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        大斷面巖巷底鼓機(jī)理分析與控制技術(shù)研究

        2019-07-25 07:05:28李寶龍
        煤礦現(xiàn)代化 2019年5期
        關(guān)鍵詞:底鼓大巷巖層

        李寶龍

        (山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司 ,山西 陽泉 045008)

        0 引 言

        底鼓是深部巷道經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象之一,據(jù)有關(guān)現(xiàn)場調(diào)查表明,我國煤礦開采在底板無支護(hù)的情況下,底鼓占巷道頂?shù)装宓囊平康?/3~3/4,巷道底鼓的維修量占維修總量的50%[1]。國內(nèi)外學(xué)者對巷道底鼓原理以及控制技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究,如姜耀東、趙毅鑫等[2]認(rèn)為對于深部軟巖和中硬巖石巷道發(fā)生的為撓曲褶皺型底鼓,這種底鼓的機(jī)理是底板巖層在平行于層理方向的壓力即底板水平應(yīng)力的作用下向臨空方向撓曲褶皺失穩(wěn),從而致使巷道底鼓;康紅普院士[3]把巷道的底鼓分為:兩幫擠壓引起的底鼓、巖石擴(kuò)容引起的底鼓、巖石膨脹引起的底鼓,三種類型的底鼓類型分別適用與不同巖性的底板;陳宗基、李國富等[4,5]通過對復(fù)雜條件下軟巖巷道圍巖的變形進(jìn)行研究分析,得出影響巷道頂?shù)装宸€(wěn)定性的主要因素為水平構(gòu)造應(yīng)力,并同時(shí)建立了力學(xué)模型分析了頂?shù)装宓膽?yīng)力分布特征。本文只要對大斷面巖巷底鼓機(jī)理進(jìn)行分析,并針對+540m電機(jī)車輔助運(yùn)輸大巷底鼓問題提出三種治理辦法,通過數(shù)值模擬分析比較效果,得出卸壓槽+注漿錨索控制底板效果最好,并實(shí)際運(yùn)用于電機(jī)車輔助運(yùn)輸大巷取得良好工程效果。

        1 巷道底鼓機(jī)理及底板穩(wěn)定性分析

        1.1 巷道底鼓機(jī)理分析

        在煤礦巷道中,底板巖層以層狀賦存為主,如圖1所示,底板各巖層的穩(wěn)定性及位移量是影響巷道底鼓的主要因素,首先分析m1巖層的穩(wěn)定性及位移。

        圖1 巷道底板分層

        在巖體內(nèi)開掘巷道后,巷道圍巖會出現(xiàn)應(yīng)力重新分布,巷道底板巖層將承受支承壓力傳遞下來的軸向壓力N的作用,同時(shí)在軸向壓力的作用下會在梁的各截面上產(chǎn)生分布彎矩Wn會進(jìn)一步加劇底板巖層彎曲變形,當(dāng)巖層承受的軸向壓力超過其極限強(qiáng)度時(shí)巖層便會失穩(wěn),底板巖層破壞力學(xué)模型如圖2所示。

        圖2 底板巖層破壞力學(xué)模型

        底板巖層在軸向力N和重力q的作用下會產(chǎn)生彎曲變形,彎曲方程為:

        式中:q=m1γ為巷道跨度;I為組合梁抗彎截面模量;m1為組合梁上部抗彎層厚度;W為彎曲變形量;E為抗剪層剪切模量。對上式進(jìn)行整理變形,并令 k=N/EI,則有:

        當(dāng)sec kl/2→∞時(shí),ωmax→∞,這時(shí)巖梁便會在軸壓力N的作用下發(fā)生屈服破壞,即當(dāng)kl/2=π/2+nπ(n=0,1,2L,L)時(shí)有梁發(fā)生失穩(wěn)破壞的最小軸向力為

