanYu

（ZhenchengdiMineofXishanCoalandElectricityGroup,GujiaoShanxi030203）

Abstract:Takingthesectionof4~4roadwayinacoalmineastheresearchobject,combinedwiththerelevantparameterdesignandengineeringexperience,theoptimumdesignofthesupportschemeof4~4sectioniscompleted,andthedesignresultsarechecked.Itlaysafoundationforthedesignoftheoptimalsupportingschemeforothersectionsofthecoalmineroadwayinthefuture.

Keywords:section;roadway;support;parameters;numericalsimulation