馬　寧

(汾西礦業(yè)集團(tuán)公司 柳灣煤礦，山西　孝義　032305)

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基于煤礦巷道頂板鋼帶支護(hù)機(jī)理分析

馬寧

(汾西礦業(yè)集團(tuán)公司 柳灣煤礦，山西孝義032305)

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖和鋼帶產(chǎn)生變形的規(guī)律和相關(guān)研究結(jié)果具有很大差異，根據(jù)此分析結(jié)果，指出了鋼帶突起彎曲變形的主要原因是由兩個(gè)錨桿之間失穩(wěn)產(chǎn)生的，此種壓桿失穩(wěn)影響了鋼帶支護(hù)效果，導(dǎo)致其失去了力學(xué)作用。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，巷道頂板支護(hù)鋼帶重點(diǎn)部分是支護(hù)斷面和鋼帶之間的耦合，可為煤礦巷道頂板鋼帶支護(hù)提供參考。

煤礦；巷道頂板；鋼帶；支護(hù)機(jī)理

頂板鋼帶托梁是煤礦支護(hù)體系中比較常見的使用方法，可以延長(zhǎng)巷道使用壽命并提升支護(hù)效果[1]. 當(dāng)巷道頂板發(fā)生沉降后，鋼帶可以抑制頂板下沉，是巷道支護(hù)中承受拉應(yīng)力的主要部分。但是鋼帶長(zhǎng)時(shí)間支護(hù)時(shí)，會(huì)因?yàn)殄^索鼓起而脫離巖體，失去了設(shè)計(jì)支護(hù)應(yīng)有的效果，從脫離巖體鼓起的鋼帶可以看出，鋼帶是受壓并不是受拉。本文主要針對(duì)煤層地質(zhì)狀況，對(duì)鋼帶變形的原因進(jìn)行分析，希望可以給煤礦巷道鋼帶支護(hù)提供參考。

1　圍巖變形結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

巖梁說是錨桿支護(hù)中的一種理論，巖梁是巷道頂板。錨桿加固巖梁后，可以提升圍巖頂板的穩(wěn)定，鋼帶是錨網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)中比較重要的部分，對(duì)巷道體系能力的提升具有很大作用[2].

經(jīng)過以上頂板加固作用分析可以發(fā)現(xiàn)，煤礦巷道頂板的鋼帶是巖梁中的關(guān)鍵構(gòu)件，可以限制錨桿之間的距離，進(jìn)而增加巖梁的抗拉力。即鋼帶是此系統(tǒng)中的受拉構(gòu)件。

2　巖石變形規(guī)律分析

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分析，圍巖變化情況見圖1. 巷道斷面處于鼓起狀態(tài)，但是進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，斷面尺寸卻發(fā)生了縮短現(xiàn)象。

圖1　巷道圍墻變形前后圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際變形情況分析可以發(fā)現(xiàn)，受壓是鋼帶受力的主要組成部分，受力模型圖見圖2.

圖2　巷道頂板鋼帶受力模型圖

3　巷道頂板鋼帶變形分析

從常規(guī)力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，煤礦巷道頂板是受拉構(gòu)建，此構(gòu)件必須有較強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度[3]. 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分析發(fā)現(xiàn)，受壓是巷道頂板鋼帶的最終受力。

巷道表面發(fā)生變形后，巷道橫斷面變小，頂部和幫部巖體凸出，因此，此種現(xiàn)狀被認(rèn)為是頂板下沉，鋼帶受拉后變長(zhǎng)，但實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，頂板和幫部的橫向長(zhǎng)度都變短。因此可以說明，巷道頂板和幫部的巖石是受壓，鋼帶端部受到的錨索制約也是受到擠壓產(chǎn)生的。

4　鋼帶力行為分析

經(jīng)過對(duì)煤礦巷道頂板鋼帶的勘查發(fā)現(xiàn)，頂板鋼帶通常由距離是600～1 000 mm的錨桿固定。如果相鄰2個(gè)錨桿之間固定位置發(fā)生變化時(shí)，鋼帶就會(huì)產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，見圖3.

圖3　鋼帶力學(xué)變形分析模型圖

鋼帶力學(xué)變形分析的重點(diǎn)就是對(duì)鋼帶失穩(wěn)應(yīng)力產(chǎn)生的變形量進(jìn)行確定，然后根據(jù)變形的范圍進(jìn)行鋼帶受力失穩(wěn)分析，在鋼帶未發(fā)生失穩(wěn)前，初始階段表示彈性變形，彈性范圍發(fā)生的變形和應(yīng)力路徑無關(guān)[4].

圍巖應(yīng)變可以根據(jù)鋼帶失穩(wěn)極限應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，然后使用midas模擬圍巖能否達(dá)到失穩(wěn)條件。

細(xì)長(zhǎng)壓桿失穩(wěn)-歐拉公式：

其中，E表示彈性模量；I表示截面主慣性矩；μ表示長(zhǎng)度系數(shù)；l表示壓感相當(dāng)長(zhǎng)度，距離等于2個(gè)彎距零點(diǎn)之間的長(zhǎng)度。

影響鋼帶失穩(wěn)變形的主要因素是：

即當(dāng)頂板固定鋼帶兩端錨索之間擠壓變形量為ε≥ε巖體的時(shí)候，鋼帶會(huì)發(fā)生失穩(wěn)變形，現(xiàn)數(shù)值模擬巷道頂板圍巖變形量，巖石物理參數(shù)見表1.

