护层保护（共12篇）
护层保护 篇1
0 引言
随着煤矿开采深度的增加,地应力、瓦斯压力和温度不断的升高,在地应力、瓦斯压力和温度耦合作用下煤与瓦斯突出危险性增高,影响煤矿安全高效生产。开采保护层能够使被保护层原岩应力降低、弹性潜能释放,被保护层及围岩产生膨胀变形、裂隙发育、透气性系数提高,使被保护层及围岩的吸附瓦斯解吸、并为瓦斯的流动提供裂隙通道,为瓦斯形成“解吸—扩散—渗流”运动提供条件,即保护层开采具有“卸压增透增流”效应[1,2,3,4,5,6]。因此,开采保护层是解决煤与瓦斯突出的重要区域防突措施之一。
保护层开采过程中卸压煤岩体的透气性主要取决于被保护层的膨胀变形量。国内外学者对卸压煤岩体膨胀变形特征进行了大量的研究,涂敏等[3,7]利用相似模拟实验,对被保护层变形进行了分区研究,得出被保护层产生膨胀变形使其透气性增大的规律。张书金等[8]基于相似材料模拟实验分析了煤层群双重保护层开采煤层膨胀变形规律,得出双重保护层开采后被保护层在倾向方向上膨胀变形曲线呈“M”型分布。马占国等[9]根据物理模拟实验,研究了下保护层工作面推进过程中,采动覆岩结构运动规律及被保护煤层的应力和膨胀变形规律。石必明等[10,11]利用数值模拟分析了保护层开采过程中,被保护层垂直方向变形特征、水平方向变形特征和被保护层煤体应力和变形特征以及保护层与被保护层之间的间距对保护效果的影响。刘三均等[12]运用实验室相似材料模拟试验,分析了远距离下保护层开采上覆煤岩裂隙动态演化规律,多角度地对保护层开采效果进行了系统评价。Valliappan S[13]和Dziurzynski W[14]运用数值模拟的方法,对保护层开采引起的覆岩卸压变形进行了分析与研究。
上述研究主要针对保护层开采过程中被保护层卸压膨胀变形特征及其对保护效果的重要影响进行研究,且对于膨胀变形特征分析多是通过在被保护层的顶、底板的法线方向上布置一定量的测点,并计算保护层开采前后被保护层沿法线方向上的两个测点之间的距离变化来反应被保护层的膨胀变形特征。这种从“两个定点”距离变化角度分析膨胀变形的方法只考虑保护层开采过程中被保护层在法线方向上的变形特征,计算结果不能反应被保护层的横向变形,因此,不能全面、准确的反应煤岩体的膨胀变形特征。事实上,在保护层开采过程中被保护层煤岩体在倾向和法线方向上均发生了拉伸蠕变。因此,论文基于被保护层膨胀变形特点,提出了“四个定点围域面积”分析法,通过分析保护层开采前后被保护层面积变化表征膨胀变形特征。在工程实践和相似材料实验模拟中,在被保护层上用四个不变的测点确定一个四边形围域面积,通过分析“四个定点围域面积”在保护层开采前后的变化量分析被保护层的膨胀变形规律。研究结果较沿法线方向上的两个测点之间的距离变化分析法更加合理、切合实际。
1 膨胀变形“两个定点”距离变化分析法
目前,被保护层膨胀变形通常采用“两个定点”距离变化来分析,通过分析保护层开采前后被保护层在法线方向上两个定点距离的变化来表征卸压煤岩体的膨胀变形[15,16,17,18,19]。
在工程实践中,一般在保护层工作面顺槽或底抽巷内施工穿透被保护层顶底板的测量钻孔,在被保护层的顶底板中各安装一个位移测点,测定被保护层的膨胀变形,如图1所示。通过记录的数据绘制被保护层顶、底板法向位移随时间、工作面位置的变化曲线,确定被保护层的膨胀变形特征。
在相似材料模拟实验中,在被保护层顶底板上布置等距离的测点,随着保护层的开采利用位移计或通过摄影利用软件处理技术测量被保护层顶、底板上的测点在法线方向上移动变形,同一垂线上一对测点随着工作面推进在法线方向上的前后位移变化差值即为被保护煤层的膨胀变形量[9],如图2所示。
2 膨胀变形“四个定点围域面积”分析方法
2.1 被保护层膨胀变形“四个定点围域面积”测量方案与理论计算
2.1.1 工程实践中“四个定点围域面积”测量方案设计与计算
1)工程实践中“四个定点围域面积”测量方案设计
通过在保护层工作面顺槽或底抽巷内向被保护层顶底板中布置两组“两个定点”测线,这样能够在被保护层中确定四个定点,分析保护层开采前后“四个定点围域面积”的变化量,实现“四个定点围域面积”测量(图3)。
2)工程实践中“四个定点围域面积”计算方法
通过测量钻孔的布置位置及其在被保护层中的布置长度,分析得到“四个定点围域面积”在膨胀变形前沿倾向方向的边长l1、l2以及四个定点的坐标,将各点坐标值带入“计算不规则多变形面积”软件V2.0.4,得到被保护层膨胀变形前“四点围域面积”s,如图4所示。由于保护层开采前后被保护层膨胀变形率较小,可近似地认为“四个定点围域”为规则四边形。通过左侧1#测孔的顶底板测量变形锤的位移得到左侧测线中煤层顶部的位移量m1和煤层底部的位移量m2;同理,可测定2#测孔上下两点的位移量m3和m4。由于工程实践中被保护层膨胀变形量较小,近似认为膨胀变形后围域面积的上下边界分别为上部两个定点和下部两个定点之间的连线。以围域面积内的左下角测点为坐标原点,通过计算得到膨胀变形后四个定点的坐标值。根据不规则多边形面积软件计算得到被保护层膨胀变形后的围域面积s'。根据“四个定点围域面积”的前后变化值得到被保护层膨胀变形率为:
2.1.2 相似材料模拟实验中“四个定点围域面积”测量方案设计与计算
1)相似材料模拟实验中“四个定点围域面积”测量方案设计
基于相似材料实验模型的可视化特征,为了便于监测保护层开采过程中被保护层的膨胀变形,在被保护层上选择合理的尺度布置位移监测点,监测点处粘贴非编码标志点。选取四个定点围域为研究对象,使围域面积为正四边形,利用XJTUDP软件中工具测点距离及测点坐标的功能,测量出被保护层在膨胀变形前后编码点在煤层倾向和法线方向上的位移量及四个定点的坐标,如图5所示。在被保护层膨胀变形前,在被保护层上随机选取四个定点分别为A1、A2、A3和A4,假定变形后四个点分别为A'1、A'2、A'3和A'4(图6)。
在实验室相似材料模拟过程中,还可以运用细钢钉在被保护层及围岩中按照规则的四边形布置不同尺度的“四个定点”,记录“四个定点围域面积”在保护层开采过程中的变化情况,进而分析被保护层的膨胀变形率。由于保护层开采过程中被保护层的膨胀变形率较小,为了简化计算过程,在被保护层膨胀变形计算过程中,将“四个定点围域面积”计算模型视为四边形,将四边形中每两个测点之间的边长应用游标卡尺直接读取,通过计算分析被保护层膨胀变形前后“四个定点围域面积”的差值得出被保护层膨胀变形率。
2)相似材料模拟实验中“四个定点围域面积”计算方法
受采动影响,被保护层膨胀变形后四个定点围域为不规则四边形,随着保护层的开采,将“四个定点围域面积”用数码相机拍照,通过对图像进行分割、边界提取及跟踪,得到图像的边界及边界的每个像素点的坐标值pixl[i]·x、pixl[i]·y(i表示第i个像素点,i=0,…,N-1)。根据目标边界跟踪习惯算法,设以目标的左下方元素为目标起始点,如图7所示。以Freeman链码的方式表示边界目标相邻点位置的矢量关系,将边界曲线上相邻两像素点之间可能的八个连接方向定义为0、1、2、3、4、5、6、7八个方向符,分别表示0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°八个方向。根据Freeman链码的矢量关系标注原则对每个像素点进行前后两次矢量标注,即分别定义为前一像素点与本像素点的位置关系和本像素点与下一像素点的位置关系。经过对前后矢量标注进行对应相加和VC程序计算可以最终得到变形后四边形A'1A'2A'3A'4面积:
式中,N1表示为B[i]为1的个数,B[i]表示Freeman链码的矢量关系标注原则,其中:
通过被保护层膨胀变形前后的面积差值得到被保护层膨胀变形率为:
式中:n2为膨胀变形率;S为膨胀变形前被保护层四个定点围域面积,即尚未进行开采的四边形面积其值为固定值,S'为膨胀变形后四个定点围域面积。
2.2“四个定点围域面积”的合理尺度分析
由于被保护层厚度不同,为了精确计算被保护层膨胀变形率,在工程应用和相似材料模拟实验中应选取合理的“四个定点围域面积”尺度。为此,初步建议以被保护层厚度的1倍、1/2倍、1/4倍、1/8倍等不同尺度的“四个定点围域面积”为基本单元分析被保护层的膨胀变形率,如图8所示。
在工程实践中,需要应用开采保护层进行防突和增透的煤层通常都是厚煤层(煤层厚度为3.5~7.99 m)或特厚煤层(煤层厚度≥8 m)。为了便于“四个定点围域面积”的选取,提高相应的计算精度,将厚煤层按着煤层厚度的1倍、1/2倍或1/4倍几何尺度进行单元划分计算;将特厚煤层按着煤层厚度的1/2倍、1/4倍或1/8倍几何尺度进行单元划分计算。以煤层厚度的1/2倍为几何尺度进行单元格划分,可将煤层厚度1倍尺度围域内的“四个定点围域面积”划分为4个面积单元格;同理,以煤层厚度的1/4倍尺度划分,可得到16个面积单元格;以1/8倍尺度划分,可得到64个面积单元格。煤层厚度1倍尺度围域内划分的面积单元格越多,计算精度越高。
3 两种方法计算精度对比分析
以沙曲矿多煤层开采相似材料模拟实验模型为研究平台,如图9所示。沙曲矿区共含三层可采煤层,从上之下依次为2煤、3+4煤和5煤。由于3煤和4煤之间只有一层很薄的一层泥岩,将两层煤合成为一层煤进行开采。其中,2煤平均厚度为1.07 m,埋深平均425.25 m;3+4煤平均厚度为4.02 m,埋深平均441.30m;5煤平均厚度为5 m,埋深平均449.40 m。试验应用平面模型模拟煤层的走向,相似材料实验台的长、宽和高分别为3 000 mm、300 mm和2 000 mm,模型的几何相似比为1/100,在实验中工作面每次推进3 cm,每次推进间隔为1 h。实验采用下行开采的方式,由于2煤较薄在相似模拟实验中不作为开采煤层,所以实验首先选择3+4煤进行开采。
