張世國,蘇麗君,殷 聰,劉光旭

(1.兗礦能源集團(tuán)有限公司生產(chǎn)技術(shù)部,山東 濟(jì)寧 273599;2.兗礦能源集團(tuán)有限公司興隆莊煤礦,山東 濟(jì)寧 272101)

0 引言

隨著開采技術(shù)與支護(hù)方式的迭代更新,我國深部沿空留巷數(shù)量不斷增加[1-2]。而厚煤層作為主要開采煤層,其下行開采巷道為典型厚頂煤巷道,因受深部地層復(fù)雜應(yīng)力場的影響,巷道圍巖具有大變形、易破碎和難支護(hù)等特點(diǎn),導(dǎo)致厚頂煤巷的頂板圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)存在諸多問題,嚴(yán)重威脅著深部煤炭資源的開采[3-5]。因此,針對深部高地應(yīng)力作用下厚頂煤巷道支護(hù)難題,研究巷道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)對安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

現(xiàn)有巷道的支護(hù)體系包括錨桿、錨索、鋼帶聯(lián)合支護(hù)等,但在高地應(yīng)力的作用下極易出現(xiàn)破壞或整體失效,導(dǎo)致煤巖頂板出現(xiàn)變形過大等問題[6-8]。因此,傳統(tǒng)支護(hù)方式難以滿足厚頂煤巷道支護(hù)要求,在這種背景下,錨索梁支護(hù)形式越來越體現(xiàn)出其優(yōu)勢。錨索梁支護(hù)結(jié)構(gòu)是采用型鋼托梁和錨桿(索)構(gòu)成的組合支護(hù)形式,常用的型鋼托梁主要是U型鋼、工字鋼等。在錨索預(yù)緊力的作用下,型鋼托梁與錨索支護(hù)范圍內(nèi)的巖層產(chǎn)生壓縮帶,形成一個(gè)整體,從而增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。但U型鋼、工字鋼在使用時(shí)與圍巖成線性接觸,護(hù)表面積小、支護(hù)力傳遞擴(kuò)散效果差、支護(hù)成本相對較高,為了克服傳統(tǒng)U型鋼、工字鋼錨索梁在使用過程中存在的問題,王琦等[9]針對讓壓支護(hù)理論及技術(shù)進(jìn)行總結(jié)分析,設(shè)計(jì)高強(qiáng)讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng),并成功應(yīng)用于趙樓煤礦平巷試驗(yàn)段中。李為騰等[10]以趙樓煤礦千米深井厚頂煤巷道為工程背景,將讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用于大比尺地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn),總結(jié)出深部厚頂煤巷道圍巖變形破壞機(jī)制。韓觀勝等[11]通過數(shù)值分析及室內(nèi)試驗(yàn)研究,設(shè)計(jì)一種利用桁架結(jié)構(gòu)作為托梁的新型錨索梁。龍景奎等[12]針對液壓支架在深部回采巷道中進(jìn)行超前支護(hù)時(shí),常伴隨工藝繁瑣和安全隱患等問題,提出利用錨索梁錨固的方式,有效提高生產(chǎn)效益。

基于以上研究成果,筆者結(jié)合東灘煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件,通過理論計(jì)算明確箱梁為錨索梁中的型鋼托梁的支護(hù)優(yōu)勢,并利用數(shù)值計(jì)算優(yōu)化箱梁截面設(shè)計(jì)參數(shù),獲得深部破碎厚頂煤巷錨索箱梁支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,并于現(xiàn)場試驗(yàn)對結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。

1 不同型鋼托梁結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

為了明確錨索箱梁支護(hù)優(yōu)勢,首先開展相同截面條件下箱型梁、工字鋼梁、U型鋼梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)對比分析。以常用U29型鋼梁截面尺寸為參考,對箱型截面梁參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)計(jì),初選截面參數(shù)為上翼緣140 mm、下翼緣120 mm、腹板高度50 mm、腹板間距70 mm、鋼板厚度(上下翼緣及腹板厚度)10 mm。

采用理論公式對相同荷載作用下不同類型梁的慣性矩和最大撓度進(jìn)行計(jì)算。其中,鋼梁長度l取4 m,均布荷載q取150 kN/m,鋼材E取2.1×1011Pa。通過計(jì)算,得到工字鋼梁、U型鋼梁、箱型截面梁的橫截面積、慣性矩和最大撓度見表1。

