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1、第28卷第3期2006年3月北京科技大学学报Jo u rnalofUniv er sityofSeie nc eand Te ehn olo gy Be幼ingVol.2 8No.3M a r.200 6二次动压巷道支护设计与参数优化吴),项川)高谦)文,J福军2)l)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100 0 832)阳泉煤业 集团公司,阳泉。4 5 00 0摘要采用正交数值试验和灰色理论 中的关联度分析,进行阳泉矿区二次采 场巷道的分析与支护参数优化决策.选择1 3因素3水平的正交试验方 案,进 行2 7次试验,分析了不同应力状态和支护参数的巷道稳定性与变形特征.在
2、计算中采用巷道 稳定性和变形收敛率等多种评价指标,进行了局部优化;考虑支护成本和施工难易等因素,采用灰色理论,进 行最佳方案的关联 度分析.该研究已应用于阳泉矿区二次采场巷道支护设计,并取得较满意的支护效果.关键词煤矿巷道;巷道支护;预应力锚索;优化设计分类号T D325预应力锚索支护 技术在阳泉矿区的应用,解决了采场巷道 支护的关键间题,产 生巨大的经济效益.随着 矿区采煤机械化程度的不断提高,巷道断面 加大;矿区开采深度随 之增加,采场巷道地压显现也日趋加 剧.另外,阳泉矿 区煤层含有大量的c执气体,不得 不在开采布置时,增加了承受二次动 压作用 的C氏尾 巷,以便作为抽排易燃易爆气体的必
3、备巷道,确保采矿 生产的安全.该尾巷 不仅受到 一 侧回采工作面的采动影响,而且还承受另一侧工作面回采的作用.承 受二次动压的巷道,变形破坏十分严重,垮冒现象屡见 不鲜.本文针对阳泉煤矿二次 动压巷道存在的支护 问题,进行了锚固支护设计与参数优化研究.一个工作面的进风、运输巷道.作为本工作 面 的瓦斯尾 巷,巷道首先受采场的 一次采动影响.在结束一次采 动以后,整个尾巷都受到采场应力集中的影响.由于 尾巷作为下一个采场开采的进风巷,所以下一采场 向前推进时,在尾巷(相对于该采场的进风巷)上产生二次采动应力.3/6_s1一采区皮带巷;2一采区轨道巷;3一采区 回风巷;4,6一瓦斯尾巷;5,8一工
4、作面回风巷;7一工作面切巷;9一工作面进风巷图1回采工作面巷道布置示意图Fig.1S ke t比o fthela n姗a yintheminin ga r ea1矿区工程条件与二次动压阳泉3#煤层 处于 层状岩体中,埋藏深度30 0一600m,平均380m;煤层厚度2.3 一2.sm,平均2.15m;煤层倾角2一 10,平均5。;煤层坚固系数f为2 一3.煤层老顶为灰 白色中粒砂岩,厚 度3.45m;直接顶为黑灰色 砂质页岩,厚度1.6 5r rL,含 植物化石,局部被冲蚀;伪顶为灰黑色高岭石 泥岩,厚度0.1 2一 0.36m,平均厚0.28m.煤层回采工作面的巷道布置如图1所示.3#煤层
5、开采涉及进风 巷、回风巷和 瓦斯尾巷等采场巷道.如 图所示,承受二 次动压瓦斯尾巷将服务于两个工作面,即作为本工作面的瓦斯尾 巷 和 下收稿日期:20 0 5一0 6一15修回日期:20 0 5一0 9一14作者简介:吴顺川(1 9 69一),男,副教授,博士2锚固参数优化正交数值试验2.1正交数值试验设计为进行二次动压采场巷道的支护参数优化,需要建立采动应力与 锚固支护参数的关系.在此采用 了正交数值试验方法.正交试验是进行多因素分析的研究方法,它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表的点进行试验,这些代表点具有“均匀分散,齐整可比”的特点川.针对二次动压巷道的实际情况,综合考虑了各个因素
6、,选取了如表1所示的1 3因素3水 平 的正交 试 验表2一”.假设 各因素间无 交 互作用,对所确定的1 3个因素选择L27(1 3”)正交分析表安排试验,即对于二次动压尾 巷的锚固设计,3水平1 3因素的正交试验最少试验次数为2 7次.2 16.北京科技大学学报2006年第3期表1阳泉矿区锚索支护二次动压巷道正交数值试验因素与水平T able1Numedc ale x a而。时io nf aetor sa而le vels ofr einf or c eme nt byc ableinYang qua nminin ga卿设计水平类别序号因素代号煤柱宽度二次应力2 01.2242 81.31