        以上對m1巖層的穩(wěn)定性及壓曲位移進(jìn)行了分析,運(yùn)用同樣的方法能對其余巖層進(jìn)行分析計(jì)算。底板底鼓主要時(shí)因?yàn)榈装甯鲙r層相繼失穩(wěn)破壞所導(dǎo)致,即當(dāng)m1巖層達(dá)到極限強(qiáng)度失穩(wěn)破壞后,在兩幫巖體的擠壓下會向巷道內(nèi)彎曲變形,對于其余巖層的破壞特征與m1巖層相似,底板會在支承壓力作用下一直破壞到穩(wěn)定巖層才會穩(wěn)定[6]。

        1.2 巷道底板穩(wěn)定性分析

        根據(jù)上述推導(dǎo)得出的底板巖層失穩(wěn)破壞臨界軸向力Ncr的計(jì)算表達(dá)式,假設(shè)底板巖層的側(cè)壓系數(shù)為λ,巷道圍巖所受到的最大支承壓力為K1γH,則能夠得出底板巖層受到的水平力N=λK1γH,故當(dāng)?shù)装鍘r層受到的最大水平力N≥Ncr時(shí),巖層便會發(fā)生失穩(wěn)破壞,表達(dá)式如下:

        由式(5)能夠分析得出影響巷道底板巖層穩(wěn)定性的因素主要為:巖層厚度、壓力集中系數(shù)、跨度。由表達(dá)式能夠得出巖層厚度m越大,巖層抵抗彎曲變形能力越強(qiáng),越不容易變形失穩(wěn);隨著巷道壓力集中系數(shù)的增大,底板巖層所受到的軸向力N也會逐漸增大,這便會導(dǎo)致巖層更容易失穩(wěn)破壞;在巷道埋深和圍巖條件確定后,巖層跨度也會對巖層的穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯影響,維護(hù)已掘巷道兩幫煤(巖)體的穩(wěn)定性,將圍巖應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移能夠有效的控制圍巖變形。

        2 巷道底鼓控制技術(shù)模擬分析

        2.1 工程概況與計(jì)算模型

        +540m水平電機(jī)車輔助運(yùn)輸大巷平均埋深為450m,巷道斷面為直墻半圓拱形,凈高度為5.5m,拱矢高為3m,凈寬度為6m,該巷道直接頂為2.9m的砂質(zhì)泥巖,該巷道底板巖層有泥巖、細(xì)粒砂巖、煤、砂質(zhì)泥巖,該巷道在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象,平均頂?shù)装逡平繛?.48m。根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)資料,建立計(jì)算模型,模型中各巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

        表1 巷道圍巖計(jì)算力學(xué)參數(shù)

        巷道支護(hù)參數(shù)為:錨桿采用φ20×2400mm,間排距為800mm×800mm,錨索選用φ18.96mm×8300mm,間排距為1600mm×1600mm,,錨索預(yù)緊力為200kN,錨桿錨固力為70kN。根據(jù)上述條件進(jìn)行模擬分析巷道底板在無支護(hù)狀態(tài)下圍巖Z位移云圖如圖3所示。

        圖3 底板未支護(hù)時(shí)Z方向的位移

        通過對底鼓機(jī)理的分析能夠得出引起巷道底鼓的主要原因?yàn)榈装鍘r性較弱,在支承壓力作用下底板軟弱巖層擠壓流動到巷道內(nèi)部,故現(xiàn)有控制底鼓的方法主要為三種:底板錨桿、錨索加固,巷道中部開設(shè)卸壓槽,卸壓槽和注漿錨索聯(lián)合支護(hù)。下面分別通過這三種方式對底板進(jìn)行處理后進(jìn)行出圖分析。

        1)通過在巷道底板與左幫、右?guī)途嚯x0.5m的位置處與垂直方向成30°打設(shè)長為2.4m的錨桿,底板錨桿的排距為0.8m,對底板運(yùn)用錨桿進(jìn)行加固支護(hù)后,巷道圍巖在Z方向的位移云圖如圖4所示。

