回采巷道頂板錨索預(yù)緊力的研究與應(yīng)用

昝東峰1,2,劉 展3,譚輔清1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州221008;2.煤炭資源與安全開采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州221008;3.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇徐州08)

在回采巷道圍巖控制方法中,錨桿 (索)支護(hù)以其成本低、操作方便,以及良好的支護(hù)效果受到現(xiàn)場的廣泛應(yīng)用[1]。研究表明,錨桿 (索)的支護(hù)效果主要取決于3個方面,一是巷道的采礦地質(zhì)條件;二是錨桿 (索)支護(hù)各組成部分 (桿體、錨固劑、托盤、鋼帶、網(wǎng))的材質(zhì)與尺寸;三是錨桿 (索)支護(hù)的布置參數(shù),主要包括錨桿 (索)長度、間距、排距、安裝角度以及施工過程中所施加的預(yù)緊力。目前,國內(nèi)對錨桿預(yù)緊力的研究較多,根據(jù)國內(nèi)部分礦區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),一般可選擇錨桿預(yù)緊力為桿體屈服強(qiáng)度的30%～50%。[2]

而錨索的預(yù)緊力目前為止還沒有定論,數(shù)值模擬僅能得到一些定性的結(jié)論,缺乏理論量化的計(jì)算。本文在分析錨桿錨索各自支護(hù)作用的基礎(chǔ)上,確定出了基于組合固支梁下回采巷道頂板錨索支護(hù)的預(yù)緊力計(jì)算公式,以求為現(xiàn)場應(yīng)用提供參考。

1 錨桿 (索)支護(hù)與圍巖相互作用原理

1.1 錨桿錨索在支護(hù)體系中的作用

對于回采巷道,其頂板巖層絕大多數(shù)屬于層狀分布,在錨桿支護(hù)的組合、懸吊、擠壓加固3種作用中,錨桿一般主要起組合作用,即是將頂板錨桿錨固范圍內(nèi)的巖層組合成為一個整體,實(shí)現(xiàn)其整體變形。但是,單憑錨桿支護(hù)避免不了在錨桿長度以外的頂板中發(fā)生離層,并導(dǎo)致錨固區(qū)整體垮冒。

采用錨索與錨桿相結(jié)合,可以很好解決這一問題。一般情況下錨索的預(yù)緊力要遠(yuǎn)大于錨桿的預(yù)緊力,錨索所起的作用是將錨桿形成的整體組合梁懸吊起來,阻止組合梁與上覆巖層的離層,從而限制了巷道的變形失穩(wěn)。

1.2 預(yù)緊力在錨桿 (索)支護(hù)體系中的作用

預(yù)緊力是指錨索安裝后張拉千斤頂對其施加的張拉力,它是區(qū)分錨索屬于主動支護(hù)還是被動支護(hù)的關(guān)鍵參數(shù),也是防止頂板巖層之間發(fā)生離層的必要條件。只有具有較高預(yù)應(yīng)力的錨索,才屬于真正的主動支護(hù),才能及時控制錨固區(qū)圍巖的過度變形與破壞[3],相反,沒有預(yù)緊力或預(yù)緊力較低的錨索,則屬于被動支護(hù)[4].

鑒于預(yù)緊力在錨索支護(hù)體系中的重要作用,國內(nèi)外學(xué)者對錨桿預(yù)緊力進(jìn)行了詳細(xì)的研究,得到了錨桿預(yù)緊力與螺母預(yù)緊力矩、螺紋規(guī)格及摩擦系數(shù)等因數(shù)之間的關(guān)系式,并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測確定了不同材質(zhì)與規(guī)格錨桿所需的預(yù)緊力值。但是,錨索的預(yù)緊力一直沒有詳細(xì)的分析及研究,以下將從理論上對其進(jìn)行計(jì)算。

2 錨索預(yù)緊力的理論確定

2.1 錨索預(yù)緊力力學(xué)模型的建立

由于錨桿對巷道頂部巖層離層的產(chǎn)生起著一定的阻礙作用,增大了巖層間的摩擦力,與錨桿本身的抗剪作用共同阻止巖層間產(chǎn)生相對錯動,從而將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的各巖層夾緊形成一個較厚的組合梁[5]。巷道頂板結(jié)構(gòu)如圖1所示。

單根錨桿與錨索相比,拉力較小,可忽略不計(jì)。考慮到巷道走向長度遠(yuǎn)大于巷道寬度,可近似地認(rèn)為頂板組合梁處于平面應(yīng)變狀態(tài)。根據(jù)彈性力學(xué)理論,可將組合梁簡化為“固支梁”模型。組合梁以固支梁的形式放置在兩幫的煤壁上,中部兩根錨索錨入深部穩(wěn)定巖層中 (本文僅討論錨索的此種支護(hù)方式,其它支護(hù)方式的算法與文中方法相同),將巷道頂板潛在冒落高度的巖層以均布載荷q的形式施加于固支梁上。