为了对比分析“两种方法”确定的膨胀变形的精度,在3+4煤层采场覆岩裂隙带内布置测区。在距3+4煤上部45 m,离开切眼50 m的位置处选择一四边形区域进行测点布置。运用细钢钉在该区域,按照该区域厚度的1倍、1/2倍和1/4倍等尺度布置“四个定点围域”(1/8倍尺度单元格测量工程量太大,故没有布置)。分别记录不同尺度的“四个定点围域面积”在保护层开采过程中的变化情况,如图10所示。其中,ABCD围域为1倍区域厚度的“四个定点围域”,AEFG、EBNF、FHCI和OFID围域为1/2倍区域厚度的“四个定点围域”,共计4个,AJKL和MNLO围域为1/4倍区域厚度的“四个定点围域”,共计16个。对于1/4倍区域厚度的“四个定点围域”,在实验中对16个小的四边形边长进行逐一测量所需要的时间较长,所以选取左上角四边形AJKL和右下角四边形MNCO两个区域为代表进行测量,并求得平均膨胀变形率值作为整个区域在下部煤层工作面推进过程中的膨胀变形率。
为了消除边界效应,在3+4煤层的始采线和停采线处分别选择留取宽度为40 cm的保护煤柱。为了有序的测量四边形各边的长度,按着逆时针的方向将四边形中每两个测点之间的边长应用游标卡尺直接读取,部分四边形边长见表1。通过多边形计算软件求出上覆岩层选定区域膨胀变形前后“四个定点围域面积”,并带入式(1)得出膨胀变形率。
随着工作面的推进,当工作面推进到93 cm时,上覆岩层保护区域出现离层裂隙,如图11所示。此时区域内“四个定点”围成的四边形面积有一定的膨胀变形;当工作面推进到96 cm时,上覆岩层保护区域内的裂隙达到充分发育,如图12所示。区域内“四个定点”围成的四边形面积膨胀变形进一步加大;当工作面推进到105 cm时,上覆岩层保护区域处于重新压实区,此时离层裂隙发生重新压实,区域内“四个定点”围成的四边形面积膨胀变形减小。实验过程很好的再现了3+4煤层开采过程中,上覆岩层在采动应力影响下经历的裂隙初次发育、裂隙充分发育和裂隙重新压实的过程。
通过对四边形各边长测量、计算,分别得到工作面在推进93、96、105 cm时,工作面上覆岩层保护区域内1倍区域厚度、1/2倍区域厚度和1/4倍区域厚度的“四个定点”围域面积,见表2。
通过膨胀变形率计算公式,求得1倍区域厚度的“四个定点围域面积”在裂隙发育阶段(工作面分别推进93 cm)、裂隙充分发育阶段(96 cm)和裂隙重新压实阶段(105 cm)的膨胀变形率分别为49.4‰、174.5‰和11.2‰;同理,求得1/2倍围域厚度的“四个定点围域面积”在不同阶段的膨胀变形率分别为51.3‰、195.5‰和20.5‰;1/4倍围域厚度的“四个定点围域面积”在不同阶段的膨胀变形率为91.7‰、196.9‰和20.6‰。其中,通过传统的“两个定点”距离变化分析法求得的在不同阶段膨胀变形率分别为42.9‰、166.2‰和8.1‰。
“两种方法”膨胀变形率测试精度对比如图13所示,由图可知:选定的膨胀变形研究区域在3+4煤层工作面推进过程中,分别经历了裂隙发育阶段、裂隙充分发育阶段和裂隙重新压实阶段。由于受采动应力的影响,研究区域在保护层工作面前方和正上方时,研究区域的膨胀变形率的发展趋势为从裂隙发育阶段到裂隙充分发育阶段逐步增加,到裂隙充分发育阶段达到最大值;随着保护层开采后应力降低,上覆岩层得到重新压实,裂隙得到重新压实;当裂隙从充分发育阶段到重新压实阶段,研究区域的膨胀变形率逐渐降低。通过“两种方法”比较得知,使用“四个定点围域面积”分析法测得的上覆岩层保护区域内的膨胀变形率较“两个定点”垂直距离变化分析法更加精确。其中,选定区域内划分的面积单元格越多,计算精度越高。
对于上保护层开采,被保护层膨胀变形率较下保护层开采小,应用“四个定点围域面积”分析法较“两个定点”距离分析法测试效果更加真实。但是,在上保护层开采工程实践中,在下伏被保护层布置“四个定点”较困难,所以对于上保护层开采,应当主要分析下伏被保护层的应力变化来表征渗透特性的变化。
4 结论
1)被保护层膨胀变形特征是保护效果考察的主要指标之一,论文首次提出了“四个定点围域面积”分析膨胀变形的方法,通过面积膨胀变化分析被保护层膨胀变形特征,综合考虑被保护层在倾向方向和法线方向上的变形影响,分析结果更准确、更切合实际。
2)设计了工程实践中应用“四个定点围域面积”分析被保护层膨胀变形的考察方案和面积计算方法;提出了实验室条件下,基于Freeman链码矢量分析法,确定被保护层变形后不规则“四个定点围域面积”的理论计算方法,以及应用游标卡尺直接量取四边形的边长来计算面积变化的方法。
3)探讨了“四个定点围域面积”的合理尺度,以煤层厚度1倍、1/2倍、1/4倍、1/8倍尺度建立“四个定点围域面积”。初步建议被保护层为厚煤层的,按其厚度1倍、1/2倍或1/4倍尺度进行面积单元划分;被保护层为特厚煤层的,按其厚度1/2倍、1/4倍、1/8倍尺度进行面积单元划分。
4)对比分析了“两种方法”的计算精度:“四个定点围域面积”分析法在裂隙充分发育阶段,确定不同围域尺度的膨胀变形率分别为174.5‰(1倍围域)、195.5‰(1/2倍围域)、196.9‰(1/4倍围域),“两个定点”分析法在该阶段确定的膨胀变形率为166.2‰。研究表明,“四个定点围域面积”分析法比“两个定点”分析法计算结果更加精确,煤层厚度1倍尺度围域内划分的面积单元格越多,计算精度越高。
护层保护 篇2
近年来，在工程实际施工方面，出现现浇楼板钢筋保护层厚度或大或小的现象，导致现浇楼板结构质量问题出现较多，因此，应加强对混凝土钢筋保护层厚度的控制。保护层控制的总体思路在于严格控制钢筋及模板平面位置、几何尺寸；控制钢筋与模板的距离，并使钢筋、模板及相应的固定设施形成一个整体，在浇筑混凝土过程中避免破坏钢筋、模板的整体性，从而保证钢筋保护层厚度在控制范围内。针对现浇楼板钢筋保护层厚度控制，施工过程中采取的具体措施有以下几点：
1、楼层模板、支撑必须具有足够的强度及稳定性，严格按照设计图纸尺寸进行支模，楼层结构模板支模完成后，由施工技术人员用水准仪按楼层标高控制点检查模板面平整度（±5mm），不符合质量要求的，须整改完成后方可进入下道工序施工。
2、钢筋绑扎完成后，施工技术人员须用水准仪按原控制点在结构剪力墙柱纵筋上抄出标高控制点（一般为楼层结构面标高+500mm），并做好明显标记，再次按此控制点拉线复查、调整模板面标高和平整度。
在混凝土浇筑过程中，泥工操作人员严格按此控制点拉线尺量检查控制混凝土面标高。
3、钢筋加工安装时，混凝土现浇板的底部钢筋，按梅花形把与设计强度相等的混凝土垫块（@≤800）放置于下部受拉钢筋底部。对于双层双向钢筋现浇板的上部下层钢筋，采用预制混凝土马凳（强度等级同楼层混凝土、高度按设计板厚计算）支撑（@≤500）,上下两层钢筋连同马凳用扎丝绑扎牢固（图三）； 对于下部为双向钢筋、上部为附加钢筋的现浇板，沿分布筋方向增设直径≥10mm的钢筋，与上部附加钢筋用扎丝满扎，再采用钢筋马凳（@≤500）与其焊接，稳固支撑上部受力钢筋，防止现浇板上部钢筋及马凳在浇筑混凝土过程中位移。
4、混凝土浇筑施工中，木工、钢筋工必须派专人现场跟班，随时检查模板及钢筋位移情况，发现有影响钢筋保护层厚度的及时校正。
浅析钢筋混凝土结构保护层 篇3
【关键词】钢筋混凝土构件；保护层
1.钢筋混凝土构件的工作原理
钢筋混凝土构件由钢筋和混凝土组成。从材料的物理力学性能来分析，钢筋具有较强的抗拉、抗压强度，但混凝土只具有较高的抗压强度，抗拉强度却很低。然而两者的弹性模量比较接近，还有较好的化学胶合力、机械咬合力和销栓力，这样既发挥了各自的受力性能，又能很好地协调工作，共同承担结构构件所承受的外部荷载。在结构计算时，钢筋混凝土构件是作为一个整体来承受外力的；又由于混凝土的抗拉强度很低，为简化计算，一般混凝土只考虑承受压应力，而拉应力则全部由钢筋来承担。
2.钢筋混凝土构件保护层厚度的确定
混凝土保护层厚度是指受力钢筋外边缘至混凝土构件表面的距离，对于受力钢筋混凝土构件截面设计来讲，受拉的钢筋离受压区越远，其单位面积的钢筋所能承受的外部弯矩也越大，这样钢筋发挥的力学效能也就越高。所以一般来讲钢筋混凝土构件受拉钢筋总是应尽量靠近受拉一侧混凝土构件的边缘。如果钢筋混凝土构件的钢筋位置放置错误或者钢筋的保护层过大，轻则降低了钢筋混凝土构件的承载能力，重则会发生重大事故。然而当钢筋混凝土构件的受拉钢筋越靠近钢筋混凝土构件的边缘时，就会出现以下几种情况：
（1）钢筋混凝土构件中钢筋的主要成分铁，在常温下很容易被氧化，尤其在高温或潮湿的环境中。
（2）钢筋混凝土构件的保护层过小容易在施工时造成钢筋露筋，或钢筋混凝土构件受力时表面混凝土剥落。
（3）随着时间的推移，钢筋混凝土构件表面的混凝土将逐渐碳化，在钢筋混凝土构件工作寿命期内，保护层混凝土失去了保护作用，从而导致钢筋锈蚀，有效截面减小，力学效能降低，钢筋与混凝土之间失去粘结力。这样构件整体性会受到破坏，甚至还会导致整个钢筋混凝土构件的破坏。
3.钢筋混凝土构件保护层的控制措施
混凝土保护层厚度是保护钢筋在混凝土结构中不受锈蚀，施工过程中应按设计要求及相应规范规定进行施工，并采取必要的保护措施。
3.1楼板保护层控制措施
钢筋在楼面混凝土板中主要起抗拉受力作用，用来抵抗荷载所产生的弯矩，防止混凝土板面收缩和温差裂缝的发生，而这一个作用均需钢筋在上下设置合理的保护层前提下才能发挥。在实际施工中，楼板底筋的保护层比较容易正确控制。但当楼板底筋的保护层间距放大到1米以上时，局部楼板底筋的保护层厚度就无法得到保障，所以纵横向的保护层间距控制在1米左右为宜。
楼板面层钢筋的保护层一直是施工中的一大难题。其中各工种交叉作业，施工人员行走频繁，无处落脚后难免被大量踩踏；上层钢筋网的钢筋支撑设置间距过大，甚至不设(仅依靠楼面梁上部钢筋搁置和分离式配筋的拐脚支撑)。在上述原因中，对于第2个原因，建议楼面双层双向钢筋(包括分离式配置的负弯矩短筋)必须设置卡槽式混凝土垫块，其纵横向间距不应大于700毫米(即每平方米不得少于2只)，特别是对于Ф8一类细小钢筋，卡槽式混凝土垫块的间距应控制在600毫米以内(即每平方米不得少于3只)，才能取得较良好的效果。对于第1个原因，可采取下列措施加以解决：
（1）尽可能合理和科学地安排好各工种交叉作业时间，在板底钢筋绑扎后，线管预埋和模板封镶收头应及时穿插并争取全面完成，做到不留或少留尾巴，以减少板面钢筋绑扎后的作业人员数量。
（2）在楼梯、通道等频繁和必须的通行处应搭设(或铺设)临时的简易通道，以供必要的施工人员通行。
