深部厚顶煤巷道锚索箱梁支护及优化设计

张世国,苏丽君,殷 聪,刘光旭

(1.兖矿能源集团有限公司生产技术部,山东 济宁 273599;2.兖矿能源集团有限公司兴隆庄煤矿,山东 济宁 272101)

0 引言

随着开采技术与支护方式的迭代更新,我国深部沿空留巷数量不断增加[1-2]。而厚煤层作为主要开采煤层,其下行开采巷道为典型厚顶煤巷道,因受深部地层复杂应力场的影响,巷道围岩具有大变形、易破碎和难支护等特点,导致厚顶煤巷的顶板围岩稳定性与支护存在诸多问题,严重威胁着深部煤炭资源的开采[3-5]。因此,针对深部高地应力作用下厚顶煤巷道支护难题,研究巷道围岩支护结构对安全高效生产具有重要意义。

现有巷道的支护体系包括锚杆、锚索、钢带联合支护等,但在高地应力的作用下极易出现破坏或整体失效,导致煤岩顶板出现变形过大等问题[6-8]。因此,传统支护方式难以满足厚顶煤巷道支护要求,在这种背景下,锚索梁支护形式越来越体现出其优势。锚索梁支护结构是采用型钢托梁和锚杆(索)构成的组合支护形式,常用的型钢托梁主要是U型钢、工字钢等。在锚索预紧力的作用下,型钢托梁与锚索支护范围内的岩层产生压缩带,形成一个整体,从而增强围岩的稳定性。但U型钢、工字钢在使用时与围岩成线性接触,护表面积小、支护力传递扩散效果差、支护成本相对较高,为了克服传统U型钢、工字钢锚索梁在使用过程中存在的问题,王琦等[9]针对让压支护理论及技术进行总结分析,设计高强让压型锚索箱梁支护系统,并成功应用于赵楼煤矿平巷试验段中。李为腾等[10]以赵楼煤矿千米深井厚顶煤巷道为工程背景,将让压型锚索箱梁支护系统应用于大比尺地质力学模型试验,总结出深部厚顶煤巷道围岩变形破坏机制。韩观胜等[11]通过数值分析及室内试验研究,设计一种利用桁架结构作为托梁的新型锚索梁。龙景奎等[12]针对液压支架在深部回采巷道中进行超前支护时,常伴随工艺繁琐和安全隐患等问题,提出利用锚索梁锚固的方式,有效提高生产效益。

基于以上研究成果,笔者结合东滩煤矿复杂地质条件,通过理论计算明确箱梁为锚索梁中的型钢托梁的支护优势,并利用数值计算优化箱梁截面设计参数,获得深部破碎厚顶煤巷锚索箱梁支护优化设计方案,并于现场试验对结论进行验证。

1 不同型钢托梁结构参数分析

为了明确锚索箱梁支护优势,首先开展相同截面条件下箱型梁、工字钢梁、U型钢梁的结构参数对比分析。以常用U29型钢梁截面尺寸为参考,对箱型截面梁参数进行初步设计,初选截面参数为上翼缘140 mm、下翼缘120 mm、腹板高度50 mm、腹板间距70 mm、钢板厚度(上下翼缘及腹板厚度)10 mm。

采用理论公式对相同荷载作用下不同类型梁的惯性矩和最大挠度进行计算。其中,钢梁长度l取4 m,均布荷载q取150 kN/m,钢材E取2.1×1011Pa。通过计算,得到工字钢梁、U型钢梁、箱型截面梁的横截面积、惯性矩和最大挠度见表1。

表1 不同型钢托梁结构参数

在横截面积相近的条件下,箱型梁惯性矩比12#工字钢提高67%,相同荷载下最大挠度减小31%。与U29型钢相比,箱型梁惯性矩和最大挠度与U29相近,但在护表方面,U型钢与围岩和托盘均为线接触,护表效果差、锚索托盘易发生内陷,影响预应力施加效果。因此,箱梁与传统工字钢、U型钢相比,具有明显的支护优势,有必要进一步开展截面参数的优化,最大限度的发挥箱型梁支护性能。

2 数值计算及优化分析规律分析

2.1 模型建立及模拟方案

为得到力学性能最优的锚索箱梁支护结构,开展截面参数对箱梁力学性能数值研究。如图1所示,采用ABAQUS数值软件进行模拟,箱梁长度L=4 m,上覆受均布荷载q=150 kN/m,其两端约束条件为锚索孔处铰支,其截面参数与计算简图如图2所示。

图1 箱梁数值模拟简图

图2 箱梁截面及计算简图

以上翼缘宽度、下翼缘宽度、腹板高度、钢板厚度为变量,进行试验方案设计,见表2。选取箱梁内应力、挠度、承载力作为指标分析截面参数对箱梁力学特性的影响规律。

表2 箱梁截面试验参数

2.2 结果分析

2.2.1 上翼缘宽度影响分析

以上翼缘宽度为变量,选取腹板间距为70 mm,腹板高度为50 mm,上翼缘宽度分别选取120 mm、130 mm、140 mm,下翼缘宽度分别为120 mm,钢板厚度为10 mm的箱梁进行分析。计算结果如图3所示,随着上翼缘宽度的增加,箱梁发生挠度逐渐减小,平均减小9.45%;最大应力逐渐降低,平均降低3.1%;承载力逐渐提高,平均提高3.35%。结果表明,上翼缘宽度对箱梁整体力学性能影响不显著。