        圖4 底角錨桿支護(hù)后圍巖Z方向位移云圖

        2)通過在巷道中部切深度為2.0m,寬度為0.5m的卸壓槽方案對巷道底鼓現(xiàn)象進(jìn)行治理時(shí),巷道圍巖在Z方向上的位移云圖如圖5所示。

        圖5 巷道中部切卸壓槽后圍巖在Z方向的位移云圖

        3)為了加強(qiáng)治理巷道底鼓的效果,對底板采用卸壓槽+注漿錨索的處理方案,該方案為在巷道中部切深度為2.0m,寬度為0.5m卸壓槽的基礎(chǔ)上配合底板注漿錨索對巷道底板進(jìn)行加固。底板錨索距幫部1m,垂直于底板進(jìn)行打設(shè),間排距為4000×1600mm。采用聯(lián)合支護(hù)方案后巷道圍巖Z方向的位移云圖如圖6所示。

        圖6 聯(lián)合支護(hù)后巷道圍巖Z方向的位移云圖

        通過對三種方案處理巷道底鼓問題進(jìn)行數(shù)值模擬,能夠得出底板錨桿在固定到泥巖時(shí)并不能很好的控制底鼓現(xiàn)象;在巷道中部切寬為0.5m,深為2.0m的卸壓槽能夠減小巷道的底鼓量,但會使得巷道破壞深度及破壞區(qū)域增大;采用聯(lián)合支護(hù)法時(shí)能夠有效的控制巷道底鼓,并且能夠使得巷道底板的破壞區(qū)域減小、卸壓槽的閉合程度減弱。

        3 大斷面底鼓控制技術(shù)實(shí)踐

        3.1 巷道底鼓控制方案

        針對+540m電機(jī)車輔助運(yùn)輸大巷在掘進(jìn)過程中遇到的底鼓問題,根據(jù)上述數(shù)值模擬的結(jié)果,采用的方案為在原有支護(hù)的基礎(chǔ)上配合底板切卸壓槽+注漿錨索來控制底板的彎曲變形,底板注漿錨索距幫部的距離為1m,間排距為4000×1600mm,垂直于底板打設(shè),采用聯(lián)合支護(hù)后的巷道斷面圖如圖7所示。

        圖7 聯(lián)合支護(hù)法巷道斷面示意圖

        3.2 工業(yè)性試驗(yàn)效果

        在+540m電機(jī)車輔助運(yùn)輸大巷未采用聯(lián)合支護(hù)方案時(shí)巷道頂?shù)装宓囊平繛?.48m,兩幫移近量為0.31m;在采用了卸壓槽+注漿錨索聯(lián)合支護(hù)方案后,頂?shù)装遄冃卧?5天左右后趨于穩(wěn)定,巷道的頂?shù)装逡平績H為0.04m,兩幫變形量在18天后趨于穩(wěn)定,兩幫移近量為0.02m,這說明采用卸壓槽+注漿錨索對巷道底板進(jìn)行處理后有效的控制了圍巖變形,卸壓槽+注漿錨索能夠有效控制巷道底鼓問題。

        4 結(jié) 論

        1)通過建立巷道底板力學(xué)模型,分析計(jì)算得出底板巖層失穩(wěn)破壞的撓度臨界解析解及最小軸向力。

        2)通過對三種治理底鼓的方法進(jìn)行數(shù)值模擬得出使用卸壓槽+注漿錨索控制巷道底鼓效果最好,能夠有效的控制底板鼓起量、減小巷道底板的破壞。

        3)針對+540m電機(jī)車輔助運(yùn)輸大巷底鼓問題,采用卸壓槽+注漿錨索方案控制底鼓,該方案實(shí)施后兩幫移近量約為0.02m,頂?shù)装逡平繛?.04m,圍巖控制效果顯著。

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