（3）加强教育和管理，使全体操作人员重视保护板面上层负筋的正确位置；必须行走时应自觉沿钢筋支撑点通行，不得随意踩踏中间架空部位钢筋。
（4）安排足够数量的钢筋工(一般应不少于3-4人或以上)，在砼浇筑前及浇筑中及时进行整修。
（5）砼工在浇筑时对裂缝的易发生部位和负弯矩筋受力最大区域，应铺设临时性活动挑板，扩大接触面，分散应力，尽力避免上层钢筋受到重新踩踏变形。
3.2墙柱保护层控制措施
墙柱保护层一般比较容易控制，主要措施：
（1）墙柱保护层纵横向间距一般控制在1米左右(且不少于2列)，切忌数量太少。
（2）墙、柱拉钩的加工尺寸准确。
（3）墙、柱水平筋或箍筋的加工尺寸准确。
（4）尽量采用新工艺、新产品，如采用塑料垫块或使用卡撑式定位件等。
（5）模板施工时切忌破坏墙柱保护层
护层保护 篇4
化工行业具有高温高压、易燃易爆、有毒有害、连续作业、链长面广的特点,是典型的高危行业[1]。近几年来,化工行业接连发生了多起重大的工艺安全事故,造成了严重的人员伤亡、财产损失和环境影响。化工企业为了防止事故的发生,设置了多重保护层,主要包括本质安全设计、基本过程控制系统(BPCS)、关键报警与人员干预、安全仪表功能(SIF)、物理保护(安全阀、爆破片等)、释放后保护设施、工厂应急响应和社区应急响应等八重保护[2]。如何确定这些保护层为独立保护层(IPL)是保护层分析(LOPA)的核心问题[3,4,5]。为此,本文根据最新的IPL确定规则,对这些典型保护层进行了IPL评估,明确了其作为IPL的要求。
1 化工企业典型保护层简介
化工企业典型的保护层见表1。
3 IPL确定规则
自LOPA方法诞生起,IPL的确定就一直是其核心问题之一。2001年,美国化学工程师协会(AIChE)化工过程安全中心出版的LOPA指南[2]中对IPL提出了有效性、独立性和可审查性的要求;2003年发布的IEC 61511.3[8]指出,只有满足专一性、独立性、可信性和可审核性的那些保护层才可被归类为独立保护层;2007年,美国化学工程师协会化工过程安全中心(CCPS)将IPL的要求扩展为7项[9],分别为独立性、功能性、完整性、可靠性、可审查性、安全许可保护性和变更管理。
3.1 独立性
独立性是指保护层的性能不受危险场景的初始原因或其它保护层失效的影响。例如,对于一个储罐物料溢流,其初始原因是液位控制回路失效,则液位控制回路不能作为防止溢流的独立保护层。
3.2 功能性
功能性是指保护层对危险事件的响应。保护层应能检测到危险场景的开始,并及时提供适当的响应,以防止不利后果发生。例如,一个安全阀的设计应当使其打开的压力满足释放要求,安全阀口径及其管道满足释放量,从而防止容器超压损坏。
3.3 完整性
完整性是对保护所要求的失效概率(PFD)的要求。例如,SIL为1的SIF应达到在100次操作中至少有99次成功。
3.4 可靠性
可靠性是指在规定的时间周期内,保护层应能完成要求的动作。如:一个保护层是向容器吹扫5分钟,那么,一旦开始吹扫,IPL应满足能够持续5分钟。
3.5 可审查性
可审查性是指能够通过对保护层相关信息、记录和分析步骤的审查,确认其设计、检查、维护,测试和操作能满足独立保护层的要求。
3.6 安全许可保护性
安全许可保护性是指使用管理员控制或物理方法减少非故意的或未授权的变动。例如安全仪表系统逻辑控制器配置的密码保护,其所在房间的上锁管理等。
3.7 变更管理
变更管理要求对设备、操作程序、原料、过程条件等的任何改动在执行前必须进行评估、记录及核准工作。例如,当反应器增加新的反应物时,变更管理程序应确认反应器压力释放系统满足反应失控场景的压力释放要求。
4 化工企业典型保护层中IPL的识别
按照CCPS对IPL的7项要求,对化工企业典型保护层进行IPL识别。
4.1 本质安全设计[10]
一般来说,本质安全设计如果满足设计和维护要求的话,则可消除某些场景,不需进行进一步的IPL识别。
4.2 BPCS
BPCS作为IPL应满足以下要求。
4.2.1 独立性
BPCS应与安全仪表系统(SIS)在物理上分离,包括传感器、逻辑控制器和最终执行元件;BPCS故障不是造成场景初始事件的原因;在同一个场景中,具有多个回路的BPCS宜作为一个IPL[11]。
4.2.2 功能性
BPCS有可用的、合适的传感器与最终执行元件(包括人员干预)来执行SIS相似的功能。
4.2.3 完整性和可靠性
BPCS应满足PFD的要求,并在规定时间内完成所要求的动作。
4.2.4 可审查性
BPCS的设计、检查、维护,测试和操作应有记录,以满足审查要求。
4.2.5 安全许可保护性和变更管理
应有相应的控制手段,以防止BPCS非授权的变动。对于BPCS的变更,应有严格的变更管理程序。
4.3 关键报警和人员响应
关键报警和操作人员响应作为IPL,应满足以下要求。
4.3.1 独立性
任务应具有单一性和可操作性,不宜要求操作人员执行IPL要求的行动时同时执行其它任务。
4.3.2 功能性
操作人员应能够得到采取行动的指示或报警,这种指示或报警必须始终对操作人员可用;操作人员应训练有素,能够完成特定报警所触发的操作任务。
4.3.3 可靠性
操作人员应有足够的响应时间;操作人员的工作量及其身体条件合适等。
4.3.4 变更管理
对于响应程序的变更,应有相应的变更管理程序,保证响应程序的改变为响应人员所知。
4.4 SIF
SIF作为IPL,应满足以下要求。
4.4.1 独立性
SIF在功能上独立于BPCS。
4.4.2 功能性
SIF各元件应能及时提供响应。
4.4.3 完整性和可靠性
SIF应满足相应SIL要求,并在规定时间内完成所要求的动作。
4.4.4 可审查性
SIF的规格、设计、调试、检验、维护和测试应按要求执行,并及时记录。
4.4.5 安全许可保护性和变更管理
应采取必要的管理或技术手段满足安全许可保护性;对于SIF的变更,应有严格的变更管理程序。
4.5 物理保护
物理保护作为IPL,应满足以下要求。
4.5.1 独立性
物理保护应独立于其他保护设施。
4.5.2 功能性
尺寸应满足危险场景发生时的泄放量要求。
4.5.3 完整性
在确定安全阀、爆破片等设备的PFD时,应考虑其实际运行环境中可能出现的污染、堵塞、腐蚀、不恰当维护等因素对PFD进行修正。
4.5.4 可审查性
物理保护的规格、设计、调试、检验、维护和测试应按要求执行,并及时记录。
4.5.5 安全许可保护性和变更管理
应采取必要的管理或技术手段满足安全许可保护性;对于物理保护的变更,应有严格的变更管理程序。
4.6 释放后保护设施
释放后保护设施作为IPL,应满足以下要求。
(1)独立性
释放后保护设施应独立于其他保护设施。
(2)功能性
应保证其设计、建造、安装和维护正确,满足响应要求。
(3)完整性
在确定阻火器、防爆器等设备的PFD时,应考虑其实际运行环境中可能出现的污染、堵塞、腐蚀、不恰当维护等因素对PFD进行修正。
4.7 工厂和社区应急响应
由于影响其有效性的因素太多,通常不作为IPL。
5 结论
(1)在对化工企业典型保护层进行IPL识别时,需考虑独立性、功能性、完整性、可靠性、可审查性、安全许可保护性和变更管理要求。
(2)本质安全设计、工厂和社区应急响应一般不作为IPL。
(3)基本过程控制系统(BPCS)作为IPL应满足在物理上与安全仪表功能(SIF)分离,并满足PFD的要求,在规定时间内完成所要求的动作;关键按报警和人员响应作为IPL应满足操作人员能得到采取行动的指示或报警,有足够的响应时间,任务应具有单一性和可操作性;SIF作为IPL应满足在功能上独立于BPCS,SIF各元件应能及时提供响应,并满足相应SIL要求;物理保护和释放后保护设施作为IPL应满足其独立于其他IPL,并根据其实际运行环境对其PFD进行修正。此外,应有相应的控制手段和变更管理程序,保证BPCS、关键报警和人员响应、SIF、物理保护和释放后保护设施满足可审查性、安全许可保护性和变更管理的要求。
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保护层、板厚综合处理方案 篇5
由南京市第十建筑工程有限公司承建的联发君悦华府三期项目（A地块）#楼，于2015年9月 日由联发集团扬州房地产开发有限公司委托扬州建伟检测中心，对其主体结构的钢筋保护层、各混凝土强度及楼层板厚进行了实体检测，从检查的结果反映存在部分现浇楼板超厚，其超厚的部位是 ；同时从钢筋保护层结构实体检测情况反映存在部分板面负筋的保护层偏厚，其部位是。对此为确保工程质量、避免楼板产生裂缝等质量问题以及弥补因此所产生的相关质量缺陷，施工方根据相关的检测结果对存在质量缺陷的部位，编制专项处理措施如下:
一、造成现浇结构现浇楼板局部超厚及保护层偏厚质量缺陷的原因
根据 《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204—2002)，模板工程4.4.4条中规定“梁、板底模标高最大偏差±5mm,表面平整度最大偏差3mm，和混凝土工程8.3.2条中规定，现浇结构截面尺寸允许偏差为+8mm，-5mm”。但是在实际施工时，由于以下原因造成现浇结构现浇楼板局部超厚及保护层偏厚质量缺陷的原因
1、梁、板底模在安装时标高偏差超过±5mm，在模板检查时，对模板偏差的范围值过大的（一般为±10mm），未进行整改。
2、模板支撑部分间距过大，板底模下沉或扣件有轻微下滑，造成板厚超厚。
3、现浇结构砼浇筑施工中，对板面的标高控制不严，楼层混凝土板面标高有超规范±10mm 的现象。表面平整度有超规范 8mm 的现象。如同时遇到负级差，就不能满足《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204—2002)中砼工程 8.3.2条现浇结构截面尺寸+8mm，-5mm 的规定。
4、现浇结构混凝土浇筑施工中，操作人员对局部的混凝土面层找平处理不到位，造成砼板面不平和局部标高过高。
二、消除现浇结构现浇楼板局部超厚、超薄及保护层偏厚质量缺陷的防止措施
作业前对各专业班组进行施工方案、设计施工图、操作工艺等安全技术交底，组织工人进行反复学习，做到人人心中有数，认真熟悉并掌握各专业施工图、操作工艺来规范工人行为。
