小回溝煤礦松碎圍巖巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)
——基于拱-梁耦合理論

朱雨田，郭興明

（山西大同大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，山西大同 037003）

山西小回溝煤業(yè)有限公司小回溝煤礦位于太原市清徐縣西北15 km 處，井田面積33.587 7 km2，開采深度+958～+630 m，生產(chǎn)能力3.0 Mt/a。目前主要開采2#煤層，上覆山體埋深達(dá)到700 m，煤層頂板屬于不穩(wěn)定復(fù)合頂板。

2#煤層開拓大巷的西輔運(yùn)大巷為6 240×4 570 mm矩形斷面，按懸吊理論設(shè)計(jì)，采用錨、索、網(wǎng)、噴聯(lián)合支護(hù)形式。成巷1 個(gè)月后，經(jīng)現(xiàn)場勘查，出現(xiàn)強(qiáng)烈底鼓、頂板圍巖開裂、兩幫移近現(xiàn)象，部分區(qū)段巷道支護(hù)失效。經(jīng)現(xiàn)場勘查和理論分析，認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的主要原因是初期支護(hù)按照懸吊支護(hù)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]，單純地考慮了支護(hù)強(qiáng)度，未充分考慮不穩(wěn)定頂板巖層容易風(fēng)化的因素，導(dǎo)致支護(hù)完畢后頂板風(fēng)化成細(xì)碎的巖粒，細(xì)碎巖粒掉落，造成支護(hù)失效。為了控制巷道圍巖變形、減弱礦壓顯現(xiàn)，決定對2#煤層2203工作面順槽巷道的支護(hù)采用拱-梁耦合理論進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。

1 基于理論計(jì)算的錨桿支護(hù)參數(shù)

拱-梁耦合理論機(jī)理認(rèn)為：淺部錨桿形成組合梁結(jié)構(gòu)，控制淺部頂板的彎曲拉伸破壞和離層撓曲破壞，提高了淺部圍巖的完整性，可以為高預(yù)應(yīng)力錨索托盤提供穩(wěn)定的布置點(diǎn)，從而更好地提高預(yù)應(yīng)力，發(fā)揮深部錨索壓縮拱的作用。相應(yīng)的深部錨索在錨固力的作用下，一方面將深部軟弱夾層或煤層壓縮成拱，提高了特厚復(fù)合頂板自承能力；另一方面同時(shí)還為淺部錨桿組合梁增加了基點(diǎn)，減小了淺部錨桿組合梁的負(fù)載及簡支梁的跨度（減壓作用和減跨作用），從而增強(qiáng)特厚復(fù)合頂板強(qiáng)度、改善特厚頂板力學(xué)性能。在二者的耦合作用下，完成對特厚復(fù)合頂板的支護(hù)[3]。

2#煤層為特厚復(fù)合頂板，直接頂自下而上各巖層平均厚度：砂質(zhì)泥巖5.1 m，煤1.2 m，細(xì)中砂巖4.62 m。為了研究便捷，將其視作組合梁構(gòu)成的簡支梁[4]，其構(gòu)建的力學(xué)模型如圖1，圖中L為直接頂極限跨距。

圖1 復(fù)合頂板構(gòu)建的簡支梁力學(xué)模型

根據(jù)曲率大小對小回溝煤礦復(fù)合頂板進(jìn)行分組，其計(jì)算公式為：

式中：ki為巖層曲率；ri為巖層曲率半徑；Mi為巖層的彎矩；Ii為巖層的慣性矩；Ei為巖層彈性模量。

在構(gòu)建的簡支梁上任意x處，該點(diǎn)處的彎矩為：

式中：ρi為巖層視密度；hi為巖層厚度；g為重力加速度；l為簡支梁長度。

帶入式（1），可得：

按照以上公式，將巖層相關(guān)參數(shù)代入，經(jīng)計(jì)算可能出現(xiàn)離層的部位在2#煤以上5.72～7.31 m處。因此，錨桿需錨固在0～5.72 m，錨索需錨固在7.31 m以上可以穩(wěn)固頂板。

