劉 沖,史莉紅,張衛(wèi)強(qiáng)

(陽(yáng)煤集團(tuán)山西新元煤炭有限責(zé)任公司, 山西 陽(yáng)泉市 045000)

0 引 言

隨著煤礦開采深度的不斷增加,原巖應(yīng)力增大,巖體應(yīng)力環(huán)境以及巖體物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生較大變化,造成巷道圍巖穩(wěn)定性差,巷道維護(hù)困難等一系列問題[1-2]。

高水平應(yīng)力是影響深部巷道穩(wěn)定性的重要因素之一[3-5],但在現(xiàn)有資料所涉及的錨固巖梁力學(xué)模型中并未考慮高水平應(yīng)力的影響;另一方面,深部巷道開挖后,隨著巷道變形,塑性區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移,巖梁的跨度將會(huì)增大?；谝陨蟽牲c(diǎn),結(jié)合新元礦深部煤巷圍巖具體條件,建立新的錨固巖梁力學(xué)模型,對(duì)實(shí)現(xiàn)深部煤巷支護(hù)的穩(wěn)定,降低巷道成本,保障巷道的施工和安全使用,具有重要的意義。

1 煤巷地質(zhì)條件

新元礦3108皮帶順槽標(biāo)高為-940~-985 m,巷道斷面為矩形,凈寬為3．6 m,凈高為2．8 m。巷道采用常規(guī)錨桿、金屬網(wǎng)、鋼筋梯及錨索支護(hù)方式。3108軌道順槽基本概況除掘進(jìn)方式采用炮掘以外,同3108膠帶順槽。順槽所處區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜,煤層傾角2°~9°,平均5°。頂板巖性以泥巖、中砂巖為主,底板巖性以泥巖、細(xì)砂巖、中砂巖為主。

2 力學(xué)模型建立

2．1 未加錨巖梁力學(xué)模型

圖1(a)為未加錨頂板示意圖,對(duì)其進(jìn)行受力分析,簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁,簡(jiǎn)化結(jié)果如圖1(b)所示。根據(jù)材料力學(xué)梁的縱橫彎曲理論,對(duì)未加錨頂板力學(xué)模型求解。

圖1 未加錨巖梁力學(xué)模型

在梁的上覆均布荷載q和軸向力F的共同作用下,巖梁任意截面x上產(chǎn)生的彎矩為:

式中,y為梁的撓度;B為梁的長(zhǎng)度;x為巖梁截面距離端面的距離。

進(jìn)而得到撓曲線的微分方程為:

式中,E為拉伸彈性模量;I為慣性矩。

引入記號(hào)k2＝, 代入變換得:

其通解為:

由邊界條件x＝0,y＝0及x＝B,y＝0得:

當(dāng)滿足一定條件時(shí)可以對(duì)撓曲線方程(5)做適當(dāng)簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化的前提條件與頂板巖性有關(guān)。由于k＝,則當(dāng)頂板巖梁的彈性模量E較大時(shí),F相比于E是小量級(jí)參數(shù),即:

所以撓曲線方程(5)可以簡(jiǎn)化為:

由Mmax和F得:

式中,F為軸向力;A為你巖梁橫截面面積;W為抗彎剛度系數(shù);[σ]為巖石極限抗拉強(qiáng)度。

對(duì)式(9)進(jìn)行變換得未加錨巖梁跨度:

2．2 加錨巖梁力學(xué)模型

當(dāng)頂板加錨支護(hù)后,如圖2(a)所示,錨桿的錨固力將起到抑制頂板下沉的作用,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,將多個(gè)錨固力轉(zhuǎn)化為布置在B2上的錨固力均布載荷P簡(jiǎn)化后的頂板力學(xué)模型如圖2(b)所示。采用與未加錨頂板力學(xué)模型相同的求解方式,最終解得:

通過式(13)得到錨桿根數(shù)n、錨固圍巖穩(wěn)定系數(shù)η、巖梁跨度B2等的關(guān)系式,當(dāng)各參數(shù)確定后,錨桿根數(shù)n便隨之確定。

圖2 加錨巖梁力學(xué)模型

3 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

3．1 錨桿參數(shù)計(jì)算

3．1．1 錨桿根數(shù)計(jì)算

通過現(xiàn)場(chǎng)鉆孔電視探測(cè)發(fā)現(xiàn)塑性區(qū)范圍深入巷幫2 m,故取x＝2 m,已知巷道寬度L＝4．6 m,由公式B2＝2x＋L計(jì)算可得:B2＝8 m。

將各已知參數(shù)代入式(13)得到函數(shù)式:

式(14)對(duì)應(yīng)的函數(shù)曲線如圖3所示。由圖3可知,隨著穩(wěn)固系數(shù)取值的不斷增大,錨桿根數(shù)逐漸增加,最值n收斂于5,之后不再變化,故取n＝5。當(dāng)頂板錨桿根數(shù)為5時(shí),能最大限度地保證頂板支護(hù)的安全穩(wěn)定。

3．1．2 錨桿長(zhǎng)度計(jì)算

式中,Lg為錨桿長(zhǎng)度,m;H為冒落拱高度,為0．46 m;K為安全系數(shù),一般取K＝2;L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度,一般按經(jīng)驗(yàn),取0．5 m;L2為錨桿在巷道中的外露長(zhǎng)度,一般取0．1 m。

則計(jì)算得:Lg＝1．52 m。

圖3 函數(shù)曲線變化

3．1．3 錨桿間排距計(jì)算

通常錨桿間排距相等,取為a:

式中,a為錨桿間排距,m;Q為錨桿設(shè)計(jì)錨固力,120 k N/根;H為冒落拱高度,取0．46 m;ρ為被懸吊砂巖的重力密度,取25 k N/m3。