1、梁、板模板在制作、安装严格按设计施工图和施工方案施工
严格按《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204—2002)模板工程4.4.2条中规定控制标高和截面尺寸。
2、梁、板模板的支撑系统
立杆间距、扫地杆、剪刀撑、板底井字架等必须按施工方案搭设。
3、施工管理人员严格按施工程序进行质量控制，对不合格的模板质量必须进行整改至满足施工规范为止。同时各级管理人员做好自己的本职工作，为操作班组提供优质服务、提供标准的轴线、标高基准点，为作业创造条件方便班组施工。
4、砼浇筑施工中严格按施工方案进行施工作业，严格按《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204—2002)第8.3.2条中的规定，控制好楼层标高和板面平整度，为了保证现浇结构板的厚度，在板砼初凝前，根据设计施工图制作各种不同板厚的检查杆来检查板厚实际厚度，如有不能满足设计及施工规范要求的，立即召集项目主要人员到现场查找原因，提出整改措施和人员，至满足设计和施工规范为至。
三、现浇楼板局部超厚质量缺陷的处理
1、现浇楼板厚度正偏差超过 8mm 时，具体处理做法如下：
⑴ 将现浇楼板表面的砼渣及砂浆等杂物清理干净。⑵ 人工用手提砂轮机将现浇楼板超厚的砼打磨到设计及规范允许厚度范围，随时检测板的厚度以满足规范要求即可。
⑶ 人工将磨光的混凝土表面凿毛，以保证楼面面层施工时与结构板之间能有效结合。同时注意控制楼面的平整度和净高的偏差均能够达到验收标准。
2、根据规范要求其现浇楼板厚度正偏差在 8mm 及以下时是符合规范要求，该部分将不作处理。
四、板面负筋保护层偏大的处理方案
A、由于现浇板厚超厚，造成钢筋保护层偏大，而板面负弯曲筋位置并未发生变化的处理方案如下：
根据对结构板面负筋保护层厚度的检测结果，我方结合相关资料对板面负筋部位按要求进行了全数板厚检查，其中较大部分存在板厚度超厚，对该部分的处理将采用混凝土打磨机将其板表面的浮浆及其它杂物清理干净，以使结构板厚度及保护层厚度能满足设计及规范要求。随时控制板面平整度及净高尺寸。
B、由于板面负弯曲筋位置下沉而造成钢筋保护层偏大的处理方案如下：
1、首先在楼板底部搭设好脚手支撑架顶紧，然后再进行楼板面剔凿除施工，采用人工剔凿楼板面混凝土。剔凿时为避免扰动原有钢筋与混凝土，应使用小锤子、錾子进行剔凿施工，不可用大锤猛击。
2、剔凿除板面混凝土时，剔凿施工安排两人凿除，剔凿深度为≤30mm，不能多剔凿，先沿墙边、梁中间向两边剔凿，保证结构的安全，减少施工中对周边结构的影响。
3、剔除混凝土板面部分的原配筋不扰动，在上面重新植筋绑扎布置，配筋同设计板面的负弯矩筋配置。
4、剔凿后若遇到原板面钢筋，应保证原板面钢筋完整，如有弯曲应理直。
6、剔凿除的混凝土清理干净后，通过监理验收符合要求后进行下道工序施工。
7、清理剔除的混凝土后，用墨斗在板面上弹好拟植筋位置及间距线，有墙、柱的位置植筋规格间距同原楼面板设计的负弯矩配筋，无墙、柱的位置面筋（负弯矩筋）锚固按规范长度锚入绑扎；面上层钢筋绑扎时由一侧梁、墙边开始，从梁、墙边50mm处开始依次植筋和绑扎。
8、按弹好的间距线，先植板面长向钢筋（在下层负弯矩筋），再植板面短向钢筋（在上层负弯矩筋），待植筋胶固化后开始绑扎钢筋。
较薄保护层开采电液控技术 篇6
关键词：薄煤层保护层综采电液控
0引言
谢一矿望峰岗井是淮南矿业集团开发建设的也是安徽第一对超千米深井，是淮南矿区开采技术条件最复杂、开采难度最大的一对矿井，在淮南乃至全国最具深井典型性。2007年12月16日联合试运转。2008年2月被国家批准为高瓦斯复杂地质条件深井开采试验矿井，2008年5月24日正式通过国家验收。矿井自试运转至今都在重点进行保护层开采关键技术研究，主要为瓦斯综合治理开采保护层、Y型通风、高瓦斯突出煤层在低瓦斯状态下安全开采技术。
15121(5)工作面概述
谢一矿5121(5)工作面走向长平均1688m，倾斜长平均195m。工作面内C15煤层赋存不稳定，煤层厚度0.1m～1.1m之间，平均煤厚0.8m。工作面内煤系地层总体为一单斜构造，走向为NW方向，倾向NE方向，平均倾角20度。
2工作面装备选型情况
2.1工作面装备选型原则综采工作面三机设备配套要做到“三适应”，即配套设备性能与开采煤层的赋存条件相适应、配套设备能力与开采煤层的最大生产能力相适应、三机设备配套与打算实现的工作面高产高效目标相适应，要将综采工作面三机设备配套、开采煤层的赋存条件、开采煤层的最大生产能力以及要实现的工作面高产高效目标四者有机地结合起来，相辅相成、相互制约，不能任意分割或夸大其中某一环节，其核心是液压支架，配套的技术关键是采煤机。
2.2工作面综采设备配套情况
3采煤方法及回采工艺
C15位于C13煤层上方，与其层间距在18米左右，从相对位置來看，C15做为保护层是比较理想。保护层开采的核心是薄煤层采煤工艺，为了实现较薄保护层综采工作面的高产高效。结合C15煤层地质条件，谢一矿首次在较薄保护层中应用了电液控制技术，取得了明显效益。
3.1回采工艺流程：煤机自上端头斜切进刀－移机尾－反向割三角煤－下行割煤－移架－抵车－下端头斜切进刀－移机头－反向割三角煤－上行割煤。
3.2支护方式：采用130架ZY5000／8.5／17D型掩护式液压支架及机头、机尾各三架ZY5000／11，26D型掩护式端头液压支架支护顶板，共计136架。邻架操作，及时支护，顶板破碎时采取超前支护。
3.3落煤方式：该工作面采用MG2×160／710-WD型双滚筒采煤机落煤，前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤。
护层保护 篇7
关键词：煤层群,钻孔突出,卸压瓦斯,流动滞后,时空规律
根据多年的瓦斯治理经验, 保护层开采技术被认为是最有效的煤层瓦斯突出防治技术[1]。对于严重突出被保护层卸压瓦斯抽采及参数优化问题, 众多学者开展了大量研究, 发现上保护层开采下伏岩层采动裂隙也呈“O”形卸压圈[2,3], 并将其应用于瓦斯抽采钻孔设计;还将卸压增透增流效应, 应用于顶板抽采瓦斯技术[4], 提高了煤与瓦斯协调开采的理论认识[5,6,7]。但将上保护层开采被保护层卸压瓦斯流动滞后的时空规律, 用于被保护层瓦斯抽采的研究甚少。笔者采用数值模拟与现场考察等方法, 结合矿井开采条件对煤层群上保护层开采严重突出被保护层的卸压时空效应及卸压瓦斯抽采进行了研究。
1 工程背景及灾害概况
祁东煤矿二采区主采煤层为71、82、9煤层, 各煤层之间间距分别为30.1、10.4 m, 均为突出煤层, 其瓦斯压力分别为1.5、2.6、3.3 MPa。82、9煤层原始瓦斯压力大、含量高, 9煤层原始透气性系数为0.004 5~0.054 1 m2/ (MPa2·d) , 属于低透气性严重突出煤层。矿井根据相关规定选择突出危险性较小的71煤层作为82、9煤层的上保护层, 为了抽采被保护层82、9煤层卸压瓦斯, 在9煤层底板25~30 m的砂泥岩层布置与保护层工作面进、回风巷重叠的底板岩巷进行穿层钻孔抽采。按照传统的保护层开采方法, 在保护层7122工作面开采前, 先施工被保护9煤层穿层钻孔进行预抽, 然后进行卸压瓦斯抽采, 结果出现严重的突出、夹钻、吸钻、顶钻等现象, 单孔喷出煤炭在3 t以上, 涌出瓦斯1 067 m3。因此, 被保护层抽采钻孔施工存在严重的安全隐患, 且预抽效果差;穿层抽采钻孔在随上保护层开采推进过程中、在其采动集中应力作用下, 钻孔破坏、漏气严重, 卸压瓦斯抽采浓度低, 抽采效果不理想。为此, 需要研究中远距离上保护层开采被保护层瓦斯抽采技术。
2 上保护层开采采动分区一般规律
在采煤工作面从开切眼开始推进的过程中, 上覆岩层跨度增加, 在自重和上覆岩层的作用下, 煤层之上的直接顶岩层依次产生离层、弯曲、断裂, 并垮落于煤层底板之上, 在采空区上方形成“上三带” (垮落带、断裂带及弯曲带) , 在底板方向形成类似于“上三带”特征的“下三带”, 但“下三带”厚度小于“上三带”的高度[7], 如图1所示。
1—地表下沉曲线;2—支承压力曲线;3—沿层面法向岩石变形曲线;4—垮落带;Ⅰ—充分采动卸压区;Ⅱ、Ⅱ'—支承卸压区;Ⅲ、Ⅲ'—支承压力集中区;Ⅳ、Ⅳ'—底板压缩区, Ⅴ、Ⅴ'—底板不均匀隆起区;Ⅵ—底板均匀隆起区;ABCD—卸压区;EFGH—充分卸压区;IJCKL—采动影响区;β0、γ0—应力集中系数。
分析图1, 从空间上看, 采空区上下侧“三带”为一不对称的球壳体, 并在卸压球壳体外侧为一集中高应力球壳体, 之外为非采动影响原岩应力区。上保护层开采底板层向裂隙以层面离层形式出现, 这是由底板膨胀和层面滑移造成的, 底板采动破坏了断裂带的浅部底板岩层的连续性, 致使裂隙相互贯通;在该断裂带的吸附瓦斯因卸压解吸成游离瓦斯流动到采空区, 但位于弯曲离层断裂带的煤层有一定程度的卸压, 卸压区域游离瓦斯增多, 受扰动后的突出强度大大减弱。
上保护层开采后, 将底板受到采动影响的煤岩层主要分为底鼓断裂带和底鼓变形带[8], 在一般地质条件下, 底鼓断裂带和底鼓变形带下限分别为底板下方15~25、25~50 m, 在该区域内被保护煤层产生破裂、底鼓, 导致底板煤岩层发生移动变形, 裂隙相互贯通, 煤岩层卸压、孔隙与裂缝增生张开, 使地应力、瓦斯压力大幅度降低、煤层透气性系数大幅度增加, 产生“卸压增透增流效应”, 为严重突出被保护层抽采钻孔施工及卸压瓦斯抽采创造了条件;其底板变形带下限为底板下方50~60 m, 该区域内发育的裂隙以沿层理形成的顺层张裂隙为主, 穿层裂隙发育不足。
3 中距离上保护层开采后被保护层卸压分布规律
为获得上保护层开采后被保护层的卸压规律, 采用从美国ITASCA公司引进的三维离散元软件模拟了上保护层开采后被保护层的卸压规律。本次模拟对象为矿井二采区71、82、9煤层、7122工作面及下煤岩层, 按照上保护层71煤层7122工作面与被保护层82、9煤层赋存情况, 建立等比例模型, 其模型参数为X·Y·Z=280 m×130 m×300 m, 开挖参数为倾斜×采高×走向=160 m×2.0 m×200 m。
