大跨度巷道反拱半徑與控制效果及開(kāi)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(kāi)挖工程量關(guān)系研究

隨著煤礦開(kāi)采技術(shù)的快速發(fā)展，采礦設(shè)備越來(lái)越大。同時(shí),工作面單產(chǎn)的提高也要求風(fēng)量越來(lái)越大,使得回采巷道的斷面必須隨之?dāng)U大,大量大跨度巷道或硐室隨之出現(xiàn)。長(zhǎng)期以來(lái),大跨度巷道或硐室的底鼓問(wèn)題一直嚴(yán)重影響著礦井的安全正常生產(chǎn),而對(duì)其的控制卻一直沒(méi)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(hù)技術(shù)的出現(xiàn),這一情況才得以改善?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果顯示,該技術(shù)對(duì)該類(lèi)底鼓的控制具有積極作用。然而,長(zhǎng)期以來(lái),由于對(duì)反拱半徑同控制效果及開(kāi)挖工程量關(guān)系的認(rèn)識(shí)不夠深入,常出現(xiàn)因反拱半徑設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致控制效果不理想或開(kāi)挖工程量過(guò)大的問(wèn)題,一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制效果與經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益的最優(yōu)化?；谏鲜霰尘?本文通過(guò)建立底板變形撓度力學(xué)分析模型,對(duì)混凝土反拱控制底鼓中的反拱半徑同底板變形撓度及開(kāi)挖工程量的關(guān)系進(jìn)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(cāng)泵房,凈斷面尺寸(寬×高)4m×3m,布置在3煤中,沿煤層頂板掘進(jìn),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(zhǎng)石次之,含巖屑,以大型楔狀交錯(cuò)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(cuò)層理為主,含豐富的不完整植物化石,鉆孔柱狀圖見(jiàn)圖1。水倉(cāng)泵房掘出后,由于底板跨度較大且敞開(kāi),加之支護(hù)強(qiáng)度低,服務(wù)期間底鼓嚴(yán)重,累計(jì)底鼓量很大,嚴(yán)重影響其安全正常使用。經(jīng)過(guò)對(duì)底鼓機(jī)制的深入分析及對(duì)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(hù)的形式來(lái)控制底鼓,以保證水倉(cāng)泵房在服務(wù)期間的正常使用。2地板變形張力分析2.1形撓度力學(xué)模型基于水倉(cāng)泵房底板巖層受力,建立如圖2所示的底板變形撓度力學(xué)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(yīng)力梯度,認(rèn)為在反拱開(kāi)挖范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力F為固定值,方向沿反拱法線指向圓心。2.2計(jì)算鞋底變形強(qiáng)度的計(jì)算根據(jù)上述假設(shè),底板反拱受力均勻,則底板中線D點(diǎn)撓度必定最大,為了反映問(wèn)題且簡(jiǎn)化計(jì)算,本文僅研究底板中點(diǎn)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(duì)稱(chēng),因此,兩側(cè)F的水平方向分力抵消,對(duì)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(duì)式積分的求解由于AC、CB兩段彎矩方程不同,因此分別對(duì)式(3)、(4)積分,計(jì)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(diǎn)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(diǎn)d的限制2.2.7不給結(jié)果增加顯著偏差因?yàn)閍是關(guān)于θ的函數(shù),而且表達(dá)式較煩瑣,為了簡(jiǎn)化被積函數(shù)的難度,同時(shí)不給結(jié)果帶來(lái)顯著偏差,可令a=d/4,然后對(duì)上式積分,可得2.3反拱半徑d點(diǎn)與開(kāi)挖應(yīng)力場(chǎng)關(guān)系由式(17)可見(jiàn),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(cāng)泵房寬度d,此時(shí)D點(diǎn)撓度最小,但此時(shí)的開(kāi)挖工程量與支護(hù)的經(jīng)濟(jì)成本最高?；谑?17),取不同反拱半徑,計(jì)算可得不同反拱半徑同開(kāi)挖工程量(每米反拱)及D點(diǎn)撓度的關(guān)系(見(jiàn)表1)。由圖3可知,隨著反拱半徑的增大,D點(diǎn)撓度逐漸增大,近似呈線性關(guān)系;隨著反拱半徑的增大,開(kāi)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(dāng)反拱半徑r從4.8m增大到6m時(shí),開(kāi)挖工程量減小66%,而當(dāng)r從6m增大到12m時(shí),開(kāi)挖工程量?jī)H減小20%,繼續(xù)增加反拱半徑,開(kāi)挖工程量減小的幅度更小,但控制效果越來(lái)越差?？梢?jiàn),反拱半徑為6m時(shí),開(kāi)挖工程量與控制效果綜合最優(yōu),該點(diǎn)即為最優(yōu)折中點(diǎn)。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(hù)參數(shù)確定如下:(1)采用?22mm×L2400mm高強(qiáng)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(pán)厚度10mm,錨桿絲扣段加工200mm。(3)底板錨桿采用樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固,樹(shù)脂藥卷規(guī)格:CK2335、Z2360各一支。施工完成后,進(jìn)行為期50d的礦壓觀測(cè),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(yīng)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(diǎn)撓度逐漸增大,近似呈線性關(guān)系。