表1 不同型鋼托梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

在橫截面積相近的條件下,箱型梁慣性矩比12#工字鋼提高67%,相同荷載下最大撓度減小31%。與U29型鋼相比,箱型梁慣性矩和最大撓度與U29相近,但在護(hù)表方面,U型鋼與圍巖和托盤均為線接觸,護(hù)表效果差、錨索托盤易發(fā)生內(nèi)陷,影響預(yù)應(yīng)力施加效果。因此,箱梁與傳統(tǒng)工字鋼、U型鋼相比,具有明顯的支護(hù)優(yōu)勢,有必要進(jìn)一步開展截面參數(shù)的優(yōu)化,最大限度的發(fā)揮箱型梁支護(hù)性能。

2 數(shù)值計(jì)算及優(yōu)化分析規(guī)律分析

2.1 模型建立及模擬方案

為得到力學(xué)性能最優(yōu)的錨索箱梁支護(hù)結(jié)構(gòu),開展截面參數(shù)對箱梁力學(xué)性能數(shù)值研究。如圖1所示,采用ABAQUS數(shù)值軟件進(jìn)行模擬,箱梁長度L=4 m,上覆受均布荷載q=150 kN/m,其兩端約束條件為錨索孔處鉸支,其截面參數(shù)與計(jì)算簡圖如圖2所示。

圖1 箱梁數(shù)值模擬簡圖

圖2 箱梁截面及計(jì)算簡圖

以上翼緣寬度、下翼緣寬度、腹板高度、鋼板厚度為變量,進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì),見表2。選取箱梁內(nèi)應(yīng)力、撓度、承載力作為指標(biāo)分析截面參數(shù)對箱梁力學(xué)特性的影響規(guī)律。

表2 箱梁截面試驗(yàn)參數(shù)

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 上翼緣寬度影響分析

以上翼緣寬度為變量,選取腹板間距為70 mm,腹板高度為50 mm,上翼緣寬度分別選取120 mm、130 mm、140 mm,下翼緣寬度分別為120 mm,鋼板厚度為10 mm的箱梁進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果如圖3所示,隨著上翼緣寬度的增加,箱梁發(fā)生撓度逐漸減小,平均減小9.45%;最大應(yīng)力逐漸降低,平均降低3.1%;承載力逐漸提高,平均提高3.35%。結(jié)果表明,上翼緣寬度對箱梁整體力學(xué)性能影響不顯著。

圖3 上翼緣寬度影響分析

2.2.2 下翼緣寬度影響分析

以下翼緣寬度為變量,選取腹板間距為70 mm,腹板高度為50 mm,上翼緣寬度為140 mm,下翼緣寬度分別選取120 mm、110 mm、100 mm、90 mm,鋼板厚度為10 mm的箱梁進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果如圖4所示,隨著下翼緣寬度增加,箱梁發(fā)生的撓度逐漸減小,平均減小8.73%;梁內(nèi)的最大應(yīng)力逐漸降低,平均降低7.7%;承載力逐漸提高,平均提高3.63%。結(jié)果表明,下翼緣寬度對箱梁整體力學(xué)性能影響不顯著,對箱梁整體力學(xué)性能的影響程度與上翼緣基本相同。

圖4 下翼緣寬度影響分析

2.2.3 腹板高度影響分析

以腹板高度為變量,選取腹板間距為70 mm,腹板高度分別選取50 mm、60 mm、70 mm,上翼緣寬度為140 mm,下翼緣寬度為120 mm,鋼板厚度為10 mm的箱梁進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果如圖5所示,隨著腹板高度增加,箱梁的撓度逐漸減小,平均降低67.8%;梁內(nèi)產(chǎn)生的最大應(yīng)力逐漸減小,平均降低5.5%;承載力逐漸增加,平均提高12.5%。結(jié)果表明,腹板高度對箱梁力學(xué)性能影響顯著,因此提高腹板高度,可有效提高箱梁的力學(xué)性能。

圖5 腹板高度影響分析

2.2.4 鋼板厚度影響分析

以鋼板厚度為變量,選取腹板間距為70 mm,腹板高度為50 mm,上翼緣寬度為140mm,下翼緣寬度為120 mm,鋼板厚度分別為6 mm、8 mm、10 mm的箱梁進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果如圖6所示,隨著鋼板厚度的增加,箱梁的撓度逐漸減小,平均減小55.1%;梁內(nèi)最大應(yīng)力逐漸降低,平均降低19.4%;承載力逐漸提高,平均提高17.6%。結(jié)果表明,鋼板厚度對箱梁力學(xué)性能影響顯著,且當(dāng)采用6 mm鋼板時(shí),最大應(yīng)力已明顯超過屈服強(qiáng)度。