3.1 被保护层沿倾向和走向的卸压规律
矿井二采区71煤层直接顶为泥岩、中粒砂岩, 71、82煤层之间为泥岩、粉砂岩, 82、9煤层之间为细、粉砂岩。其沿倾向、走向剖面卸压数值模拟结果见图2。
由图2可知, 根据中距离上保护层开采下伏被保护层空间卸压规律研究得出, 在走向立面上卸压等值线呈凹形卸压圈, 在平面上卸压等值线呈“O”形卸压圈。并且其底板卸压应力、位移等值线在走向、倾向立面上呈负指数曲线规律往里收缩。“O”形圈在靠近保护层工作面平面上达到了最大值, 而随着层间距的增大, 逐渐呈现减小的趋势, 这和保护层的卸压角演化规律密切相关。
按照应力集中系数K=1时下伏煤岩层开始卸压, 该卸压区内, 被保护煤岩层因发生膨胀变形, 产生导气的微裂隙及裂隙, 煤层透气性增大, 卸压瓦斯流量增大, 为抽采卸压瓦斯的最佳区域。
3.2 被保护层卸压与上保护层工作面位置的关系
从上保护层工作面开采采空区应力分布规律及“O”形圈的演化过程得出, 上保护层开采底板走向、倾向卸压规律与底板层间距大小有关。以地应力降低10%的等值线为基准, 在理论上提供了被保护层卸压瓦斯抽采的范围, 但不能作为有效防止突出的卸压角。
从图2 (b) 中可以看出, 被保护层走向滞后保护层工作面的卸压距离与层间距的关系, 通过拟合得出y=16.7ln x-37.2, 其中x表示层间距, y表示走向基准卸压滞后距离。当试验二采区71至9煤层层间距为40.5 m时, 则计算得出被保护9煤层滞后保护层71煤层试验工作面24 m卸压。这为严重突出被保护9煤层施工钻孔的空间提供了依据。
但对于近距离上保护层开采下伏被保护层的卸压规律与中远距离上保护层开采后被保护层的卸压规律有一定的差异, 前者可能超前于保护层工作面一定距离, 需要进一步考察论证。
4 被保护层卸压瓦斯抽采规律试验考察
根据上保护层7122工作面开采与被保护层卸压瓦斯抽采设计 (见图3) , 选择9煤层底抽巷10#钻场对被保护层卸压前后的瓦斯浓度、抽采量等进行考察, 其结果见图4。
由图4可知, 在保护层开采后, 被保护层在走向方向上呈现“五带”: (1) 原岩应力带和超前支承应力集中带, 位于保护层工作面前方5 m以远区域, 该带内瓦斯抽采量及浓度较低, 抽采效果差; (2) 卸压过程带 (增透增流带) , 位于工作面前方5 m至后方20 m区域, 该带瓦斯抽采流量及浓度逐渐增大, 其值分别小于0.1 m3/min、38%, 该区域煤层透气性系数增大; (3) 全卸压带 (高透高流带) , 位于工作面后方20~160 m区域, 该区域内瓦斯抽采浓度为30%~95%、抽采流量达到最大值0.28 m3/min, 透气性系数由原始的0.004 5~0.054 1 m2/ (MPa2·d) 增大到0.962~21.247 m2/ (MPa2·d) , 增大798~1 484倍, 其抽采量增大25倍, 因此将该带视为卸压瓦斯抽采最佳区域。 (4) 重新压实带 (减透减流带) , 位于工作面160 m后方, 该区域内下向钻孔瓦斯抽采浓度20%、流量下降并稳定在0.02 m3/min。
5 被保护煤层卸压瓦斯参数优化及应用效果考察
5.1 抽采参数优化
根据被保护的9煤层底板穿层钻孔瓦斯抽采浓度、抽采量与保护层7122工作面位置关系的考察结果, 利用远中距离上保护层开采底板卸压应力场、瓦斯流动场的时空滞后效应, 发现被保护的9煤层穿层抽采钻孔滞后保护层工作面平面位置20~25 m的卸压过渡带内施工顺利, 解决了保护层开采以前9煤层施工钻孔喷孔、夹钻、钻孔突出, 以及保护层回采动压破坏封孔段漏气、煤孔段塌孔等重大安全隐患, 提高了被保护层抽采效果;同时也避免了抽采负压的浪费, 保证抽采钻孔能基本上抽到被保护9煤层的卸压瓦斯, 上保护71煤层开采的被保护9煤层的卸压瓦斯抽采时间应为从保护层工作面后方20~160 m这一时间段。根据被保护层钻场卸压瓦斯抽采量动态考察结果、瓦斯抽采系统改造及保护层71煤层开采过程瓦斯涌出资料综合分析, 可将原设计的9煤层底板钻孔间距由26 m×26 m调整为30 m×30 m (半径由10 m扩大为15 m) 。
5.2 应用效果考察
被保护9煤层底板巷上向穿层钻孔随着抽采时间的延长, 9煤层残余瓦斯含量降低, 其10#钻场钻孔控制区域内在抽采28、33个月后计算9煤层残余瓦斯量分别为6.0~7.4、5.3~6.5 m3/t, 其卸压瓦斯的平均抽采率为55%。在7122工作面回采过程中, 其回风巷、上隅角的瓦斯浓度均未超限, 保证了保护层工作面的安全生产。
6 结论
1) 祁东煤矿二采区被保护9煤层滞后上保护71煤层采煤工作面20~24 m卸压, 被保护层的最佳抽采空间距离为上保护层工作面后方20~160 m;未卸压前施工9煤层穿层钻孔存在安全隐患, 保护层71煤层开采采动集中应力破坏抽采封孔段, 预抽及卸压抽放效果差。
2) 利用卸压瓦斯流动滞后的时空效应, 在保护层采煤工作面施工被保护层穿层钻孔直接进行卸压瓦斯抽采, 解决了传统被保护层钻孔超前保护层采煤工作面施工进行预抽及卸压抽采存在的问题, 抽采效果良好, 同时防止了被保护层卸压瓦斯涌入保护层工作面。
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保护层开采保护范围确定研究 篇8
1 保护层开采理论概述
保护层工作面开采后, 岩体中形成自由空间, 破坏了原有的应力平衡, 岩体向采空区方向移动, 采空区顶底板煤岩体发生破坏、移动和变形, 引起煤岩应力与裂隙的重新分布, 对开采层周围的煤层和岩层产生采动影响, 被保护层的煤体与岩层发生卸压、膨胀, 同时保护层与被保护层之间的岩石裂隙增多, 透气性增大, 使得卸压后的瓦斯得以释放, 瓦斯压力和含量下降, 从而达到消除被保护层煤与瓦斯突出危险性的目的[5,6,7,8]。
开采后引起顶板岩层的移动与破坏, 可以分为垮落带、裂隙带及弯曲带[9]。近距离煤层保护层开采后, 层间距小, 保护层与被保护层间的部分岩石裂缝垂直于层面, 离保护层一定距离内, 这些裂缝彼此贯通, 直至与保护层采空区连通, 提供了瓦斯涌向保护层开采空间的通道。同样, 在被保护层回采过程中, 采空区岩层的裂隙与保护层采空区沟通, 为保护层采空区内积聚的瓦斯涌向被保护层采空区提供通道[10,11,12]。保护层开采采动影响范围如图1所示。
2 试验矿井概况
试验矿井开采井田属华北型石炭—二叠纪煤系。含煤地层有太原组、山西组等, 煤系地层总厚度704.5 m。煤层倾角一般9°~18°。可采煤层有二1和二3煤层。二1煤层位于山西组大占砂岩之下, 距太原组顶界一般9 m, 煤厚0~21.26 m, 平均厚7.07m。煤层不稳定系数3.3, 该煤层为全区主要可采煤层。结构较简单, 局部含有夹矸。二3煤层位于太原组大占砂岩之上, 下距二1煤层20 m左右, 煤厚0~7.61 m, 平均厚1.37 m。煤层不稳定系数为6, 变异系数为85%, 为大部可采煤层。
13031综放工作面主要回采二1煤层, 采区内煤层厚1.90~13.25 m, 平均厚4.8 m, 煤层倾角13°~22°, 煤层赋存稳定。二3煤没有突出危险性, 但为保证回采二1煤层的安全, 选择突出危险性小且处于上部的二3煤层作为上保护层, 选择突出危险性相对较大且处于下部的二1煤层作为被保护层。首先在二3煤层布置13033工作面进行回采 (图2) 。
3 现场观测方案
结合现场实际情况, 在13031回风巷距13033工作面100 m的二1煤煤体中设置第1组煤体应力测点b (1#、2#、3#传感器分别距13033工作面102, 101, 100 m;安装深度为5, 15, 20 m) , 在13031回风巷上帮保护煤柱内设置第2组煤体应力测点a (4#、5#传感器分别距13033工作面94, 92 m;安装深度为5, 15 m) 。钻孔直径为42 mm。监测数据的采集可以用人工记录的方式进行。安装完成后, 在二3煤采动影响范围之外, 每天观测1次。进入影响范围时, 加大观测密度, 每班观测1次。工作面推过以后, 应继续观测至数据稳定。
主要观测内容:观测上保护层二3煤中13033工作面开采期间二1煤煤体内部应力的变化, 分析对比二1煤保护范围内外应力的变化情况;13033工作面开采期间, 二1煤13031工作面回风巷巷道围岩压力的变化;13033工作面开采期间, 13031工作面回风巷巷道矿压宏观显现情况。
煤体应力变化测量采用GMC20应力传感器 (图3) 。传感器采用应变测量技术, 测量煤体的垂直载荷应力。受应力作用煤体或岩体产生变形破坏, 将应力传递到应变体上产生变形, 应变计将变形量转换成电压信号。应力传感器及安装情况如图3—图5所示。
4 观测结果分析
以钻孔应力传感器超前13033工作面的距离为横轴, 以测得的煤体应力为纵轴, 根据1#—5#传感器测得煤体应力值绘出的煤体应力变化情况如图6、图7所示。
(1) 钻孔应力传感器的读数只是煤体应力变化的相对值, 不是煤体中实际应力的大小, 但根据读数可以反映出应力变化趋势和应力集中程度。钻孔直径大于应力传感器的直径, 传感器的应变头不能与煤体充分接触, 因此传感器的初始读数为0, 当钻孔周围的煤体开始变形破坏, 应变头与煤体充分接触时, 才会出现读数。变形稳定时, 读数值也趋于稳定。
(2) 图6显示了随着保护层13033工作面的推进, 被保护层13031工作面前方煤体应力变化。对3#应力传感器进行分析, 安装时超前13033工作面104 m。安装初期, 读数为0, 随着13033工作面的推进, 在距工作面83 m左右开始出现读数, 但读数极小, 为0.05 MPa, 说明此时钻孔周围煤体开始变形, 保护层二3煤13033工作面的推进已经开始影响到二1煤。在距工作面70 m左右, 二1煤中应力开始变大, 一直持续距工作面8~11 m, 达到峰值, 为6.9 MPa。继续推进, 应力持续减小;工作面完全推过进入采空区后, 应力又开始变大;在距工作面35 m的后方采空区时, 又达到一个峰值, 为4.07MPa, 后开始减小, 在距工作面58 m左右趋于稳定, 为2.37 MPa。1#、2#应力传感器和3#具有大体相同的变化趋势。在保护层开采13033工作面的推进过程中, 被保护层二1煤体中应力的变化趋势大体和工作面前方形成的支承压力变化趋势相同, 可以认为二1煤体中应力的变化主要是13033工作面回采形成的支承压力在二3煤底板中传播引起的。根据3个钻孔应力变化的趋势及传感器安装的位置, 可以推断1#—3#传感器的位置都位于13033工作面开采的倾向保护范围之内。