特厚復(fù)合頂板可視為由三組巖梁構(gòu)成。根據(jù)組合梁拱理論，協(xié)調(diào)變形的三組梁的極限跨距Li計(jì)算公式為：

式中：RTj為每組巖梁抗拉強(qiáng)度；qj為每組巖梁承受的載荷。

經(jīng)理論計(jì)算，2#煤直接頂極限跨距L＝28.86 m，遠(yuǎn)超巷道的寬度5.2 m。因此，支護(hù)的關(guān)鍵是維護(hù)2#煤頂板的穩(wěn)定性，最大程度減少應(yīng)力集中，盡量使得巖體的應(yīng)力均勻分布，避免受力截面上尺寸的突然發(fā)生變化，這是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果及工程地質(zhì)條件分析，拱-梁耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)的錨固段分別在0.4～2.4 m與6.2～8.5 m范圍內(nèi)，支護(hù)后形成多重拱-梁耦合結(jié)構(gòu)。根據(jù)拱-梁上述計(jì)算結(jié)果，選用Φ21.8×8 300 mm長錨索可將這些不穩(wěn)定巖層懸吊于上方厚穩(wěn)定巖層，形成組合梁結(jié)構(gòu)，保證巷道的安全穩(wěn)定使用。

2 掘進(jìn)支護(hù)參數(shù)計(jì)算

2203掘進(jìn)工作面斷面為矩形，掘進(jìn)寬5.2 m，掘進(jìn)高3.0 m，掘進(jìn)斷面積15.6 m2；借鑒初期開拓大巷的施工經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)輸順槽采用錨網(wǎng)索+鋼筋梯子梁支護(hù)。

依據(jù)小回溝地質(zhì)報(bào)告，2#煤層頂板巖層普氏系數(shù)取3.3，設(shè)計(jì)主要為錨桿、錨索錨固在穩(wěn)定頂板中，故只對長度進(jìn)行計(jì)算，錨桿、索間排距以及強(qiáng)度校驗(yàn)從略。

2.1 頂錨桿支護(hù)參數(shù)

式中：L為錨桿長度，m；L0為有效長度，取最大冒落拱高，m；K為安全系數(shù)，一般取1.5～1.8，設(shè)計(jì)取1.6；L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層深度，一般按經(jīng)驗(yàn)取0.5 m；L2為錨桿在巷道中的外露長度，取0.1 m。

式中：a為巷道掘進(jìn)半寬，取2.6 m；h為巷道掘進(jìn)全高，取3.0 m；f為頂板巖層的普氏系數(shù)，取3.3；φ為兩幫圍巖的似內(nèi)摩擦角，φ=arctan(f頂)=73.14°。

代入數(shù)據(jù)，從而求得L＝2.08 m。由此，設(shè)計(jì)初步確定錨桿長度為2.40 m。

2.2 幫錨桿長度

幫錨桿長度計(jì)算同式（6），其中：

式中：B為巷道掘進(jìn)寬，設(shè)計(jì)取5.2 m；f為煤（巖）普氏系數(shù)，巷幫均為煤體設(shè)計(jì)，取1.3。

代入數(shù)據(jù)，從而求得L＝2.08 m。由此，設(shè)計(jì)初步確定幫錨桿長度為2.40 m。

2.3 錨索支護(hù)參數(shù)

根據(jù)拱-梁理論，經(jīng)計(jì)算錨索長度取8.3 m。

2.4 錨桿梁的規(guī)格、性能與選擇

錨桿梁是組合錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵構(gòu)件之一，一般指鋼帶或鋼筋梯子梁[5]。在我國礦山應(yīng)用比較多的有兩種形式的鋼帶，即平鋼帶和W 型鋼帶。鋼帶屬于塑性支護(hù)材料，結(jié)合小回溝頂板的條件，設(shè)計(jì)的意圖主要是通過有效的支護(hù)與頂板形成組合梁增加頂板的整體性，以維護(hù)頂板的完整性，故采用剛性較好的鋼筋焊制而成的梯子梁。頂錨桿每排配套使用一根Φ12×5 000 mm 鋼筋梯子梁。

3 巷道支護(hù)方案確定

3.1 頂板支護(hù)參數(shù)

錨桿：頂錨桿選用Φ22×2 400 mm左旋無縱肋螺紋鋼樹脂錨桿，鋼筋材質(zhì)為HRB400，間排距800×900 mm，每排7根。除頂部兩側(cè)錨桿與頂板夾角為80°外其它錨桿均垂直頂板布置。頂部錨桿配套鋼筋梯子梁由Φ12 mm鋼筋焊接而成，鋼筋材質(zhì)為HPB300，規(guī)格（長×寬）5 000×80 mm。錨固力為126 kN，預(yù)緊扭矩為300 N·m。