通過計(jì)算及結(jié)合巷道掘進(jìn)過程中所揭露巖石的賦存狀況和巖體層理厚度、層間結(jié)構(gòu)關(guān)系,決定巷道頂部采用Φ22 mm×2400 mm的高強(qiáng)錨桿,間排距為900 mm×800 mm;幫部采用Φ20 mm×2200 mm的全螺紋錨桿,間排距為1000 mm×800 mm,能滿足支護(hù)要求。

3．2 錨索參數(shù)計(jì)算

3．2．1 錨索長(zhǎng)度計(jì)算

式中,Ls為錨索長(zhǎng)度,m;La為錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長(zhǎng)度,m;Lb為需要懸掛的不穩(wěn)定巖層厚度,取2．0 m;Lc為上托盤及鎖具的厚度,取0．2 m;Ld為需要外露的張拉長(zhǎng)度,取0．25 m。

錨索錨固長(zhǎng)度La按式(18)確定:

式中,K為安全系數(shù),取K＝2;d1為錨索鋼絞線直徑,取17．8 mm;fa為錨索鋼絞線抗拉強(qiáng)度,取1860 N/mm2;fc為錨索與錨固劑的粘合強(qiáng)度,取10 N/mm2。

則:La≥1．655 m;Ls＝4．15 m。

根據(jù)計(jì)算,錨索長(zhǎng)度取6500 mm。

3．2．2 錨索間排距計(jì)算

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)錨索間排距應(yīng)滿足不大于孔深的一半,即6300 mm/2K＝2625 mm(K為安全系數(shù),取1．2)。

設(shè)計(jì)取錨索間距1．3 m,排距2．4 m＜2．625 m。

根據(jù)以上計(jì)算,頂部采用長(zhǎng)度6500 mm,直徑為17．8 mm的鋼絞線錨索,間排距1300 mm×2400 mm,符合要求。

3．3 支護(hù)方案確定

(1)頂板支護(hù)。頂板布置高強(qiáng)錨桿,數(shù)量為每排5根,規(guī)格為Φ22 mm×2400 mm,間排距為900 mm×800 mm。錨索每排2根,錨索規(guī)格Φ17．8 mm×6500 mm,間排距為1300 mm×2400 mm,每根錨索采用3支MSK2550樹脂錨固劑錨固。頂部錨桿錨固力不小于120 k N,預(yù)緊力矩不小于260 N·m,錨索預(yù)應(yīng)力不小于120 k N。

(2)兩幫支護(hù)。兩幫每排布置6根等強(qiáng)錨桿,規(guī)格為Φ20 mm×2200 mm,間排距為1000 mm×800 mm。兩幫網(wǎng)片采用塑料網(wǎng)2500 mm×2000 mm,幫部預(yù)緊力矩不小于160 N·m,錨固力不小于80 k N。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4．1 巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

利用預(yù)先布置的十字測(cè)點(diǎn)對(duì)巷道斷面進(jìn)行為期一個(gè)月的監(jiān)測(cè),獲得了巷道頂板下沉量、兩幫移近量、頂?shù)装逡平康纫幌盗斜砻嫖灰茢?shù)據(jù),并對(duì)其整理,繪制成表面位移監(jiān)測(cè)曲線圖,具體如圖4所示。

圖4 3108膠帶順槽表面位移監(jiān)測(cè)曲線

由圖4可知:該巷道的頂板下沉量、頂?shù)装逡平俊蓭鸵平糠謩e約為124,210,140 mm。頂板下沉量在巷道掘進(jìn)15 d左右趨于穩(wěn)定,之后變化微小。兩幫移近量前8 d內(nèi)變化量基本恒定,最終在巷道掘進(jìn)10 d后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的移近量。

4．2 錨桿(錨索)受力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

使用錨桿(錨索)測(cè)力計(jì)對(duì)3108膠帶順槽進(jìn)行了監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 錨桿(錨索)受力監(jiān)測(cè)曲線

由圖5可知:初期對(duì)錨桿、錨索施加的預(yù)緊力基本滿足支護(hù)設(shè)計(jì)要求。在巷道掘進(jìn)初期,錨桿、錨索受力顯著增加,持續(xù)15 d左右,之后維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值,頂錨索、頂錨桿、左幫錨桿和右?guī)湾^桿最終受力大小分別為110,96,68,57 k N。

5 結(jié) 論

根據(jù)新元礦3108順槽地質(zhì)情況,利用理論計(jì)算的方法對(duì)煤巷支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),得到以下結(jié)論:

(1)基于高水平應(yīng)力影響巷道穩(wěn)定性以及巖梁跨度隨巷道變形而增大2個(gè)因素,建立新的錨固巖梁力學(xué)模型,對(duì)深部煤巷支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),得出新元礦3108順槽具體支護(hù)參數(shù):頂板每排布置5根錨桿,采用Φ22 mm×2400 mm高強(qiáng)錨桿,間排距為900 mm×800 mm;兩幫布置6根錨桿,采用Φ20 mm×2200 mm全螺紋錨桿,間排距1000 mm×800 mm;頂板錨索每排2根,錨索規(guī)格為Φ17．8 mm×6500 mm,間排距為1300 mm×2400 mm。

(2)對(duì)順槽施加支護(hù)后,巷道頂板下沉量、頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平孔畲笾捣謩e為124,210,140 mm;巷道頂錨索、頂錨桿、左幫錨桿和右?guī)湾^桿受力最終維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值,最大值分別為110,96,68,60 k N。設(shè)計(jì)的支護(hù)方式能有效的抑制巷道的變形破壞,保證巷道支護(hù)安全,支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。