(3) 图7显示了随着保护层13033工作面的推进, 被保护层13031工作面回风巷上帮护巷煤柱内煤体应力变化。对4#应力传感器分析, 安装时超前13033工作面91 m。安装初期, 读数为0;随着13033工作面的推进, 变化很小, 在0.01~0.04MPa;当距13033后方38 m左右的采空区时, 增大到0.19 MPa, 一直稳定下来。5#应力传感器变化趋势基本相同。可以推断4#、5#传感器的位置都位于13033工作面开采的倾向保护范围之外。
(4) 13033工作面的开采对13031工作面的倾向保护范围在13033工作面两巷垂直投影内错8~11 m的位置。13033工作面的回采应超前13031工作面50~60 m。
5 结论
利用钻孔应力传感器的观测, 在保护层开采13033工作面的过程中, 对被保护层二1煤体中应力的变化进行了分析研究。
(1) 二1煤体中应力的变化趋势大体和保护层开采工作面前方形成的支承压力变化趋势相同, 应力变化主要是13033工作面回采形成的支承压力在二3煤底板中传播引起的。
(2) 1#—3#传感器的位置均位于13033工作面开采的倾向保护范围之内;4#、5#传感器的位置均位于13033工作面开采的倾向保护范围之外。
(3) 保护层开采时, 上保护层二3煤中13033工作面的开采对被保护层13031工作面的倾向保护范围在13033工作面两巷垂直投影内错8~11 m的位置。13033工作面的回采应超前13031工作面50~60 m。
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护层保护 篇9
1 研究背景
湖南省煤矿普遍具有矿井井型小、煤层薄、地质构造复杂、瓦斯灾害严重等特点,是我国煤与瓦斯突出灾害较严重的省份之一[5]。湖南资江煤矿是近距离煤层群赋存的煤与瓦斯突出矿井,曾发生过多次煤与瓦斯突出,为了有效防治煤与瓦斯突出,选取Ⅱ煤层作为保护层优先开采的区域防治措施。Ⅱ煤层与Ⅲ煤层间距10 ~ 15 m,与Ⅳ煤层间距14 ~ 19 m,Ⅱ煤层开采使Ⅲ、Ⅳ煤层产生卸压效应,大量吸附瓦斯解吸后涌入Ⅱ煤层工作面及采空区,造成工作面上隅角瓦斯浓度超限,严重威胁矿井安全生产。为探索适合于资江煤矿近距离上保护层工作面的瓦斯防治技术,实现安全开采,开展了近距离上保护层开采被保护层应力位移采动影响研究。
2 近距离上保护层开采被保护层应力位移数值模拟
2. 1 模型建立依据
资江煤矿煤层倾角平均20°,根据《防治煤与瓦斯突出规定》的要求,当煤层倾角为20°时,被保护层沿倾向的被保护区域按卸压角75°选取,如图1 所示。
根据资江煤矿近距离上保护层工作面采掘部署情况,选取3527 工作面为研究对象。3527 工作面回采长度78 m,煤层平均可采厚度1. 30 m,埋藏深度385 ~ 455 m,平均埋深420 m。
2. 2 数值模拟模型
根据3527 工作面回采长度、煤层倾角和埋深、层间距以及沿倾向卸压角,建立应力位移采动影响数值模型,并进行数值模拟。数值模型参数见表1,根据参数建立的数值模型如图2 所示。
2. 3 数值模拟边界条件
采用COMSOL模拟软件固体力学模块,分析模型在应力载荷作用下开挖时应力和位移的变化及分布情况。模拟时将煤岩层视为弹塑性理想体,采动过程中煤岩层变形服从德鲁克—普拉格屈服条件( Drucker - Prager,简称D—P准则) ; 模型的左右边界设定为固定边界,辊支撑结构,不发生位移变化;模型上边界受采动影响位移发生变化,设定为自由边界; 模型下边界设定为固定边界。根据资江煤矿煤层赋存、煤岩层岩性、煤层埋藏深度,以及均布载荷( q) 计算公式[6],计算3527 工作面平均应力载荷。其相关参数见表2。
式中: ρ 为上覆岩层平均密度,取2 500 kg/m3; g为重力加速度,取10 N/kg; h为煤层埋藏深度,取420 m。
通过计算得出3527 工作面平均应力载荷为10. 50 MPa。
3 近距离上保护层开采被保护层应力特征
煤层开采之前处于应力平衡状态,采动形成地下采掘空间后,原始的平衡状态被破坏,引起应力重新分布,并一直延续到形成新的应力平衡为止[7]。根据煤炭开采长期的、成熟的理论研究可知,沿煤层走向,位于工作面前方的底板煤岩层受到采动影响集中应力作用; 而工作面采空区提供的移动和变形空间,使位于工作面采空区的底板煤岩层产生移动和变形[8]。随着工作面的推进,采空区面积不断增大,上覆岩层垮落并重新压实,底板煤岩层应力呈现出分区域分阶段的变化规律,可划分为原岩应力区、应力增高区、应力降低区以及应力恢复区[9]。
数值模拟主要分析底板煤岩层受采动影响后,应力沿煤层倾向的变化规律。根据数值模拟应力分布云图分析得到的煤岩层应力张量Y分量如图3 所示,被保护层被保护区域内顶板应力如图4 所示。
由图3 可知: 工作面开采期间,沿工作面倾向,底板煤岩层在不同深度处应力值差别较大,离采空区越近应力变化幅度越大,离采空区越远应力变化幅度越小; 随着距采空区距离的增大,煤岩层应力变化呈减弱、缓和的趋势。
沿工作面倾向,位于采空区中部的底板煤岩层应力减小幅度最大,随着距采空区中部距离的增大,应力减小幅度逐渐降低,即底板煤岩层应力变化呈“V”形分布; 位于工作面回采巷影响区域内的煤岩层出现应力集中现象。
由图4 可知: 沿煤层倾向,位于采空区中部的被保护层卸压程度最大,随着距采空区中部距离的增大,卸压程度减弱。
4 近距离上保护层开采被保护层位移特征
工作面推进形成的采空区为底板煤岩层的膨胀变形提供了较大的临空面,位于采空区的底板煤岩层产生错动,发生位移[10]。根据位移变化数值模拟云图分析得到被保护层被保护区域内顶底板位移分别如图5 ~ 6 所示,可以看出: 沿煤层倾向,被保护层被保护区域内顶底板位移呈“拱形”分布;位于采空区中部的被保护层位移变化较大,位于采空区两侧的被保护层位移变化较小,即被保护层位移变化随着距采空区中部距离的增大而逐渐减小。
数值模拟结果: 当埋深420 m、采长78 m的3527 工作面回采时,被保护层被保护区域内顶板位移为15 ~ 57 mm,底板位移为12 ~ 47 mm。
5 主要结论
1) 近距离上保护层开采期间,沿工作面倾向,底板煤岩层应力沿深度方向呈“V”形分布,工作面采空区中部的被保护层卸压程度最大; 工作面回采巷影响区域内的煤岩层出现应力集中现象。
2) 近距离上保护层开采期间,沿工作面倾向,被保护层被保护区域内顶底板位移呈“拱形”分布; 当埋深420 m、采长78 m的3527 工作面回采时,被保护层被保护区域内顶板位移为15 ~ 57 mm,底板位移为12 ~ 47 mm。
护层保护 篇10
1 试验区概况
试验地点为祁东煤矿二采区7122工作面及下伏82、9煤层区域,以及三采区6136工作面、下伏71煤层区域,两上保护层工作面上下区段均未开采。71、82和9煤层为二采区主采煤层,81煤层为局部可采煤层;61、71、82煤层为三采区主采煤层,63、72、9煤层为局部可采煤层。71煤层为突出煤层,7122工作面为无突出危险区;82、9煤层为严重突出煤层,平均煤厚2.30、2.65 m,平均倾角12°、16°;61煤层为非突出煤层。7122工作面采用综合机械化走向长壁后退式回采,全部垮落法控制顶板,U型通风方式。二、三采区试验工作面基本情况见表1,煤层间距见表2~3,煤层空间位置见图1~2。
2 上保护层开采采动影响分区规律
上保护层底部围岩应力场、裂隙场及瓦斯流动场的演化分布规律是高瓦斯突出煤层群煤与瓦斯协调开采的重要基础理论,应力场演化、分布规律是裂隙场及瓦斯流动场演化分布的前提条件与决定因素。根据有关理论研究[2,3,4,5],长壁式倾斜及缓倾斜煤层开采影响范围内应力变化分区、分带情况见图3。
1—地表下沉曲线;2—支承压力曲线;3—沿层面法向岩石变形曲线;4—垮落带;Ⅰ—充分采动应力降低区;Ⅱ、Ⅱ'—支承应力降低区;Ⅲ、Ⅲ'—支承应力增高区;Ⅳ、Ⅳ'—底板压缩区;Ⅴ、Ⅴ'—底板不均匀隆起区;Ⅵ—底板均匀隆起区;IJCKL—采动影响区;EFGH—充分应力降低区;ABCD—应力降低区。
由图3可知,上保护层开采时围岩应力场、裂隙场及瓦斯流动场演化分布特征及一般规律如下:
1)缓倾斜及倾斜上保护层开采底部煤岩层倾斜方向呈凹形、走向平面呈“O”形[6,7]的卸压球壳[8],以及开采围岩影响区内空间应力场、裂隙场和瓦斯流动场分区、分带特征;保护层采面开采范围上、下卸压球壳非对称,上覆卸压空间大,下伏卸压范围小。中远距离被保护层卸压与瓦斯流动滞后上保护层采煤工作面一定距离。
2)随着保护层与被保护层之间的距离增大,卸压效果及范围呈逐渐减小的趋势。底部被保护范围煤层在倾斜中部卸压效果比倾斜上、下山两侧附近的卸压效果佳。
3 保护层开采数值模拟分析
3.1 上保护层7122工作面开采底板煤岩层应力、位移演化规律
3.1.1 走向应力、位移变化规律
针对上保护层7122工作面及其底板煤岩层的实际赋存条件,建立三维数值计算模型。考察7122工作面作为82、9煤层上保护层开采时,上覆61煤层已经回采完毕,为了模拟71煤层开采时下伏被保护82、9煤层的空间卸压规律更符合实际情况,本次模拟中距离上保护7122工作面时,考虑了上覆61煤层工作面的采动卸压影响。使用ANSYS三维数值模拟研究上保护层开采被保护层卸压分布规律,取上保护层71煤层计算模型走向长度100 m,7122工作面开采后,其底板煤岩层的应力、位移变化见图4。
从图4可以看出,82、9煤层原岩压应力为-9.48~-5.85 MPa,平均为-7.67 MPa,保护层61、71煤层开采后,由于受到61、71煤层共同卸压保护作用,走向上82煤层由原来的压应力卸压为拉应力,其值为1.41 MPa,9煤层的压应力变为-2.22 MPa,故下伏被保护82、9煤层有明显的卸压作用,82煤层卸压效果更为明显。