圖6 鋼板厚度影響分析

2.3 優(yōu)化比選結(jié)果

基于上述截面參數(shù)對箱梁力學(xué)性能影響規(guī)律分析,初步選取上翼緣寬度120～140 mm,下翼緣寬度90～120 mm,腹板高度50～70 mm,鋼板厚度8～10 mm,腹板間距70 mm,腹板高度50～70 mm,綜合考慮支護(hù)強(qiáng)度、護(hù)表效果等因素,優(yōu)選得到箱梁的截面尺寸,見表3。

表3 厚頂煤巷道錨索箱梁型號推薦表

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 工作面簡介

東灘煤礦3308工作面走向長度為1 634 m,傾向長度為357 m,南側(cè)為3307工作面采空區(qū),北側(cè)為待采3309工作面。開采方式為綜放開采,煤層厚度約為8.9 m。根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測資料可知,3308工作面軌道順槽為沿空巷道,且地質(zhì)條件復(fù)雜、裂隙及斷層發(fā)育。

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)及變形分析

選取3308工作面軌道順槽長度60 m,將其均分為3個(gè)對比試驗(yàn)段。其中試驗(yàn)段Ⅰ采用巷道頂板采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+T型鋼帶支護(hù)方式;試驗(yàn)段Ⅱ采用巷道頂板采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+U型鋼錨索梁支護(hù)方式;試驗(yàn)段Ⅲ采用巷道頂板采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+箱梁支護(hù)方式。

采用十字布點(diǎn)法布置巷道收斂變形測點(diǎn),其頂板變形監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示。分析監(jiān)測結(jié)果可知,隨著工作面的回采,各監(jiān)測斷面頂板沉降均逐漸增加。錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)變形發(fā)展速度最慢,且回采第55天時(shí),試驗(yàn)段錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)發(fā)生的總變形為82.8 mm,僅為U型鋼梁和鋼帶支護(hù)的75.6%、69.3%,體現(xiàn)出錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)擁有更好的支護(hù)效果。

圖7 巷道頂板變形監(jiān)測曲線

在錨索箱梁支護(hù)下,掘巷期間如圖8所示,依據(jù)掘巷和回采期間現(xiàn)場觀測結(jié)果可知,巷道頂板受掘巷施工影響變形較小,巷道頂板無明顯變形,錨索箱梁試驗(yàn)段呈現(xiàn)整體穩(wěn)定的狀態(tài),且在掘巷階段表現(xiàn)出充足的強(qiáng)度儲(chǔ)備;工作面回采期巷道頂板變形如圖9所示,錨索梁整體受采動(dòng)壓力的影響,巷道頂板變形逐漸增大。

圖8 掘巷期間巷道頂板變形

圖9 回采期間巷道頂板變形

在超前液壓支架的配合下,錨索箱梁支護(hù)試驗(yàn)段出現(xiàn)局部的彎曲變形,但并未失效,能夠充分發(fā)揮錨索箱梁的強(qiáng)度儲(chǔ)備,對比試驗(yàn)段的鋼帶,在超前壓力影響下已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的失效變形,未能控制頂板破碎沉降。結(jié)果表明,錨索箱梁優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可較好的控制深部破碎厚頂煤巷頂板。

4 結(jié)論

(1)箱梁作為錨索梁中的型鋼托梁具有明顯的支護(hù)優(yōu)勢,并利用數(shù)值計(jì)算分析得到不同截面參數(shù)對箱梁力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。通過優(yōu)化比選,綜合考慮支護(hù)強(qiáng)度、護(hù)表效果等因素,對于深部厚頂煤巷,建議使用的箱梁截面參數(shù)為上翼緣寬度140 mm、下翼緣寬度120 mm、腹板高度50 mm、腹板間距70 mm、腹板厚度10 mm、上翼緣厚度10 mm、下翼緣厚度10 mm。

(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案現(xiàn)場試驗(yàn)表明,錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)發(fā)生的總變形僅為U型鋼梁和鋼帶支護(hù)的75.6%、69.3%,進(jìn)一步證明該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對破碎頂板控制的有效性,可為深部厚頂煤巷道支護(hù)提供參考。