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        多軟弱夾層的巷道頂板穩(wěn)定特性及支護(hù)設(shè)計(jì)分析

        2019-05-31 05:55:10方珍珠
        山東工業(yè)技術(shù) 2019年15期
        關(guān)鍵詞:支護(hù)設(shè)計(jì)

        方珍珠

        摘 要:只有在多層軟弱夾層的條件下對(duì)巷道內(nèi)部的復(fù)合頂板力學(xué)模型進(jìn)行有效地分析,并有效地分析內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征和離層破壞的機(jī)理。才能夠以其他類型的基本原理為基礎(chǔ)提出以巷道頂板錨固支護(hù)參數(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算方法。從研究的結(jié)果來(lái)看,多個(gè)軟弱夾層內(nèi)部的復(fù)合頂板都會(huì)在實(shí)際操作的過(guò)程中出現(xiàn)頂板離層的現(xiàn)象,從而使得頂板的剛度有所下降,最終也就會(huì)出現(xiàn)頂板破裂和冒落的現(xiàn)象。又因?yàn)轫敯甯鲗又g的彎曲撓度之間存在差異,所以,通過(guò)錨桿就會(huì)形成一種頂板的組合,從而使得組合形成一定的強(qiáng)度。因?yàn)槿绻麤](méi)有頂板強(qiáng)度的支撐,則很容易因此發(fā)生離層的現(xiàn)象,從而使得巖梁的兩端出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象。本文結(jié)合多軟弱夾層的巷道頂板穩(wěn)定特性對(duì)其支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

        關(guān)鍵詞:多軟弱夾層;巷道頂板;穩(wěn)定特性;支護(hù)設(shè)計(jì)

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.059

        0 引言

        雖然我國(guó)煤炭資源的儲(chǔ)備量非常豐富,但是,在煤炭資源開(kāi)采的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)諸多困難和挑戰(zhàn)。與煤炭資源相關(guān)的存賦條件會(huì)使得煤炭開(kāi)采的過(guò)程中出現(xiàn)頂板坍塌的事故。我國(guó)在2007年-2014年的幾年時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)多起因?yàn)轫敯鍐?wèn)題而引發(fā)的事故,占據(jù)總事故的60%,造成了約30.28%。為了能夠有效地預(yù)防多軟弱夾層巷道頂板安全事故的發(fā)生,有效地研究頂板的特性,并在之后對(duì)其支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析顯得尤為必要。

        1 含數(shù)層軟弱夾層的復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)的破壞特征

        多數(shù)層數(shù)的堅(jiān)硬的復(fù)合頂板在頂板區(qū)域的內(nèi)部有多個(gè)軟弱的夾層。間隔的夾層存在于頂板之間各個(gè)堅(jiān)硬的巖層中間。巷道一旦被開(kāi)挖之后,巷道頂板巖層附近會(huì)形成兩端固定支梁的結(jié)構(gòu)。在荷載力的作用下,頂板會(huì)因此發(fā)生彎曲。又因?yàn)楦鱾€(gè)巖層內(nèi)部的力學(xué)性質(zhì)會(huì)不同,各個(gè)巖層的彎曲和下沉的量也會(huì)不同,從而使得巖層容易在之后出現(xiàn)離層的現(xiàn)象[1]。軟弱的夾層位于堅(jiān)硬的巖層之間,之后會(huì)發(fā)生被塑性破壞的現(xiàn)象,從而使得堅(jiān)硬巖層之間的離層之間的距離進(jìn)一步加大,各個(gè)巖層之間也就容易形成單獨(dú)的結(jié)構(gòu),從而使得巖層的抗彎截面系數(shù)進(jìn)一步減小巖梁截面的彎曲正應(yīng)力也會(huì)因此增大。巖層的兩端也會(huì)因此產(chǎn)生破壞而最終形成一個(gè)簡(jiǎn)易的巖梁。

        簡(jiǎn)支的巖梁在自身載荷作用下,會(huì)使得內(nèi)部的彎矩變得最大。如果一旦內(nèi)部的彎曲正應(yīng)力大于巖梁的抗壓強(qiáng)度,那么則很有可能因?yàn)楸黄茐亩纬扇q拱式的結(jié)構(gòu),最終又會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)垮落的現(xiàn)象。

        2 頂板離層的條件

        (1)頂板離層的載荷條件。頂板是堅(jiān)硬的巖層和軟弱的夾層中間存在的交替性的復(fù)合形式。在實(shí)際分析的過(guò)程中,可以通過(guò)引用關(guān)鍵層的理論來(lái)對(duì)頂板內(nèi)部本身的離層條件進(jìn)行分析,其主要計(jì)算的公式如下:

        (qn)1=E1H13(p1gh1+p2gh2+…+pnghn)/E1h13+E2h23+…Enhn3) (1)

        式子中的(qn)1本身也直接考慮到了n層巖層對(duì)第1層的影響,并在之后形成有效的載荷。其中,hi、p1、Ei分別代表各個(gè)巖層的厚度、密度和彈性模量。