表1　巖石各項(xiàng)物理參數(shù)表

完成數(shù)據(jù)模擬之后，得出如圖4所示的結(jié)果。

圖4　巷道橫斷面水平變形圖

經(jīng)過對(duì)巷道頂板下表面橫向水平受到擠壓變形量的計(jì)算，得出0.31 m>0.010 34 m，此計(jì)算量表示鋼帶失穩(wěn)圍巖變形量[5]. 因此，頂板部分鋼帶容易被壓彎，產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，鋼帶失穩(wěn)后，在鋼帶兩個(gè)固定端之間會(huì)產(chǎn)生彎曲作用點(diǎn)，見圖5.

圖5　鋼帶彎曲后產(chǎn)生的力臂圖

5　鋼帶變形處理方式

鋼帶變形是影響煤礦巷道頂板支護(hù)的主要原因。當(dāng)鋼帶變形后，就會(huì)脫離巖體，失去支護(hù)，因此，將此種狀況作為改進(jìn)巷道支護(hù)的重點(diǎn)內(nèi)容，并提出以下建議：

5.1改變巷道形狀

當(dāng)巷道頂板條件符合要求時(shí)，可以將巷道設(shè)置為微拱形巷道。當(dāng)鋼帶受到外部擠壓后，不會(huì)發(fā)生向下拱起，保證鋼帶受彎后也會(huì)緊貼頂部巖層，防止鋼帶脫落巖層，見圖6.

圖6　微弧形巷道橫斷面示意圖

5.2使用打托盤對(duì)鋼板進(jìn)行支護(hù)

由于托盤相互間存在讓壓區(qū)，當(dāng)圍巖發(fā)生變形后，容易產(chǎn)生鋼帶變形，使用大托盤支護(hù)后，可以保證鋼帶的效果，避免沉降的產(chǎn)生，而影響支護(hù)效果。

5.3對(duì)巷道兩幫進(jìn)行支護(hù)

開挖煤巷后，巷道兩幫煤壁會(huì)因?yàn)閴毫Ψ謸?dān)產(chǎn)生片幫，不僅對(duì)井下工作人員的人身安全造成了很大影響，而且還影響了兩幫巖體的塑性，容易向煤柱根部擴(kuò)展，部位較淺的巖層會(huì)失去頂板壓力承擔(dān)，直接增加巷道截面闊度。所以，為了增加煤巷兩幫的穩(wěn)定性，提升頂板的穩(wěn)定性，應(yīng)在巷道開挖后，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，利用大幫錨和掛網(wǎng)等方法提升巷道整體穩(wěn)定性。

5.4加強(qiáng)煤巷頂板支護(hù)體系

使用錨桿對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，可以提升頂板的剛度

和強(qiáng)度，同時(shí)增加了錨桿的預(yù)緊力，保證頂板下各個(gè)巖層擠壓緊密，提升了下部巖層對(duì)上部巖層的承載，減少了各個(gè)頂板和巖層間發(fā)生的離層現(xiàn)象。利用錨索的長(zhǎng)度優(yōu)勢(shì)，可以將頂板下部懸吊在頂板中巖性穩(wěn)定的巖層中，減少了復(fù)合頂板深部各個(gè)巖層發(fā)生的離層現(xiàn)象，同時(shí)提升了巖層承載力。在錨桿預(yù)緊力的作用下還可以減少開挖前期產(chǎn)生的離層和沉降量，提升了頂板承載力。但是由于頂板巖層中部發(fā)育慢，容易產(chǎn)生頂板面裂縫和掉渣問題，必須利用支護(hù)面積大、剛度大的鋼筋網(wǎng)對(duì)表面進(jìn)行支護(hù)，減少頂板表面巖層脫落產(chǎn)生的安全問題，見圖7.

圖7　錨桿組合梁支護(hù)圖

6　結(jié)束語(yǔ)

煤礦支護(hù)一直是煤炭企業(yè)研究的主要問題，由于巷道穩(wěn)定支護(hù)是煤礦支護(hù)中比較常見的問題，所以必須對(duì)其進(jìn)行分析和研究。本文主要對(duì)煤礦巷道頂板鋼帶支護(hù)機(jī)理進(jìn)行分析，利用巷道部分鋼帶脫落圍巖技術(shù)，得出了巷道頂板支護(hù)鋼帶重點(diǎn)部分是支護(hù)斷面和鋼帶之間的耦合，可以為煤礦巷道頂板鋼帶支護(hù)提供參考。

[1]惠興田，韋正范，蘇培莉.自穩(wěn)隱形拱的研究與應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與保護(hù)，2014(11)：23-24.

[2]王博.大變形巷道錨網(wǎng)索支護(hù)研究與應(yīng)用[D].西安:西安科技大學(xué),2012：45-47.

[3]楊文君，李學(xué)文.淺談錨網(wǎng)索支護(hù)方式及支護(hù)效果分折[J].煤礦現(xiàn)代化,2015(6)：123-126.

[4]支永東，崔英哲，劉偉.煤礦順槽頂板鋼帶支護(hù)機(jī)理分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013(8)：45-48.

[5]史向東.煤巷復(fù)合頂板變形破壞機(jī)理及支護(hù)技術(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué),2013：234-238.

Analysis on Steel Belt Supporting Mechanism Based on Coal Mine Roadway Roof

MA Ning

Through analysis found that the deformation laws of roadway surrounding rock and the steel belt and the related research results have differences. According to the results, points out that the main cause of steel belt bending deformation is unstable between two anchor bolt. It affects the effect of steel belt supporting, and leads to lost the mechanical function. The study found that the key part of roadway roof support steel belt is interconnection of supporting section and steel belt. It can provide a reference for coal roadway roof steel belt supporting.

Coal mine; Roadway roof; Steel belt; Supporting mechanism

2016-04-04

馬寧(1986—)，男，山西臨縣人，2005年畢業(yè)于山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助理工程師，主要從事采礦技術(shù)管理工作

(E-mail)hyzfmkj@sina.com

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1672-0652(2016)05-0022-03