7、.40.6/7根1.05/4根1.4/3根顶板1.4/3根2.1/2根4.2/1根两帮91011巷道煤柱宽度/m二次应力影响范 围/m等效二次峰值系数,a锚杆长度/m锚杆间距/m锚索长度/m锚索间距/m锚索排距/m锚杆长度/m锚杆间距/m一帮锚索长度/m一帮锚索间距/。一帮锚索排距/m0.5/6根0.83/4根1.2 5/3根12130.83/3根1.25/2根2.5/1根2.2方案数值模拟按照二次动压巷道正交试验第1计算方案所确定的计算参数,采用有 限差分软件F la产D进行数值计算 4 J,图2为第1方案计算位移矢量图和塑性区图.从图中发现,由于巷道左、右两帮施加长锚索和短锚杆两种不同类型
8、的支护,故两帮围岩塑性区分布存在显著差异.对于左帮长锚索支护,仅在左下侧有局部塑性破坏区,而右帮在锚杆之外存在大范围的塑性区.坏时几乎使巷道围岩全部挤死而 无法通行是煤矿常见的现象,主 要原因为巷道底板没有采用锚杆或锚索进行加固.其他部位的破坏机理为剪切屈服破坏,变形相对较小,究其原因锚杆和锚索不仅提高围岩的抗剪切破坏强度,同时提高了围岩抗拉强度 5 j.工工工扭斗三三军军仑.、裂一侧协二习习马马x宁有有二生州州于于于于于于于于于于于于于于于于妞妞斑斑纂纂斗斗斗彭套套防防防不不下不不门十十十石石石石石石石石石石石石石石石石,-面,下;考考考干降于告告砰砰砰砰,奋,1尹尹尹下下下下下下下二二下,
9、-笼笼笼:卜卜卜卜,一一,一一、三不 硫硫硫案案 .姗姗几几小小小,三泽泽泽丝丝渐渐认认,、l,7,l,、小小小,卜卜 匕匕 匕匕 胜胜“(,1减,巨巨 卜卜卜。,洲洲洲洲 回回回,!l二 ,叫叫叫 代代l笼,卜卜.,.,刁刁尸钾肠、二、从从从、从从从、,拭、.从、,、,、x、,洲轰x从狡从从从从从从、x、只、1.x、,产、内J,月.,勺山2 2一撇撰少夯刀产 卜气气 乏气气x厂厂尸 八、叉x-气气1.91.72 石2 名3乃323.43.63名4.042图3第1计算方案变形失稳状态位移矢t 和塑性区Fig.3DisPI毗毗ntve eto randP la stiez on eof dist
10、or tionandu nstab lesta teb ythenu r n er atio ns ehemeNo.1X妞X 父双X XX x 大X城筑封X 叉X盆XXX X X 洲、马.,、,.户才J廿,户r 户,盆洲XX耳书耳义X X洲x 洲X 火X XX XXX 沉XX、J JI.lr l才廿,产r l、跳n助友门.曰.目侧巨目口拼城臼闰匆七臼.减义入尸刘刘刘刘刘泪引刘别x jx J 幻刘尸川州r 盯丫r.、尸们妇引刻司刻目引们川刘州x l x l创创州尸丫厂一.、xx一蕊从从,x,沉、沉洲冰洲盆/、.万洲X X、翻X城又X图2第1计算方案的位移矢量和塑性区F ig.2D isp lac
11、 em entv ecto r an dPlas t lezon ePIO toftheno 川 口e ra-tio nsChe 刃口eNo。1图3为未加固状态下巷道变形失稳状态的位移矢量和塑性区图.可 见,巷道变形破坏主要在底板部位,其破坏机理主要为张拉破坏,巷道底板在拉应力的作用下,破裂、底鼓直至与顶板闭合,导致整个巷道变形破坏,最终变形破坏的最大位移矢量达到2.0 6m.显 然,对于2.5m的巷道,破2.3正交数值试验结果分析同第1计算方案的计算步骤,根据正交试验表,进行2 7次计算,由此可以获得不同应力环境下、不同支护参数组合方案的 巷道位移与稳定安全系数.因篇 幅限制,表2仅列出了前
12、3个方案的计算结果.经比较,得出以下主要结果:(1)随着支 护强度的降低,巷道位移随之增大,稳 定安全系数都随之减小.Vol.28No.3吴顺川等:二次动压巷道支护设 计与参数优化表2阳泉3#煤层二次动压巷道正交分析第1一3计算方案计算结果Table2ComPu tedresultsfr omthen ume r atio nsehe幻ne sNo.1一3 inYangqn a nmi川ngar ea顶底板方案最大位移矢量/cm顶板位移/cm两帮底板位移/cm相对收敛率/%左帮位移/。m右帮位移/cm稳定安全相对收敛率/%系数,几27.87一1 4.652 7.6 7,169 31 5.7 9