7122工作面开采后,底板卸压应力、位移等值线在立面上沿切眼与终采线呈负指数规律(但曲率变大)往里收缩,即立面上卸压等值线呈凹形卸压圈,平面上呈“O”形卸压圈,与理论上收缩规律一致;其顶板卸压应力、位移等值线与底板分布规律相似。
3.1.2 倾向应力、位移变化规律
取上保护层71煤层计算模型倾向长度180 m,7122工作面开采后,其底板煤岩层的应力、位移变化如图5所示。
从图5可以看出,82、9煤层原岩压应力为-11.30~-6.89 MPa,平均为-9.10 MPa,保护层71煤层开采后,由于受到61、71煤层的共同卸压保护作用,倾向上82煤层由原来的压应力卸压为拉应力,其值为2.0 MPa,9煤层的压应力变为-2.45 MPa,故下伏被保护82煤层比9煤层卸压更为明显。
上保护层工作面开采在走向、倾向上的底板卸压应力场、位移分布特征为在立面上卸压等值线呈凹形卸压圈,在平面上卸压等值线呈“O”形卸压圈。这可为被保护层的保护效果考察以及瓦斯抽采钻孔布置的合理化参数提供理论支撑。
3.2 中远距离上保护层开采卸压空间数值模拟分析
3.2.1 7122上保护层开采卸压范围
根据祁东矿二采区上保护层7122工作面开采空间应力分布特征及规律,按地应力降低10%划定卸压角,在理论上提供了被保护层卸压瓦斯抽采的范围,其剖面走向、倾向如图6~7所示。
从图6~7可以看出,“O”形圈在靠近保护层工作面平面上达到了最大值,而随着层间距的增大,逐渐呈现减小的趋势,不论是在工作面上方还是在工作面下方,都呈现了相同的规律。这和保护层的卸压角演化规律密切相关。在距离保护层工作面较近处,“O”形圈比较完整,但比较狭窄;随着距离的增大,“O”形圈卸压效果逐渐减弱,而其宽度却增大。
以地应力降低10%的等值线为基准,从数值模拟计算结果(图6)中得出被保护层走向卸压滞后保护层采煤工作面的距离y与层间距x的关系:
3.2.2 7122上保护层开采底板空间卸压规律
底板岩层因应力解除泊松效应,附近底板岩层卸压、形成层面及铅垂方向裂隙;采空区上方垮落岩石逐渐压实,采空区四周仍存在空间,形成“O”形卸压圈,保护层开采卸压角在切眼或终采线附近隅角处最小。
7122保护层工作面开采之后,煤岩体压实越来越明显,而采空区周围煤岩体由于受到拉伸作用,产生大量裂隙,没有被压实,平面上形成了“O”形圈,如图8所示。
7122保护层工作面进风巷、回风巷、切眼或终采线附近隅角处应力梯度最大,工作面中部的应力梯度相对较小,其对应的上、下岩层卸压范围相对较小。因此,保护层开采后被保护层的卸压保护角在平面上不是处处相等的,靠近保护层工作面中部区域相对较大,而靠近保护层工作面切眼及终采线附近略小。生产实际中被保护层工作面进、回风巷必须直线布置,因此,从安全角度考虑被保护层卸压角的确定应以保护层工作面在切眼或终采线附近隅角处的最小卸压角为基准。
4 试验考察
4.1 被保护层瓦斯抽采量考察
在9煤层底抽巷10#钻场施工穿层钻孔抽采试验区9煤层倾斜上方卸压瓦斯,对卸压前后瓦斯抽采量进行了考察。在10#考察钻场超前保护层工作面40~60 m,钻场瓦斯抽采量减少,抽采量为0.01~0.02 m3/min,主要受到超前支承压力影响,被保护9煤层透气性降低。上保护层7122工作面推过10#考察钻场时,被保护层逐步得到充分卸压,瓦斯抽采量逐渐增大,推过距10#考察钻场30 m附近,瓦斯抽采最大量达到0.28 m3/min,之后逐步衰减;7122工作面继续推进至160 m时,被保护9煤层底抽巷瓦斯抽采量基本稳定在0.02 m3/min。考察结果见图9。
根据试验区域被保护9煤层底板穿层钻孔瓦斯抽采量与保护层7122工作面位置关系,发现钻孔瓦斯抽采量大幅变化时,被保护9煤层沿走向滞后保护层工作面平面位置20~25 m,并且在这段卸压过渡带内抽采钻孔施工顺利,打钻效率高且不再喷孔夹钻,施工完毕后及时合茬进行抽采,卸压瓦斯抽采效果好。实际考察结果与上述理论分析一致。
因此,在中、远距离被保护层底板岩巷滞后上保护层采煤工作面一定距离施工穿层钻孔及时抽采瓦斯,解决了传统被保护层底板岩巷穿层钻孔抽采瓦斯存在的钻孔喷孔、夹钻、突出,以及开采动压破坏引起的钻孔漏气、煤孔段塌孔等重大安全隐患问题。
4.2 被保护层倾向不同位置瓦斯压力考察
被保护层71煤层倾向不同位置瓦斯压力随6136工作面位置变化关系的考察结果见表4、图10;71煤层被保护区倾向不同位置的钻孔压力变化不同,见表5。
倾斜方向不同位置瓦斯压力超前保护层工作面不同位置发生了变化,3#钻孔瓦斯压力上升幅度最大,其值为0.3 MPa,在压力下降之前都有不同程度的上升,这是由保护层工作面超前集中应力造成的。3#钻孔距保护层工作面8~10 m开始受到影响,而1#、2#钻孔分别距保护层工作面3~5、5~8 m开始受到影响。随着工作面推进,集中应力向工作面前方转移,钻孔位置煤层得到卸压,瓦斯压力下降,3#钻孔瓦斯压力降幅最大,降幅为0.9 MPa。
以上考察结果符合保护层开采后卸压球壳的空间应力场规律,表明被保护层倾向不同位置的卸压效果存在差异,中部卸压效果比倾斜上下部两端附近的卸压效果佳,与理论研究结果相符。
4.3 被保护层倾向不同位置抽采半径考察
选择在保护层61煤层6136采煤工作面上风巷距切眼560 m位置施工1#、2#下向钻孔作为被保护范围倾斜上部瓦斯抽采半径考察钻孔,并且钻孔位于采煤工作面倾斜上方边界水平距离17、33 m位置。在采煤工作面倾斜上方边界水平距离55 m位置,即被保护范围倾斜中部施工3#上向钻孔作为被保护范围倾斜中部瓦斯抽采半径考察钻孔。
钻孔于保护层工作面前方60 m位置施工完毕后,在负压17 k Pa抽采条件下采用专用煤气表每天单孔计量抽采量,直到保护层工作面采后90 m为止。
根据1#钻孔充分卸压后,即日抽采流量最大时起,钻孔日抽采量呈负指数规律递减,因此,通过负指数拟合,其结果如图11所示。
由图11可知,其拟合曲线相关系数R=0.989 8,数据相关性强,其衰减负指数曲线能有效代表1#钻孔单孔抽采瓦斯规律,可根据该抽采衰减负指数曲线公式积分计算1#钻孔拟合抽采半径。
1#钻孔抽采30、60 d、极限抽采量分别为930.8、931.0、931.0 m3。可见,钻孔抽采30 d时的拟合量已接近于极限抽采量。
因此,选择1#钻孔卸压极限抽采量的85%作为有效抽采量,即为791.4 m3,钻孔未充分卸压前的瓦斯抽采量为329.7 m3,则单孔有效流量Q单为1 121.1 m3。控制L·L区域内所需的钻孔数:
1#钻孔有效流量抽采半径:
采用相同考察方法计算得:2#、3#钻孔抽采半径为12.2、15.1m。
由倾斜上部、中部抽采半径计算结果可知,被保护范围煤层倾斜中部抽采半径比倾斜上部大。实际抽采半径考察结果与理论分析相符。
传统的被保护层穿层等距离钻孔网格式布置方法虽能解决瓦斯抽采问题,但是从瓦斯治理方面考虑,传统方法不具有优势。根据抽采半径考察结果,在保护范围内煤层倾斜上下部抽采钻孔间距应较小,倾斜中部抽采钻孔间距应稍大(根据实际考察确定)。
5 结论
1)理论与实践研究表明,上保护层长壁开采底部煤岩层倾斜方向呈凹形、走向平面呈“O”形的卸压球壳,保护层与被保护层层间距越大,保护效果越差,保护范围越小。中、远距离被保护层卸压与瓦斯流动滞后上保护层采煤工作面一定距离。
2)保护层长壁开采的卸压角在其切眼或终采线附近隅角处最小,底部被保护范围煤层的中部卸压效果比两侧的卸压效果佳,即被保护范围煤层倾斜中部抽采半径比两侧的要大,其抽采钻孔不宜等距离网格式布置。
3)在中、远距离被保护层底板岩巷滞后上保护层采煤工作面一定距离施工穿层钻孔及时抽采瓦斯,解决了传统被保护层底板岩巷穿层钻孔预抽瓦斯存在的钻孔喷孔、夹钻、突出,以及开采动压破坏引起的钻孔漏气、煤孔段塌孔等重大安全隐患问题,有利于提高被保护层抽采效果。
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浅谈钢筋保护层厚度控制措施 篇11
关键词：钢筋；保护层；模板；垫块
根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）规定，混凝土工程应对涉及结构安全的重要部位进行实体检验，其中包括钢筋保护层厚度，由于钢筋保护层的厚度属于隐蔽工程，一般情况下保护层厚度的偏差在混凝土澆筑后很难被发现。保护层厚度过薄将直接影响构件的耐久性；保护层厚度过厚将削弱构件的承载能力。由此可见在工程施工时，钢筋保护层厚度控制尤为重要。
1 现阶段工程施工时存在的问题
（1）施工操作中的问题。操作人员施工时钢筋下料、制作的尺寸不准或对钢筋的相互间位置关系考虑不周，导致钢筋出现贴模、移动等情况；
（2）混凝土施工时标高控制不准，导致浇筑面超厚；
（3）成品保护意识差，施工过程中任意踩踏钢筋使其变形；
（4）有时图方便只是在钢筋下垫以“适当厚度”的石子或是随手取得的混凝土碎块，这样的钢筋位置将无法控制；有时即使垫块位置正确，由于振捣不规范，导致垫块损坏或位移；
（5）钢筋定位不准确造成保护层厚度一边边偏大，一边偏小。例如：墩柱的站筋，在承台施工时间没有定位正确，承台浇筑完成后站筋在垂直方向不在一个平面内，这样就造成了混凝土保护层厚度的局部偏差。
（6）保护层垫块的尺寸不符合设计保护层厚度的要求，保护层垫块布设的数量不符合标准化指南要求（1平方4个）。
（7）模板制作的尺寸偏差也会导致保护层的超标，所以还要注意模板工程的制作和安装。
2 钢筋保护层厚度控制措施
2.1 认真做好图纸会审，技术交底
（1）在施工前，应针对不同的工程部位，根据设计图纸及施工验收规范，确定正确的钢筋保护层厚度。对于设计厚度超出规范要求的钢筋保护层厚度的部位，应及时与设计单位沟通，出具变更通知或重新核定。
（2）对不同的构件可采取不同厚度的保护层垫块；垫块的强度要求与构件主体同标号，并采用定型梅花状产品，可采用模具加工或外购；保证保护层的厚度控制在规定范围之内（偏差不得超过2mm）。