        在計(jì)算的過(guò)程中,需要依次將頂板內(nèi)部各個(gè)巖層的參數(shù)有效地代入,之后再按照從下往上的方式依次進(jìn)行計(jì)算。如果計(jì)算的結(jié)果中出現(xiàn)了(qn)1>(qn+1)1的情況,則第n層和第n+1層就會(huì)因此出現(xiàn)離層。在計(jì)算的過(guò)程中,一定要按照順序來(lái)進(jìn)行有效地計(jì)算,一直到堅(jiān)硬而穩(wěn)固的巖層。在有關(guān)背景下,上述式子也會(huì)出現(xiàn)不成立的現(xiàn)象。

        (2)頂板里層的撓度條件。以上述的各個(gè)關(guān)鍵層為基礎(chǔ)來(lái)有效地計(jì)算兩端固定支梁與關(guān)鍵層有關(guān)的撓度。其主要的計(jì)算公式如下“

        Ymax,i=qiB4/32Eihi3 (2)

        算式中的ymax,i表示第i個(gè)關(guān)鍵層內(nèi)部的最大撓度。qi則表示第i個(gè)關(guān)鍵層內(nèi)部所受到的荷載。從第一個(gè)算式中可以求得如下的結(jié)果:Ei和hi本身表示同樣的意思。B本身是巷道兩幫失去穩(wěn)定性之后巷道內(nèi)部的寬度,本身也屬于最不穩(wěn)定的巷道寬度。B=a+2b。對(duì)b采用如下的取值方式:如果兩幫沒(méi)有發(fā)生破壞,b=0。如果兩幫在使用的過(guò)程中發(fā)生破壞,則b=H×cotθ。其中的θ=π/4+φ/2。其中,φ表示巖石內(nèi)部出現(xiàn)的摩擦角。

        3 支護(hù)相關(guān)形式和參數(shù)

        (1)錨桿的長(zhǎng)度。一般設(shè)定錨桿的長(zhǎng)度為L(zhǎng)g,主要的計(jì)算方式如下:

        Lg=Lgl+Lg2+Lg3

        從式子中可以看出,錨桿外露的長(zhǎng)度為L(zhǎng)gl=0.1-0.16m,Lg2為錨桿的長(zhǎng)度。對(duì)于含數(shù)層軟弱夾層的復(fù)合頂板而言,可以定位巷道頂板表面到錨固體上一層巖層下表面之間的距離,并將Lg3作為錨桿錨固本身的長(zhǎng)度,并在之后配合拔拉試驗(yàn)來(lái)有效地進(jìn)行。

        (2)錨索的作用形式。如果錨固體本身的強(qiáng)度較低,那么可以設(shè)錨索對(duì)錨固體單位面積的作用力為Ps。

        當(dāng)錨固體本身的結(jié)構(gòu)就已經(jīng)比較穩(wěn)定時(shí),那么就尤其需要采用錨索支護(hù)來(lái)提高巷道頂板的穩(wěn)定性。必要時(shí)需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)內(nèi)部的數(shù)據(jù)來(lái)模擬取值。

        (3)錨索的長(zhǎng)度Ls。錨索長(zhǎng)度:

        Ls=Ls1+Ls2+Ls3

        算式中的Ls1一般被設(shè)定為0.2m,式子中的Ls2為錨固體的厚度,式子中的Ls3主要可以由拉拔的試驗(yàn)確定,注意讓其厚度不小于0.5m。

        4 實(shí)際案例運(yùn)用

        某山西煤礦工程9#-10#煤層之間的平均厚度為1.93m,內(nèi)部含有0-2層夾矸。其頂板被設(shè)定為典型的含有數(shù)層軟弱夾層的堅(jiān)硬的復(fù)合頂板。

        整個(gè)煤層的9#+10#的南回風(fēng)大巷內(nèi)部存在著矩形斷面,并將斷面的尺寸設(shè)定為4200mm×2500mm,并在之后采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合的方式進(jìn)行支護(hù)。頂板巖層中3層的石灰?guī)r主要被設(shè)定為關(guān)鍵分層。從上往下的載荷分別為19.82kPa、33.86kPa和62.6kPa。經(jīng)過(guò)計(jì)算可以知道,各個(gè)關(guān)鍵層最大的撓度分別被設(shè)定為137.43mm、88.53mm和40.00mm[2]。由于整個(gè)撓度是呈現(xiàn)從下往上依次減小的趨勢(shì),這進(jìn)一步說(shuō)明各個(gè)關(guān)鍵層之間發(fā)生了離層的現(xiàn)象。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        本文結(jié)合實(shí)際的案例主要就多軟弱夾層的巷道頂板穩(wěn)定特性進(jìn)行全面地分析,并全面地對(duì)有關(guān)支護(hù)的參數(shù)進(jìn)行全面的分析。只有設(shè)定好支護(hù)的參數(shù)和支護(hù)的形式,才能夠讓錨桿支護(hù)的過(guò)程更加順利地進(jìn)行。

        參考文獻(xiàn):

        [1]岳中文,楊仁樹(shù),閆振東等.復(fù)合頂板大斷面煤巷穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2015(04):139-143.

        [2]張鎮(zhèn),康紅普,王金華.煤巷錨桿—錨索支護(hù)的預(yù)應(yīng)力協(xié)調(diào)作用分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2016(04):46-53.

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