13、一1 6.478.0723 3.19一1 8.8 53 3.192 0.8 219.41一2 0.159.8 91.4 5136336.91一2 1.933 6.9 02 35 32 2.23一22.5311.191.3 3(2)巷道相对收敛率,顶 底板远大于 两帮,表明顶底板位移收敛率决定了巷道能否正常使用.3巷道锚固支护参数优化3.1巷道支护参数的局部优化结果为了对各影 响 因素 的影响程度进行定量评价,采用 影响因子的概念,影响因子越大,说明该因素的影 响程度也就越大“.为消除不 同应力 系数及其影响范围的影响,对于每一方案所计算的评价指标值均除以应力系数和 影响范围,并据此来选择最佳支
14、护方案.表3列 出 了各影 响 因素的影响因子,以及对应的最佳支护方案.由此可见,巷道的评价指标不 同,各影响因素的影响 程度也不尽相同,且对 应着不同的支护方案.总体上看,对于 不同的评价指标,应 力 环境影响程度最大.但是对于 影响巷道两帮变形,应力环境虽 占主导 因素,似乎顶板支护参数更重要,尤其是顶板锚杆参数,对控制巷道两帮变形具有重要作用.当然,在实 际工程中,优化参数不仅应综合巷道的不 同评价指标,而 且还应考虑巷道的支护费用、施工难度以及工作效率等综合因素.因此,本文对各方案计算其具体费用,作为最终评价指标进行分析.表3巷道稳定性影响因素因子值介ble3Valu es ofin口
15、uen cef aetor sontun uelstab ilit y影响因子应力环境顶板支护参数锚杆锚索两帮支护参数比例/%柱宽范围安全系数3.06.4顶底板收敛率1 6.14.8两帮收敛率11 2.24 0.0最大位移矢量犯.11 2.5系数比例/%杆长43.6 03.445.7 06.838.9 06 2.14 8.9 817.1杆数索长索数2.23.4索距2.5锚杆侧锚索侧比例/%杆长杆数索长索数索距3 5.401.82.42.71.01.938.2 01.01.24.41.72.449.5 02 3.412.516.06.71.138.933.55.04.51.61.52 0.6 0
16、1l12 282.216.0075 艾.92 9.11 1.210.6012.0 93.2全局最优方案的优化决策在实际工程中,优化参数不仅要考虑不同的评价指标,而 且还应考虑巷道的支护费用、施工难度以及工作效率等因素.这种综合考虑 不 同评价准则、支护成本和 施工难度所获得的优化方案称之为全局优化方案,由此 对 应的支护参数称为全局优化参数.为 了获得二次动压巷道全局最优方案及参数,在上述局部优化基础 上,利用灰色理论中的关联度分析7一,对三种局部优化支护参数进行整体优化决策.仅列 出三个支护方案的技术经济指标,如表4所示.根据关联度计算,得到第1 3计算方案最优,最优支护参数和相应的计算指标
17、列 于表5和表6.表4不同支护方案的关联度评价指标Table4Evaluatio ntargets勿dif f er entr einf or e eme ntsehemes方案总费用/元安全系数顶底板相对收敛率/%两帮相对收敛率/%1 32 271 109.20.004810.0 0 0160.0 00 0 91 644.70.004810.0 007 60.0 0 03 210 9.20.00 1 6 10.0 0 0 160.0 00 09最大位移矢量/m0.0 3 5 3 40.12 0 9 00.0 3 534试验号218北京科技大学学报20 06年第3期表53#煤层二次动压巷道最优
18、支护参数Tab le5OPtimal Pa r ameter sofr einf or c em entofthe s ec on dar yd yn a micp卿su r etun n e一loc a t“in3#c o目Ia”r锚索长度/m顶板锚索/根锚索排顶板锚每帮锚距/m杆长度/m杆/根锚杆排距/m1012.02.031.5表6最佳支护参数所对应的计算指标T able6Com Pute df act毗eo爪sPond ingtoth ebe str e inf or c em entpar a n leter s锚固支护可以改善围岩应力分布,减小巷道围岩塑性区半径及表面位移;并且 随
19、着支护 强度的降低,巷道围岩的表面位移和塑性区范围明显增大,稳定安全系数随之减小.(3)二次采动巷道最佳支护方案,不仅要考虑巷道稳定性及变形 因素,同时还应考虑支护成本、维护费用和 施工难易程度等因素.巷道支 护方案的优化决策,可采用灰色理论进行综合决策,从而给出全局最优方案.最优方案应力系数飞.11之J门.J.1岛乙八j.L L.L r.e sL顶底板收敛率/%最大位移量/参考文献71.4282 01.2 612.7 67.0227.7 1勺卫.J,.J,.J1.J4亡、67!r.LfL.L4结论(1)巷道稳定性和相对位移收敛率反映 了巷道强度和变形 的特征,它们从不同侧面反 映巷道的使用性
