杨村煤矿单轨吊运输厚灰岩巷道顶板稳定性研究

2021-02-26王庆路幸奠军

煤炭与化工 2021年1期

王庆路，王伟，幸奠军，张强

（兖州煤业股份有限公司杨村煤矿，山东济宁 272118）

随着煤炭开采技术的发展，生产效率不断提高，综采设备以及液压支架单件的重量越来越大。单轨吊作为一种新型的辅助运输设备，对底板条件的适应性强，比传统辅助运输方式效率高，安全性也高，然而在单轨吊载荷作用下，巷道顶板承受高集中应力的作用，顶板的失稳方式及支护机理均发生改变，对巷道的稳定存在威胁。近年来，我国学者对单轨吊的结构设计以及作用机理进行了大量研究，取得了诸多成果。肖亚宁[1]通过试验和理论分析，对锚杆支护巷道单轨吊悬吊技术进行了研究，并通过井下工业性试验验证了采用锚杆或锚索悬吊单轨吊的可行性。侯志军[2]针对具体的顶板情况，探讨了悬吊结构中锚索、锚杆受力状况，分析了锚索、锚杆联合悬吊技术的可行性。王开松[3]指出单轨吊轨道在起吊运输重载荷时，承受的应力状况与受载点、轨道长度、轨道悬挂点密切相关。谢生荣[4]针对单轨吊作用下区段平巷顶板控制难题，将巷道顶板视为深梁进行稳定性分析，建立了单轨吊作用下巷道顶板锚固复合深梁承载结构的力学模型。以往对于单轨吊稳定性的研究鲜有针对无支护情况下的厚顶板的巷道，为了明确设备运输过程中，单轨吊作用下巷道顶板稳定性问题，本文以杨村煤矿六采区6602 工作面16上煤层巷道为例，对无支护情况下的厚灰岩顶板稳定性进行研究。

1 概况

六采区位于杨村井田的南部，北邻四采区，东到矿井边界与鲍店矿相邻，南至矿井边界与田庄矿、横河矿相邻，西至八采区。采区为三角形，采区南北走向长约1.47 km，东西倾向长约1.50 km，面积约1.96 km2。采区内地面标高为+38.9—+43.92 m，平均+41.91 m。

16上煤层煤层厚度0.69～1.72 m，平均厚度1.20 m。顶板为十下灰，厚度3.72～6.04 m，平均厚度4.88 m，全区稳定分布。其抗压强度为156.9～235.347 MPa。浅部或构造附近裂隙发育，富水性较好。底板为铝质泥岩或泥岩，厚度0.51～3.71 m，平均为1.66 m。有时相变为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩或细砂岩。

2 单轨吊受力分析

单一岩层的巷道顶板在开挖巷道后无支护时会出现2 种情况，一是巷道围岩变形到一定程度后即停止变形，并能长期稳定；二是巷道围岩变形过程中伴随着片帮和冒顶，当冒落到一定程度时达到相对稳定[5]。6602 工作面16上煤层巷道顶板在单轨吊的作用下，承受较高的集中应力，容易造成顶板的破坏。单轨吊锚杆锚固于顶板岩层中，需要足够的承载能力对单轨吊形成有效的悬吊。单轨吊稳定性的主要影响因素为顶板岩层的完整性及稳定性，尤其是对于无支护条件下的单轨吊。

2.1 吊挂点受力分析

根据轨道参数，每根轨道长2.4 m，设计杨村煤矿最大单件重量为10 000 kg，起吊梁自重1 490 kg，用起吊梁运输时，10 000 kg+1 490 kg=11 490 kg，即114.9 kN，4 个承载小车，每个小车的受力为28.73 kN。轨道吊挂点的受力分析如图1 所示。吊挂点2 承受最大的力为T1+T2+T3。

图1 吊挂点受力分析Fig.1 Stress analysis of hanging point

吊点长度L=2.4 m；小车吊点距离A=1.81 m

其中，0≤X≤1.81。

则2 点的吊挂力：

当X=1.81 时，吊挂力最大为T=42.85 kN。

2.2 单轨吊作用下巷道顶板变形破坏机理

为便于分析，从单轨吊巷道开挖表面顶板中分离单轨吊锚固点岩层，并假设单轨吊锚固点岩层为均质体，如图2 所示。

图2 单轨吊载荷作用下巷道顶板力学模型Fig.2 Mechanical model of roadway roof under monorail crane load