錨索：頂部錨索采用Φ21.8×8 300 mm 的1×19 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排3根，間排距2 000×1 800 mm，預(yù)緊力為250 kN。

3.2 幫部支護(hù)參數(shù)

幫錨桿選材同頂部，間排距1 100×900 mm，每排3根。除頂?shù)撞拷清^桿與巷幫夾角為80°外，其它錨桿均垂直巷幫布置。

3.3 錨固劑

錨桿：樹脂加長錨固，采用2 支錨固劑，1 支MSCK2335和1支MSK2360樹脂錨固劑，MSCK2335在前（眼底），MSK2360在后。

錨索：樹脂加長錨固，1支MSCK2335和2 支MSK2360 樹脂錨固劑，MSCK2335 在前（眼底），MSK2360在后。

3.4 錨桿與錨索托盤

頂部錨桿配套選用150×150×12 mm拱形高強(qiáng)度托盤，幫部托盤采用250×250×10 mm錨桿托盤。配合螺母、墊圈，力學(xué)性能和錨桿桿體配套。錨索配套選用300×300×16 mm拱形高強(qiáng)度托盤。

3.5 金屬網(wǎng)

頂幫均采用8#鍍鋅鐵絲制成的金屬菱形網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為3 000×1 000 mm，網(wǎng)格規(guī)格為50×50 mm。網(wǎng)與網(wǎng)之間搭接長度100 mm，綁扎間距為100 mm；綁絲使用雙股16#鐵絲。

2203工作面支護(hù)設(shè)計(jì)如圖2、3。

圖2 2203工作面巷道支護(hù)斷面

圖3 2203工作面支護(hù)俯視圖

4 現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證

在2203掘進(jìn)工作巷道每隔50 m布置頂板離層觀測點(diǎn)，每處測點(diǎn)安裝1個(gè)頂板離層儀，布置在巷道正中，打Φ28 mm鉆孔打設(shè)與錨索孔深相一致的眼孔安裝離層儀，頂板離層儀淺部基點(diǎn)設(shè)置在2.4 m位置，深部基點(diǎn)設(shè)置在8.3 m 位置。實(shí)驗(yàn)以1 000～1 300 m 作為研究對象，記錄頂板離層量時(shí)對同一高度的6 個(gè)測點(diǎn)取平均值，經(jīng)過56 d的觀測繪得的頂板離層量-時(shí)間曲線如圖4。

圖4 頂板離層量-時(shí)間曲線圖

由圖4可知，容易產(chǎn)生離層的泥巖和中-細(xì)砂巖頂板，2.4 m處的測點(diǎn)7 d內(nèi)變化速率最大，最大均值為33.23 mm，在21 d后變化速率趨于0；8.3 m處測點(diǎn)7 d內(nèi)變化速率最大，最大值為18.88 mm，在14 d后頂板離層變化速率趨于為0。采用拱-梁耦合理論，容易發(fā)生離層的層位均未發(fā)生顯著離層現(xiàn)象頂板完整型較好，支護(hù)效果基本達(dá)到預(yù)期。支護(hù)現(xiàn)場效果如圖5。

圖5 現(xiàn)場支護(hù)圖

5 結(jié)論

（1）含煤復(fù)合頂板支護(hù)因埋深高應(yīng)力的影響，頂板發(fā)生拉伸、剪切破壞，存在多重層現(xiàn)象；單純的錨網(wǎng)索支護(hù)容易應(yīng)力集中，導(dǎo)致頂板碎化，使得物理力學(xué)條件更差，出現(xiàn)頂板逐步破碎，形成網(wǎng)兜、兩肩破碎嚴(yán)重，從而導(dǎo)致頂板支護(hù)失效。

（2）基于組合梁理論，利用曲率差異對含煤特厚復(fù)合頂板離層情況和范圍進(jìn)行理論計(jì)算，并根據(jù)離層情況確定錨桿組合梁和錨索壓縮拱錨固段分別是0.4～2.4 m 以及6.2～8.5 m 范圍內(nèi)。

（3）依照理論計(jì)算結(jié)果，現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證采用該支護(hù)方案能夠增強(qiáng)煤特厚復(fù)合頂板組合梁支護(hù)效果。