弱粘結(jié)復(fù)合頂板煤巷錨桿 (索)支護(hù)設(shè)計(jì)方法研究

張 輝 賈后省 馮井龍 陳 濤

(1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454003；2.級(jí)翔 (集團(tuán))級(jí)索煤礦，山東省滕州市，277500)

弱粘結(jié)復(fù)合頂板巷道主要存在于淺埋煤層，一般圍巖變形量不大，在常規(guī)錨桿 (索)承受能力之內(nèi)，頂板變形控制問題不大，但個(gè)別區(qū)域仍存在冒頂隱患。煤礦現(xiàn)場巷道支護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)踐中，大多是從宏觀的角度來研究一個(gè)井田、一個(gè)煤層的圍巖穩(wěn)定性，對(duì)于煤礦巷道頂板巖性和巖層結(jié)構(gòu)存在的時(shí)刻變化缺乏應(yīng)對(duì)的措施與手段，同一條巷道頂板穩(wěn)定性均為同一類別，均以一個(gè)煤層地質(zhì)綜合柱狀圖的巖層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行一刀切設(shè)計(jì)并將其結(jié)果用于整條巷道或整個(gè)盤區(qū)，以點(diǎn)代面、以偏概全，支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)選擇難以適應(yīng)煤巷頂板隨機(jī)變化的特點(diǎn)，這樣為杜絕個(gè)別區(qū)域的冒頂，難免造成地質(zhì)條件好的地段支護(hù)過剩，地質(zhì)條件不好的地段支護(hù)不足。本研究針對(duì)該問題提出基于巷道冒頂隱患級(jí)別的支護(hù)設(shè)計(jì)方法，以冒頂隱患分級(jí)結(jié)果為基礎(chǔ)，做到巖變我變，按照頂板巖層實(shí)際穩(wěn)定性級(jí)別進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，對(duì)于礦井支護(hù)設(shè)計(jì)的科學(xué)化、保證巷道頂板安全有指導(dǎo)意義。

1 巷道冒頂隱患級(jí)別支護(hù)設(shè)計(jì)方法特性

弱粘結(jié)復(fù)合頂板巷道普遍存在于淺埋煤層地應(yīng)力環(huán)境下，頂板變形通常較小，其頂板特點(diǎn)是頂板層狀特征顯著、各層位頂板之間粘結(jié)能力弱。采用傳統(tǒng)工程類比法、松動(dòng)圈測試法、理論計(jì)算法、數(shù)值模擬法直接進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)勢必造成支護(hù)缺乏科學(xué)合理性。巷道冒頂隱患分級(jí)是對(duì)頂板穩(wěn)定的綜合評(píng)價(jià)，以現(xiàn)場提供的地質(zhì)鉆孔柱狀圖、圍巖物理力學(xué)參數(shù)為主要依據(jù)，對(duì)不同煤層、不同區(qū)域頂板冒頂隱患進(jìn)行預(yù)測，實(shí)現(xiàn)弱粘結(jié)復(fù)合頂板巷道錨桿(索)支護(hù)差異化設(shè)計(jì)，同時(shí)輔助以理論計(jì)算支護(hù)方法進(jìn)行冒頂控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)該種巷道頂板冒頂控制設(shè)計(jì)的定量計(jì)算，這種分區(qū)域的差異化支護(hù)和冒頂控制設(shè)計(jì)定量計(jì)算是弱粘結(jié)復(fù)合頂板巷道支護(hù)科學(xué)合理的關(guān)鍵。

2 弱粘結(jié)復(fù)合頂板巷道冒頂隱患分級(jí)

大量研究結(jié)果與工程實(shí)踐表明，在距離頂板一定范圍內(nèi)均存在著一層或幾層對(duì)上覆巖層局部或直至地表的全部巖層起控制作用的穩(wěn)定巖層，該穩(wěn)定巖層可作為支護(hù)體懸吊載荷的基點(diǎn)，因此可以將穩(wěn)定巖層距頂板的距離作為巷道冒頂隱患分級(jí)的指標(biāo)。

2.1 穩(wěn)定巖層的識(shí)別

單層巖層的穩(wěn)定跨距可以用材料力學(xué)方法求得，圖1所示為兩端固支梁的受力分析。

圖1 頂板表層巖層受力分析

已知梁內(nèi)任意點(diǎn)的拉應(yīng)力σ為:

式中:σ——梁內(nèi)任意點(diǎn)的拉應(yīng)力，MPa；

M——A點(diǎn)在斷面的彎矩，N·m；

y——A點(diǎn)離梁下邊界的距離，m；

Jz——對(duì)稱中性軸的斷面距 (取梁為單位寬度)，m3；

h——老頂巖層的單層厚度，m。任意點(diǎn)A的拉應(yīng)力為:

根據(jù)固支梁的計(jì)算，最大彎矩發(fā)生在梁的兩端，則應(yīng)滿足條件:

式中:L——梁的跨度，m。

將式 (3)代入式 (2)，可得該處的最大拉應(yīng)力σmax為:

當(dāng)巖層在該處的拉應(yīng)力σmax達(dá)到該處的極限抗拉強(qiáng)度RT時(shí)，即σmax＝RT時(shí)，巖層將在該處拉裂。根據(jù)組合梁原理，一直考慮到n層對(duì)目標(biāo)巖層影響時(shí)的載荷，即 (qn)x，一般頂板的巖層由好幾層巖層組成。因此，計(jì)算頂板巖梁的極限跨距所應(yīng)考慮載荷的大小須根據(jù)各層之間的相互影響來定，由此可得:

式中:(qn)x——巖層上方載荷，kN／m；

E1～En——第1～n層巖層的彈性模量，MPa；

h1～hn——第1～n層巖層的厚度，m；

γ1～γn——第 1～n層 巖 層 的 體 積 力，kN／m3。

根據(jù)式 (4)，在不考慮采動(dòng)影響時(shí)，頂板目標(biāo)巖層的極限跨距為:

式中:Lx——頂板目標(biāo)巖層的極限跨距，m；

hx——目標(biāo)巖層的厚度，m；

RT——目標(biāo)巖層極限抗拉強(qiáng)度，MPa。

大量研究表明，當(dāng)回采工作面推進(jìn)時(shí)，在回采巷道中引起的采動(dòng)壓力跟巷道直接頂厚度與采高的比值有關(guān)，通常以巷道直接頂厚度與采高的比值代替回采期間回采巷道受采動(dòng)影響程度。

在受一次采動(dòng)時(shí)采動(dòng)影響集中系數(shù)一般為2.5，在直接頂?shù)暮穸葹椴筛叩?倍時(shí)，采動(dòng)影響集中系數(shù)最小，所以在受一次采動(dòng)影響時(shí)的采動(dòng)影響系數(shù)為:

在受二次采動(dòng)時(shí)采動(dòng)影響集中系數(shù)一般為3.5，在直接頂?shù)暮穸葹椴筛叩?倍時(shí)，采動(dòng)影響集中系數(shù)最小，所以在受二次采動(dòng)影響時(shí)的影響系數(shù)為:

式中:h直接頂——直接頂厚度，m；

h采高——采高，m。

考慮采動(dòng)影響系數(shù)與巖體強(qiáng)度影響系數(shù) (巖體強(qiáng)度與巖石強(qiáng)度的比值，一般情況下可取0.65)，結(jié)合頂板目標(biāo)巖層的極限跨距，采動(dòng)影響條件下可確定淺埋深條件下穩(wěn)定巖層的跨度判別公式為:

式中:f采——采動(dòng)影響系數(shù)；

f強(qiáng)——強(qiáng)度影響系數(shù)；

a——巷道斷面半寬，m。

2.2 巷道冒頂隱患分級(jí)

根據(jù)式 (9)，對(duì)復(fù)合巷道頂板由淺至深進(jìn)行巖層穩(wěn)定性判別，找出穩(wěn)定巖層，以穩(wěn)定巖層與巷道頂板的距離為指標(biāo)，進(jìn)行巷道冒頂隱患分級(jí)，級(jí)別劃分結(jié)果如表1所示，各級(jí)別巷道冒頂特點(diǎn)與冒頂高度模型如圖2所示。

表1 巷道冒頂隱患分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與各級(jí)頂板特征

根據(jù)李家壕煤礦地質(zhì)鉆孔資料，對(duì)每個(gè)地質(zhì)狀況進(jìn)行穩(wěn)定巖層判別分析，根據(jù)判別結(jié)果，運(yùn)用suffer成圖軟件繪制出李家壕煤礦2-2中煤巷道頂板冒頂隱患分級(jí)圖，見圖3，礦井東北方向以Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)為主，西南方向以Ⅲ級(jí)為主，局部存在Ⅳ級(jí)頂板。

圖2 不同級(jí)別冒頂隱患巷道冒頂特點(diǎn)與冒頂高度模型

圖3 李家壕煤礦2-2中煤巷道冒頂隱患級(jí)別劃分結(jié)果

3 弱粘結(jié)復(fù)合頂板巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

I級(jí)、Ⅱ級(jí)巷道的穩(wěn)定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍內(nèi)，頂板為板狀垮落，應(yīng)采用懸吊理論進(jìn)行巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)；Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)巷道的穩(wěn)定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍以外，頂板成冒落拱結(jié)構(gòu)應(yīng)采用冒落拱理論進(jìn)行巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)。

3.1 Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)頂板巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法

Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)巷道的穩(wěn)定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍內(nèi)，如圖4(a)所示，頂板為板狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用懸吊理論進(jìn)行巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)。

(1)頂板錨桿 (索)長度。頂板錨桿 (索)長度計(jì)算:

式中:l1——錨桿 (索)外露長度，取決于錨桿(索)托盤厚度、螺母厚度，m；

l2——錨桿 (索)有效長度，應(yīng)該大于等于被懸吊巖層的厚度，m；

l3——錨桿 (索)錨固長度，一般取0.5～1.0m，應(yīng)由拉拔試驗(yàn)確定。

圖4 Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)頂板支護(hù)設(shè)計(jì)模型

(2)頂板錨桿 (索)間排距設(shè)計(jì)。

根據(jù)每根錨桿 (索)懸吊載荷大小確定錨桿(索)間距N1和排距N2，即錨桿 (索)懸吊巖石的載荷PV小于等于錨桿 (索)的承載力Q，則考慮安全系數(shù)的情況下有:

式中:N1——錨桿 (索)間距，m；

N2——錨桿 (索)排距，m；

γ——懸吊巖石容重，kN／m3；

PV——懸吊巖石的載荷，kN／m；

Q——錨桿 (索)的承載力，kN；

m——安全系數(shù)。

3.2 Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)頂板支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法

Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)巷道的穩(wěn)定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍以外，如圖4(b)所示，頂板成冒落拱結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用冒落拱理論進(jìn)行巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)。

普氏從松散、破裂巖石出發(fā)，導(dǎo)得天然拱的高度:

在計(jì)算過程中，考慮安全系數(shù)，則天然拱高度計(jì)算公式為:

式中:h0——天然拱高度，m；

f——巖石普式硬度系數(shù)；

b——隧硐半寬或當(dāng)須考慮側(cè)壓力時(shí)為滑動(dòng)楔形上頂之半寬，m；

H——巷道掘進(jìn)高度，m；

θf——巖 (煤)體的內(nèi)摩擦角，(°)。

Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)錨桿 (索)長度主要取決于頂板冒落拱高度，必須確保將冒落拱區(qū)域內(nèi)破碎巖石穩(wěn)定懸吊，其長度主要包括錨桿 (索)外露長度、有效長度、錨固長度，仍同樣由式 (10)得出，巷道每排需要的錨桿 (索)根數(shù)為:

根據(jù)以上分析，依據(jù)式 (10)可分別確定各級(jí)別巷道錨桿 (索)長度，根據(jù)式 (11)和式 (14)可以分別確定各級(jí)別巷道錨桿 (索)支護(hù)密度，實(shí)際計(jì)算時(shí)，先是根據(jù)施工工藝與巷道寬度確定錨桿(索)間距，隨后計(jì)算得出錨桿 (索)排距。當(dāng)巷道跨度為5m時(shí)，根據(jù)上述設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，頂板采用普通錨桿＋錨索聯(lián)合支護(hù)形式時(shí)，5m跨度條件下弱粘結(jié)復(fù)合頂板煤巷支護(hù)設(shè)計(jì)參照標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，以此為標(biāo)準(zhǔn)，便可以確定不同冒頂隱患級(jí)別巷道的具體支護(hù)參數(shù)。

圖5 試驗(yàn)巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果

4 支護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)圖3所示的冒頂隱患分級(jí)結(jié)果，主要級(jí)別是Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)，Ⅰ級(jí)和Ⅳ級(jí)較少，在現(xiàn)場生產(chǎn)條件允許的情況下，支護(hù)設(shè)計(jì)僅針對(duì)Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)，應(yīng)用表2所示的參照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)李家壕2-2中煤11211運(yùn)輸巷進(jìn)行了錨桿 (索)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。并對(duì)巷道進(jìn)行了表面位移觀測，觀測結(jié)果如圖5所示，可以看出，試驗(yàn)巷道兩側(cè)的Ⅱ級(jí)頂板下沉量多在40～80mm，距離巷口位置較近的區(qū)域局部達(dá)到70～100mm，中部Ⅲ級(jí)頂板下沉量在60～100mm，巷道總體變形量不大，滿足設(shè)計(jì) 要求，服務(wù)期間未出現(xiàn)冒頂事故。

表2 巷道跨度5m時(shí)錨桿 (索)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)參照標(biāo)準(zhǔn)

表3 試驗(yàn)巷道錨桿 (索)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

5 結(jié)論

(1)形成了弱粘結(jié)復(fù)合頂板巷道冒頂隱患分級(jí)方法，將頂板分為4個(gè)級(jí)別，為不同圍巖條件巷道的差異支護(hù)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

(2)確定了以巷道冒頂隱患分級(jí)為基礎(chǔ)的理論計(jì)算方法進(jìn)行錨桿 (索)支護(hù)巷道冒頂控制設(shè)計(jì)。Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)巷道的穩(wěn)定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍內(nèi)，頂板為板狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用懸吊理論進(jìn)行巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)；Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)巷道的穩(wěn)定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍以外，頂板成冒落拱結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用冒落拱理論進(jìn)行巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)。

(3)基于巷道冒頂隱患分級(jí)與支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法研究，給出了不同頂板級(jí)別條件下的頂板錨桿(索)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)參照標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果良好。

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