2.2 錨索預(yù)緊力計(jì)算

2.2.1 二次超靜定梁支座反力的計(jì)算

利用計(jì)算莫爾積分的圖乘法,可知右端C點(diǎn)的位移δ為

因?yàn)橛叶藶楣讨Ф?所以δ=0,又因?yàn)楸窘Y(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu),所以將其代入式(1),可知右端支座對梁的彎矩為

2.2.2 計(jì)算錨索張拉力 F

當(dāng)右端 C點(diǎn)支座反力MO、F’,梁上均布載荷q、左側(cè)錨索、右側(cè)錨索分別作用時,B點(diǎn)的位移總和為

錨索張拉力需要保證錨固范圍內(nèi)不發(fā)生離層現(xiàn)象,故B點(diǎn)的位移量為0,即

代入相關(guān)數(shù)據(jù),可知錨索的張拉力為

此張拉力即為錨索所需要的預(yù)緊力。

3 工程實(shí)踐

3.1 工程概況

山西國陽集團(tuán)80509工作面回風(fēng)巷位于15#煤層,沿煤層底板掘進(jìn),一側(cè)為已穩(wěn)定采空區(qū),巷道平均埋深約550m。該巷道所處15#煤層屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層,容重1.4t/m3,平均傾角4°。煤層頂?shù)装鍡l件見表1。

表1 15#煤層頂?shù)装鍘r性

沿空巷道凈寬×凈高=4.0m×2.8m,采用錨網(wǎng)帶索支護(hù),矩形斷面。頂部錨桿 (索)的間排距為700mm×800mm,錨桿采用等強(qiáng)無縱筋左旋螺紋鋼錨桿,規(guī)格為Φ20mm×2400mm,同時在每排錨索中的相應(yīng)位置布置錨索,錨索為單根Φ17.8mm×7300mm的鋼鉸線,鋼帶采用厚度較大的M型鋼帶(4mm厚)。金屬網(wǎng)采用菱形金屬網(wǎng)。

煤幫采用錨網(wǎng)帶支護(hù)方式。錨桿規(guī)格為Φ20mm×2400mm,兩角錨桿分別距頂?shù)装?00mm,角度30°,其余錨桿均垂直煤幫巖面布置。錨桿的間排距為800mm×800mm。鋼帶采用厚度較大的M型鋼帶,金屬網(wǎng)采用菱形金屬網(wǎng)。

3.2 錨索預(yù)緊力計(jì)算

根據(jù)本文錨索預(yù)緊力的理論計(jì)算過程,經(jīng)分析確定,巷道潛在冒落高度為巷道上方4.11m厚的頂煤,故均布力 q=58kN/m;錨索距離左右煤壁的距離分別為 b=3m,a=1m;巷道寬度 L=4m。將以上參數(shù)代入式 (5),得到頂板不發(fā)生離層時錨索的張拉力為104 kN,所以錨索的預(yù)緊力不應(yīng)低于104 kN。考慮到錨索張拉千斤頂?shù)念~定張拉力,最終將錨索的預(yù)緊力確定為120 kN。

在施工中,采用張拉千斤頂對錨索進(jìn)行張拉,使其預(yù)緊力至少達(dá)到120kN。

3.3 巷道圍巖變形實(shí)測

在本工作面回風(fēng)巷道距離巷道出口300～650m地段布置8個測站,測站間距為50m。采用“十字測量法”進(jìn)行監(jiān)測,用皮尺進(jìn)行測量,并記錄測站至掘進(jìn)工作面的距離,每天觀測一次。

由圖1可以看出,隨著掘進(jìn)工作面推進(jìn),巷道圍巖表面變形迅速增大。當(dāng)掘進(jìn)工作面向前推進(jìn)200m后,巷道表面變形速度減小,逐漸趨于穩(wěn)定;當(dāng)掘進(jìn)工作面向前推進(jìn)300 m后,巷道頂?shù)装逑鄬σ平繛?0 mm,兩幫相對移近量平均為110 mm。支護(hù)效果符合使用要求。

圖1 掘進(jìn)期間巷道頂?shù)装濉蓭鸵平孔兓€

4 結(jié)論

1)在錨桿 (索)支護(hù)體系中,錨桿將頂板錨固范圍內(nèi)的各巖層夾緊成為一個組合梁;而錨索將此組合梁懸吊起來,阻止組合梁與上覆巖層間的離層,從而限制了巷道的變形失穩(wěn)。

2)預(yù)緊力是防止頂板巖層離層的必要條件,只有具有較高預(yù)緊力的錨索,才屬于真正的主動支護(hù),才能及時控制錨固區(qū)圍巖的過度變形與破壞。

3)錨索的預(yù)緊力,可以通過將巷道頂板簡化為組合固支梁模型進(jìn)行計(jì)算。

[1] 王金華.我國煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的新發(fā)展 [J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32(2):113-118.

[2] 康紅普,王金華,等.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2007.

[3] 程良奎,范景倫,韓軍,等.巖土錨固 [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[4] 康紅普,姜鐵明,高富強(qiáng).預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的作用[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32(7):673-678.

[5] 曾佑富,伍永平,來興平,等.復(fù)雜條件下大斷面巷道頂板冒落失穩(wěn)分析 [J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2009,26(4):423-427.