大跨度巷道反拱半徑與控制效果及開挖工程量關(guān)系研究

大跨度巷道反拱半徑與控制效果及開挖工程量關(guān)系研究

隨著煤礦開采技術(shù)的快速發(fā)展，采礦設備越來越大。同時,工作面單產(chǎn)的提高也要求風量越來越大,使得回采巷道的斷面必須隨之擴大,大量大跨度巷道或硐室隨之出現(xiàn)。長期以來,大跨度巷道或硐室的底鼓問題一直嚴重影響著礦井的安全正常生產(chǎn),而對其的控制卻一直沒有取得理想的效果,直到混凝土反拱與底板錨桿聯(lián)合支護技術(shù)的出現(xiàn),這一情況才得以改善?，F(xiàn)場應用結(jié)果顯示,該技術(shù)對該類底鼓的控制具有積極作用。然而,長期以來,由于對反拱半徑同控制效果及開挖工程量關(guān)系的認識不夠深入,常出現(xiàn)因反拱半徑設計不合理而導致控制效果不理想或開挖工程量過大的問題,一直無法實現(xiàn)控制效果與經(jīng)濟社會效益的最優(yōu)化?；谏鲜霰尘?本文通過建立底板變形撓度力學分析模型,對混凝土反拱控制底鼓中的反拱半徑同底板變形撓度及開挖工程量的關(guān)系進行深入分析。1層狀層理-沉積相余吾煤業(yè)北一采區(qū)水倉泵房,凈斷面尺寸(寬×高)4m×3m,布置在3煤中,沿煤層頂板掘進,3煤厚5.8~6.9m,平均6.31m,直接頂為砂質(zhì)泥巖—粉砂巖,厚0~4.31m,黑色薄層狀,以脈狀層理為主,含豐富的不完整植物化石;基本頂為粗砂巖,厚0~7.65m,淺灰色厚層狀,以石英為主,長石次之,含巖屑,以大型楔狀交錯層理為主;直接底為泥巖,厚0~3.25m,黑色厚層狀;基本底為粉砂巖,厚0~7.0m,黑色薄層狀,含泥巖包體,以小型交錯層理為主,含豐富的不完整植物化石,鉆孔柱狀圖見圖1。水倉泵房掘出后,由于底板跨度較大且敞開,加之支護強度低,服務期間底鼓嚴重,累計底鼓量很大,嚴重影響其安全正常使用。經(jīng)過對底鼓機制的深入分析及對各種底鼓控制技術(shù)的綜合比較,最終決定采用混凝土反拱與底板錨桿聯(lián)合支護的形式來控制底鼓,以保證水倉泵房在服務期間的正常使用。2地板變形張力分析2.1形撓度力學模型基于水倉泵房底板巖層受力,建立如圖2所示的底板變形撓度力學分析模型。為了便于研究,本文假定巷道底板為各向同性體,且忽略應力梯度,認為在反拱開挖范圍內(nèi)圍巖應力F為固定值,方向沿反拱法線指向圓心。2.2計算鞋底變形強度的計算根據(jù)上述假設,底板反拱受力均勻,則底板中線D點撓度必定最大,為了反映問題且簡化計算,本文僅研究底板中點D的變形撓度。2.2.1兩支桿的反作用力分析圖2,反拱關(guān)于x軸對稱,因此,兩側(cè)F的水平方向分力抵消,對反拱的作用力僅為垂直方向分力。則兩支座支反力2.2.2曲線方程分段列出彎矩方程,如下2.2.3對式積分的求解由于AC、CB兩段彎矩方程不同,因此分別對式(3)、(4)積分,計算轉(zhuǎn)角和撓度,結(jié)果如下:由式(5)(6)可得由式(8)(9)可得2.2.4根據(jù)邊界條件確定積分常數(shù)即A、B兩點撓度為0,則有即2.2.5方程中的張力方程綜上可得撓度方程為2.2.6點d的限制2.2.7不給結(jié)果增加顯著偏差因為a是關(guān)于θ的函數(shù),而且表達式較煩瑣,為了簡化被積函數(shù)的難度,同時不給結(jié)果帶來顯著偏差,可令a=d/4,然后對上式積分,可得2.3反拱半徑d點與開挖應力場關(guān)系由式(17)可見,撓度函數(shù)ωD是反拱半徑r的增函數(shù),即反拱半徑越小,底板變形越小。因此,理想狀態(tài)是反拱的直徑等于水倉泵房寬度d,此時D點撓度最小,但此時的開挖工程量與支護的經(jīng)濟成本最高?；谑?17),取不同反拱半徑,計算可得不同反拱半徑同開挖工程量(每米反拱)及D點撓度的關(guān)系(見表1)。由圖3可知,隨著反拱半徑的增大,D點撓度逐漸增大,近似呈線性關(guān)系;隨著反拱半徑的增大,開挖的工程量逐漸減小,兩者呈反比關(guān)系。分析還發(fā)現(xiàn),當反拱半徑r從4.8m增大到6m時,開挖工程量減小66%,而當r從6m增大到12m時,開挖工程量僅減小20%,繼續(xù)增加反拱半徑,開挖工程量減小的幅度更小,但控制效果越來越差?？梢?反拱半徑為6m時,開挖工程量與控制效果綜合最優(yōu),該點即為最優(yōu)折中點。綜上所述,最終確定混凝土反拱半徑為6m。3鋼筋主體結(jié)構(gòu)在混凝土反拱半徑確定為6m的前提下,底板錨桿支護參數(shù)確定如下:(1)采用?22mm×L2400mm高強螺紋鋼錨桿,錨桿間排距為700mm×600mm,與垂直方向夾角分別為55°、45°、15°。(2)鋼筋梯子量采用?14mm圓鋼焊接,建筑螺紋鋼?25mm,配套使用金屬網(wǎng),托盤厚度10mm,錨桿絲扣段加工200mm。(3)底板錨桿采用樹脂藥卷加長錨固,樹脂藥卷規(guī)格:CK2335、Z2360各一支。施工完成后,進行為期50d的礦壓觀測,結(jié)果顯示:施工完成約11d后,底板變形基本穩(wěn)定,最大底鼓量只有118mm,該技術(shù)的應用取得了成功。4反拱半徑影響(1)隨著反拱半徑的增大,D點撓度逐漸增大,近似呈線性關(guān)系。