（3）在作业前，对操作人员进行详细的技术交底，并进行现场操作示范和讲解；在交底时，不仅对钢筋组提出要求，还要对模板组、混凝土组等相关班组提出要求，强调钢筋保护层的重要性，提高人员的思想意识，化被动作业为主动作业、化被动管理为主动管理。
2.2 合理安排各工种的施工顺序
2.2.1 钢筋骨架质量控制
（1）钢筋加工、制作必须严格按照设计和规范要求；
（2）为了保证钢筋骨架的稳固性，在制作过程中，要确保钢筋绑扎及焊接的质量；
（3）骨架安装工艺要合理、科学，骨架安装完成后，要对骨架位置尺寸进行认真检查，确保位置准确，不符合要求，要进行纠正处理；对结构复杂的构件，合理安插主、次筋的位置，并注意施工顺序，避免出现钢筋挤占保护层的情况；
（4）钢筋骨架的固定措施必须得当，固定必须牢固，防止在浇筑混凝土时发生移位；
（5）骨架在运输过程中也要防止骨架变形，必要时对加强箍筋进行加密。
2.2.2 模板制作及安装影响因素
（1）模板制作要规范，确保模板平整度、强度及刚度符合要求，避免成型构件局部保护层存在偏差；
（2）模板安装位置准确；
（3）模板固定及限位措施到位，避免模板在混凝土浇筑过程中出现涨模、移位现象；
2.2.3 钢筋保护层的垫块设置采取专人负责和专人检查验收制度
安放、绑扎固定钢筋保护层垫块应作为钢筋工程施工中的一个重要环节。一个是要避免垫块设置的数量不够，导致钢筋下沉或垫块被压碎、变形的情况。各项目应根据施工方案合理布置垫块，现场根据情况还应适当加密垫块的间距。二是垫块应合理、准确地绑扎在受力钢筋上（主筋）上，而不应布置在非受力筋上，固定要牢固，防止在浇筑过程中发生位移和滑落；混凝土浇筑前全面检查垫块是否缺少或损坏。三是垫块需采用混凝土专用垫块，标号不低于主体混凝土标号；垫块的数量必须满足保护层合格率的要求（1平方4个）。
2.2.4 混凝土的浇筑要有专人指挥
（1）浇筑混凝土时要尽量减少对钢筋的冲击；
（2）任何人员不得随意在安装好的钢筋上踩踏。浇筑混凝土的操作人员要采取施工措施以避免踩踏钢筋；
（3）在浇筑混凝土时，派专职钢筋工进行护筋，发现钢筋被踩踏移位时，及时进行修整；
（4）杜绝在混凝土浇筑过程中振捣无序，局部振捣过分或振动棒触及钢筋骨架；
（5）对易于偏位的钢筋应作有效的固定。
2.2.5 实行三级检查验收制度
结合工程的具体特点，对桥梁的立柱、墩帽、预制板梁、预制箱梁、现浇箱梁、调平层等的垫块用量做如下要求：立柱（含勒板）每断面不少于6个，上下间距不大于1.5m；墩帽、预制板梁、预制箱梁、现浇箱梁及桥面调平层等每平米不少于4个，通道、涵洞的墙身垫块应适当加密，可达6个/m2，以确保对主筋的固定，提高保护层的合格率。各道工序完工后，首先是工班自检、签字，合格后上报项目部专业工程师，由专业工程师抽检合格后方可报监理工程师验收。
3 总 结
钢筋保护层是一个经常被忽视，然而却具有非常重要地位的问题。对钢筋保护层厚度的控制是一个从施工到验收的全过程控制，可以说控制了钢筋混凝土保护层的厚度，也就相当于控制住了结构实体中检验批保护层的质量验收。认真对待这个问题，从平时施工的每一个细节做起，才能创造出优质品牌工程。
参考文献
[1]《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）.
[2]叶琳昌，沈义.大体积混凝土施工[M].北京：中国建筑出版社，1987.
[3]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.
远距离上保护层开采保护效果分析 篇12
长期的理论研究和突出危险煤层开采实践表明, 保护层开采技术是最有效、最安全和最经济的防治煤与瓦斯突出的措施[1]。通过保护层的开采, 采空区顶 (底) 板邻近煤岩层发生破坏、移动和变形, 引起顶 (底) 板煤岩体应力场与裂隙场的重新分布[2], 为邻近煤层的卸压瓦斯抽采提供了有利条件。保护层开采结合卸压瓦斯抽采, 可以有效地降低煤层的瓦斯含量, 消除突出煤层的煤与瓦斯突出危险性。正是由于保护层开采具有高度的实用性和可靠性, 因此《防治煤与瓦斯突出规定》明确提出区域防突措施应当优先采用保护层开采技术[3]。沈阳红菱煤矿保护层7煤和被保护层12煤层间距达到72 m, 通过对7煤和12煤工作面回采期间的瓦斯涌出量的统计分析, 并实测12煤瓦斯压力的变化规律, 初步论证了7煤作为保护层开采的有效性, 为矿井的瓦斯治理提供数据支持。
1 矿井及实验区概况
红菱煤矿位于辽宁省沈阳市苏家屯区红菱堡镇, 核定生产能力为200万t/a。含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组, 共含煤14层。山西组含煤1~7层, 太原组含煤8~14层。自建井以来, 红菱煤矿发生过百余次煤与瓦斯突出事故, 突出灾害严重。
西三采区位于红菱煤矿西翼-780 m水平, 采区含煤地层为山西组和太原组, 采区内主采煤层为7煤和12煤。其中7煤平均厚度为2.30 m, 12煤平均厚度为5.80 m, 煤层倾角为4°~9°, 赋存稳定, 7煤和12煤的平均层间距约为72 m, 煤层柱状如图1所示。
2 上保护层开采保护垂距
保护层开采作为一种区域瓦斯治理措施, 影响其效果的优劣最主要的参数为保护垂距的确定, 《防治煤与瓦斯突出规定》中给出的上保护层与被保护层之间的最大保护垂距如表1所示。
最大保护垂距S上计算公式为:
S上=S′上β1β2
式中S′上—下保护层和上保护层的理论最大保护垂距, m;
β1—保护层开采的影响系数;
β2—层间硬岩 (砂岩、石灰岩) 含量系数, 以η表示在层间岩石中所占的百分比, 当η≥50%时, β2=1-0.4η/100, 当η<50%时, β2=1。
西三采区范围内7煤与12煤的煤层倾角为4°~9°, 属于近水平煤层, 经过计算得出, 7煤作为上保护层其最大的保护垂距为46 m。7煤与12煤的层间距达到72 m, 12煤处于最大保护垂距范围之外, 但是上述规定没有考虑保护层开采厚度对被保护层的影响作用, 煤层的开采厚度对岩层的移动变形影响较大, 下伏煤岩层在上保护层开采后卸压, 发生底鼓膨胀, 出现拉张裂隙, 透气性增加, 形成底鼓裂隙带和底鼓变形带。生产实践发现, 底鼓裂隙带的高度为18~20倍采高。在底鼓变形带内, 当量层间距不大于50 m时, 被保护层均可消除突出危险[4,5]。
7煤回采高度为2.4 m, 其当量层间距仅为30 m, 虽然层间距超出了规定给出的最大保护垂距, 但仍然处于7煤采动的底鼓变形带内, 仍可得到一定程度的卸压。
3 保护层开采效果验证
为了分析7煤采动对12煤的影响, 对7煤工作面瓦斯涌出量进行了统计, 并对比了12煤在保护范围内外不同区域的工作面瓦斯涌出量, 结合现场实测12煤瓦斯压力, 对远距离上保护层的保护垂距进行验证。
3.1 保护层工作面瓦斯涌出量分析
选择7煤层3701工作面作为保护层工作面瓦斯涌出量考察对象, 其抽采量、风排量变化和绝对瓦斯涌出量与回采进尺的关系如图2所示。
在3701工作面回采初期绝对瓦斯涌出量约为15.16 m3/min, 在采空区初始来压时, 工作面瓦斯涌出增加到27.61 m3/min, 则可知采空区瓦斯涌出约为12.45 m3/min, 约占工作面瓦斯涌出量的45.1%, 该煤层瓦斯涌出量为15.16 m3/min, 约占工作面瓦斯涌出量的54.9%。随着工作面的推进, 瓦斯涌出量迅速增加, 平均绝对瓦斯涌出量达到43.06 m3/min。
在工作面推进的前60 m内, 即工作面推进距离小于一倍层间距时, 12煤受采动影响作用尚未显现。工作面瓦斯涌出的主要来源为7煤层本身, 随着工作面的继续推进, 下伏煤岩层发生底鼓膨胀, 裂隙逐渐发育, 12煤卸压作用开始显现, 大量卸压瓦斯通过采动产生的裂隙上浮运移至7煤工作面, 造成瓦斯涌出量的增加。
3.2 被保护12煤层瓦斯压力变化
瓦斯压力是预测煤层突出危险性的区域指标之一。为了确定7煤层开采对12煤层的卸压效果, 现场在12煤的底板施工穿层测压钻孔测定了7煤3700工作面影响范围内的12煤瓦斯压力。压力表安装完毕, 经过一段时间的平衡后, 实测的最大瓦斯压力达到5.8 MPa, 此时3700工作面位置距测压点的水平距离约为100 m, 因此认为测得的瓦斯压力为未受7煤采动影响的12煤原始瓦斯压力。再由12煤的煤样工业分析参数和测得的12煤瓦斯压力, 计算得到12煤的原始瓦斯含量达到22.90 m3/t, 瓦斯压力和瓦斯含量均大于突出危险性临界值。随着3700工作面 (下转第53页) (上接第45页) 的回采, 当工作面推进至测压点垂直上方时, 瓦斯压力迅速下降至0.64 MPa以下。虽然受观测时间的限制, 尚不能说明此时的压力为12煤最终的瓦斯残余压力, 但通过压力数值的变化, 能够充分证明7煤的开采对12煤具有一定的卸压作用。
4 结论
(1) 计算得出, 红菱煤矿7煤层作为上保护层其理论最大保护垂距为46 m。12煤虽处于计算得到的最大保护垂距范围之外, 但其相对当量层间距仅为30 m, 仍处于底鼓变形带内。通过分析瓦斯涌出量的变化规律发现, 12煤受7煤回采的影响, 部分卸压瓦斯能通过层间裂隙上浮运移至7煤层回采工作面中。
(2) 处于7煤保护范围内的12煤受7煤采动卸压影响, 瓦斯压力迅速下降, 实测的最大瓦斯压力可由5.8 MPa下降至0.64 MPa以下, 卸压保护作用较为明显, 7煤作为超远距离上保护层可对12煤起到有效的保护作用。
参考文献
[1]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1992
[2]钱鸣高, 缪协兴, 等.岩层控制的关键层理论[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2003
[3]国家安全生产监督管理局, 国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定[M], 北京:煤炭工业出版社, 2009
[4]程远平, 俞启香.煤层群煤与瓦斯安全高效共采体系及应用[J].中国矿业大学学报, 2003, 32 (5) :471-475