图3 上翼缘宽度影响分析

2.2.2 下翼缘宽度影响分析

以下翼缘宽度为变量,选取腹板间距为70 mm,腹板高度为50 mm,上翼缘宽度为140 mm,下翼缘宽度分别选取120 mm、110 mm、100 mm、90 mm,钢板厚度为10 mm的箱梁进行分析。计算结果如图4所示,随着下翼缘宽度增加,箱梁发生的挠度逐渐减小,平均减小8.73%;梁内的最大应力逐渐降低,平均降低7.7%;承载力逐渐提高,平均提高3.63%。结果表明,下翼缘宽度对箱梁整体力学性能影响不显著,对箱梁整体力学性能的影响程度与上翼缘基本相同。

图4 下翼缘宽度影响分析

2.2.3 腹板高度影响分析

以腹板高度为变量,选取腹板间距为70 mm,腹板高度分别选取50 mm、60 mm、70 mm,上翼缘宽度为140 mm,下翼缘宽度为120 mm,钢板厚度为10 mm的箱梁进行分析。计算结果如图5所示,随着腹板高度增加,箱梁的挠度逐渐减小,平均降低67.8%;梁内产生的最大应力逐渐减小,平均降低5.5%;承载力逐渐增加,平均提高12.5%。结果表明,腹板高度对箱梁力学性能影响显著,因此提高腹板高度,可有效提高箱梁的力学性能。

图5 腹板高度影响分析

2.2.4 钢板厚度影响分析

以钢板厚度为变量,选取腹板间距为70 mm,腹板高度为50 mm,上翼缘宽度为140mm,下翼缘宽度为120 mm,钢板厚度分别为6 mm、8 mm、10 mm的箱梁进行分析。计算结果如图6所示,随着钢板厚度的增加,箱梁的挠度逐渐减小,平均减小55.1%;梁内最大应力逐渐降低,平均降低19.4%;承载力逐渐提高,平均提高17.6%。结果表明,钢板厚度对箱梁力学性能影响显著,且当采用6 mm钢板时,最大应力已明显超过屈服强度。

图6 钢板厚度影响分析

2.3 优化比选结果

基于上述截面参数对箱梁力学性能影响规律分析,初步选取上翼缘宽度120～140 mm,下翼缘宽度90～120 mm,腹板高度50～70 mm,钢板厚度8～10 mm,腹板间距70 mm,腹板高度50～70 mm,综合考虑支护强度、护表效果等因素,优选得到箱梁的截面尺寸,见表3。

表3 厚顶煤巷道锚索箱梁型号推荐表

3 现场试验

3.1 工作面简介

东滩煤矿3308工作面走向长度为1 634 m,倾向长度为357 m,南侧为3307工作面采空区,北侧为待采3309工作面。开采方式为综放开采,煤层厚度约为8.9 m。根据地应力实测资料可知,3308工作面轨道顺槽为沿空巷道,且地质条件复杂、裂隙及断层发育。

3.2 现场试验及变形分析

选取3308工作面轨道顺槽长度60 m,将其均分为3个对比试验段。其中试验段Ⅰ采用巷道顶板采用锚杆+锚索+金属网+T型钢带支护方式;试验段Ⅱ采用巷道顶板采用锚杆+锚索+金属网+U型钢锚索梁支护方式;试验段Ⅲ采用巷道顶板采用锚杆+锚索+金属网+箱梁支护方式。

采用十字布点法布置巷道收敛变形测点,其顶板变形监测数据如图7所示。分析监测结果可知,随着工作面的回采,各监测断面顶板沉降均逐渐增加。锚索箱梁支护系统变形发展速度最慢,且回采第55天时,试验段锚索箱梁支护系统发生的总变形为82.8 mm,仅为U型钢梁和钢带支护的75.6%、69.3%,体现出锚索箱梁支护系统拥有更好的支护效果。

图7 巷道顶板变形监测曲线

在锚索箱梁支护下,掘巷期间如图8所示,依据掘巷和回采期间现场观测结果可知,巷道顶板受掘巷施工影响变形较小,巷道顶板无明显变形,锚索箱梁试验段呈现整体稳定的状态,且在掘巷阶段表现出充足的强度储备;工作面回采期巷道顶板变形如图9所示,锚索梁整体受采动压力的影响,巷道顶板变形逐渐增大。

图8 掘巷期间巷道顶板变形

图9 回采期间巷道顶板变形

在超前液压支架的配合下,锚索箱梁支护试验段出现局部的弯曲变形,但并未失效,能够充分发挥锚索箱梁的强度储备,对比试验段的钢带,在超前压力影响下已经表现出明显的失效变形,未能控制顶板破碎沉降。结果表明,锚索箱梁优化设计方案可较好的控制深部破碎厚顶煤巷顶板。

4 结论

(1)箱梁作为锚索梁中的型钢托梁具有明显的支护优势,并利用数值计算分析得到不同截面参数对箱梁力学性质的影响规律。通过优化比选,综合考虑支护强度、护表效果等因素,对于深部厚顶煤巷,建议使用的箱梁截面参数为上翼缘宽度140 mm、下翼缘宽度120 mm、腹板高度50 mm、腹板间距70 mm、腹板厚度10 mm、上翼缘厚度10 mm、下翼缘厚度10 mm。

(2)优化设计方案现场试验表明,锚索箱梁支护系统发生的总变形仅为U型钢梁和钢带支护的75.6%、69.3%,进一步证明该优化设计方案对破碎顶板控制的有效性,可为深部厚顶煤巷道支护提供参考。