20、态,正交数值试验结果表明,二次动压巷道顶底板相对收敛率远大于两帮,表明顶底板位移收敛率控制着巷道的使用功能.(2)二次动压巷道采场的应力 环境对巷道的稳定和变形起主导 地位,因 此控制采场的采动应力是维护巷道稳定性以及减小变形 的关键措施.陈希孺.数理统计引论.北京:科学 出版社,1997方开泰,马长兴.正交与均匀试验设计.北京:科学出版社,2 00 1唐启义,冯明光.实用统 计分析及其D PS数据处理 系统.北京:科学 出版社,200 2高永涛,吴顺川,孙金海.预应力锚杆锚固段应力分布规律及应用.北京科技大学学报,2 0 0 2,24(4):3 8 7勾攀峰.巷道锚杆 支护提高 围岩强度和
21、稳定性的研 究学位论文.北京:中国矿业大学,1998李效甫,姚建国.回采巷道支护形式与参数合理选 择专家系统.北京:燃料工业出版社,1 9 9 3刘 同有,马念杰,高谦.地下巷道工程可靠度分析.北京:中国矿业大学 出版社,1 99 8Reinfo reementde signandPa r amete r soptimiz ationforas e eonda rydynamiePres s ur etun nelWUS hu nc人u。,),以oQ艺a,1),五了uF u ju,2)1)TheStateKeyLabor ato ryf orHigh一effieien tMiningandSa
22、fetyofMetalMine s,Min istryofEdu e ation,Univ e r sityofSeien ceandTe ehno logyBei ji昭,Bei jing10 0 0 83,China2)Ya昭qua nC oalCorp or ati on,Yang qua n0 4 5 000,ChinaA BST RAC TTheorthogonalexperimentmethodandthea ssoeiatedanalysisofthegreythe o rywereu sedtoanalyz ethere s ultsofn umerie alsimulatio
23、nandtooptimiz ethesup po rtingparametersf orac oal minetun-nelaffe etedbytwo一mininginYangquanminingare a.Thede signedo rthogonalexperimentneeds27numer-ie alsimulationsineluding13fa eto rswith3le v elsfo re a ehone.Ae e ordingtothes upportingparamete rs,tun nelstabiliz ationand deformationintheeondit
24、ionofdiffe r entstr e s s e sands uPportingparamete rswe reanalyz ed.Someeriteriaoftun nelstabilizationand defor mationtodete rmineaeor respondinglo e aloptimiza-tio ns ehemewereeo mPuted.Ba sedoneonsiderationofthesup po rtinge o stand diffie ultyofe onstr u etioneomprehensively,anoPtimals up portings ehemeforthes e eonda rydynamiepre s suretun nelwa sdedue edbytheas s o eiatedanalysisofthegreythe o ry.There s e arehres ultswe rePutintou s einYangquanminingareaandgotthes atisfieds uPPorteffeet.KE YWOR DSe o alminetu nnel;lanewaysuPPort;pr e一stres s edanehor;oPtimizationdesign