无单轨吊作用时，顶板受上覆岩层施加的均布载荷作用（图3），结合材料力学中均布载荷作用下梁的最大挠度（顶板下沉量），可得：

式中：E 为岩层的弹性模量；I 为梁的惯性矩；q为载荷集度；l 为巷道有效跨度。

图3 均布荷载下的简支梁受力示意Fig.3 Stress of simply supported beam under uniform load

L 可表示为：

式中：b 为巷道高度；φ为煤体的内摩擦角。

取岩梁为单位宽度，其惯性矩为：

单轨吊作用下，梁的最大挠度随单轨吊作用位置的变化而变化，如图4 所示。

结合材料力学中集中力下梁的最大挠度，可得单轨吊位于巷道中心时w2为：

单轨吊作用下顶板最大挠度为：

图4 集中荷载下的简支梁受力示意图Fig.4 Stress of simply supported beam under concentrated load

由吊挂点受力分析可知，吊挂力最大为T=42.85 kN，计算时取3 倍的安全系数，则吊挂点的最大承受力为42.85×3=128.56 kN。16上煤顶板十下灰岩厚度分别为0.8、1.4、3.2、6 m 的挠度如图5 所示。

图5 不同灰岩厚度下顶板挠度Fig.5 Roof deflection under different limestone thickness

由图5 可知，随着灰岩厚度的增大，顶板下沉量明显减小。16上煤顶板灰岩厚度为0.8 ～6 m 时，上覆岩层重力载荷造成的挠度值（即上覆顶板下沉量） w1=0.003 ～0.543 mm，由单轨吊载荷造成的挠度值 w2=0.412 ～ 173.879 mm。

3 单轨吊对巷道顶板稳定性影响的数值模拟

单轨吊载荷作用下，巷道顶板的破坏与围岩的应力变化及位移密切相关。建立六采区工作面轨顺顶板数值模型，对单轨吊不同载荷大小及不同位置下无支护巷道的围岩应力场、位移场及塑性区分布特征进行分析。

根据六采区地层综合柱状图，建立该采区内工作面巷道及围岩的数值模型。模型尺寸长×宽×高=25 m×20 m×15.5 m，节点数目为100 491，网格数目为94 080，共包含12 个分层、9 种岩性。巷道采用挖底的方式掘进，设计断面尺寸为3.8 m×3.1 m。此次计算采用弹塑性模型，计算中采用莫尔- 库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则判断岩体的破坏情况。模型的底部及四周采取滚支边界，即固定法向位移；顶部施加上覆岩层重力载荷为γH=9.58 MPa，单轨吊轨道单点（每个吊挂点2 根锚杆）吊挂力为F=130 kN，相邻吊挂点之间距离为2.4 m，设置15 个吊挂点。

3.1 灰岩不同厚度对巷道稳定性的影响

单轨吊极限载重条件下，最大单件重量10 000 kg，对应的吊挂点最大受力为130 kN。将顶板十下灰岩的厚度作为变量，厚度设置为0.8、1.4、3.2、6 m，研究顶板十下灰岩不同厚度条件16上煤层内工作面巷道的稳定性。

3.1.1 不同顶板厚度对围岩垂直应力的影响

图6 表明巷道顶底板出现垂直应力卸压区，应力值随着向岩体内部推移呈逐渐增大趋势；两帮垂直应力值随着向岩体内部推移呈先增大后减小的趋势，垂直应力等值线由密变疏，在巷道帮部及底角1 m 内的范围形成应力集中区。顶板十下灰岩厚度的变化从0.8 ～6 m，巷道应力峰值的变化趋势如图7 所示。巷道开挖前原岩应力为10.3 MPa。顶板灰岩不同厚度下，巷道两帮垂直应力峰值均接近22.8 MPa，峰值集中系数为2.21。由于顶板十下灰岩的强度和刚度较大，当厚度为0.8 m 时已形成较稳定的围岩应力场。

3.1.2 顶板厚度对围岩塑性区的影响

顶板十下灰岩厚度不同时围岩塑性区分布状态如图8 所示，其中 shear-n 为临界剪切破坏，shear-p 为已发生剪切破坏，tension-n 为临界拉伸破坏，tension-p 为已发生剪切破坏。可见巷道帮部0.25 m 范围出现拉伸破坏。顶板0.25～0.5 m 剪切和拉伸破坏形式均有发生，随着顶板灰岩厚度的增加，顶板塑性区的范围明显减小。