張 磊
(西山煤電集團(tuán)公司 官地礦, 山西 太原 030022)
目前,西山煤電集團(tuán)所屬礦井綜采工作面末采擴(kuò)循環(huán)段跨度已普遍超過(guò)3.2 m,現(xiàn)有支護(hù)手段主要對(duì)擴(kuò)循環(huán)通道頂板采取錨桿索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),忽視了支架頂梁上部煤巖體的支護(hù)效果,從后期拆架撤面效果來(lái)看,支架上部煤巖體較為破碎,難以自承,撤出一個(gè)架后,流渣現(xiàn)象明顯,需要加木垛進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。同時(shí),擴(kuò)循環(huán)段頂板下沉量急劇增大,往往需要拉底作業(yè)才能滿(mǎn)足出架需要,不僅耗時(shí)耗力,也給施工作業(yè)帶來(lái)極大的安全隱患[1-3]. 針對(duì)此,必須對(duì)現(xiàn)有工作面末采技術(shù)中的支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)支架上方直接頂是否發(fā)生斷裂,建立了“懸臂梁”與“簡(jiǎn)支梁”兩類(lèi)不同頂板力學(xué)模型,基于力學(xué)分析結(jié)果,提出預(yù)緊鋼絲繩與預(yù)應(yīng)力錨索網(wǎng)支護(hù)技術(shù),對(duì)支架上部直接頂支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì),將上部頂板力學(xué)狀態(tài)由“懸臂梁”變?yōu)椤昂?jiǎn)支梁”,達(dá)到減少拆架通道頂板變形量的目的,并在官地礦33421綜采工作面末采工程中進(jìn)行應(yīng)用,進(jìn)行礦壓觀測(cè),驗(yàn)證其使用效果。
當(dāng)工作面擴(kuò)循環(huán)完成后,根據(jù)“砌體梁”理論[4-5],采場(chǎng)上覆巖層破斷后重新組合,形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[3-4]. 為方便計(jì)算,本文只討論基本頂斷裂在停采線(xiàn)后方這種情況,采場(chǎng)上部基本頂斷裂后,隨工作面的繼續(xù)推進(jìn),頂板結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1. 巖梁B發(fā)生折斷,進(jìn)而扭轉(zhuǎn),由于工作面不再推進(jìn),巖梁A不再發(fā)生破壞,只是與巖梁B鉸接,此時(shí)巖梁B通過(guò)回轉(zhuǎn)給支架上方直接頂一個(gè)力矩M,當(dāng)支架上部直接頂未斷裂時(shí),可將頂板力學(xué)模型簡(jiǎn)化為一頭固定,一頭鉸接的懸臂梁結(jié)構(gòu),直接頂上部受巖體自身重力,呈均載荷q分布,梁端頭受基本的巖梁B的回轉(zhuǎn)作用,見(jiàn)圖2. 當(dāng)支架上部直接頂發(fā)生斷裂時(shí),可將頂板力學(xué)模型簡(jiǎn)化為懸臂梁,見(jiàn)圖3,下面針對(duì)兩種力學(xué)模型分別進(jìn)行理論計(jì)算。
圖1 工作面末采擴(kuò)循環(huán)階段頂板結(jié)構(gòu)圖
圖2 支架上部直接頂未斷裂力學(xué)模型圖
圖3 支架上部直接頂斷裂力學(xué)模型圖
1) 支架上部直接頂斷裂時(shí)。
根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算可知,撓度與轉(zhuǎn)角最大均發(fā)生在梁端,使用疊加原理將力學(xué)模型分解為均載作用與扭矩作用兩個(gè)模型,對(duì)梁端的擾度與轉(zhuǎn)角分別計(jì)算疊加。
對(duì)于均載作用q下,最大撓度與轉(zhuǎn)角分別為:
(1)
式中:
q—頂板上部載荷,kN;
E—頂板圍巖彈性模量,MPa;
l—頂板長(zhǎng)度,m;
I—截面的慣性矩,m4.
對(duì)于扭矩M作用下,最大撓度與轉(zhuǎn)角分別為:
(2)
式中:
M—支架上方頂板所受力矩,N·M.
因此,梁端的撓度與轉(zhuǎn)角分別為:
(3)
2) 支架上部直接頂未斷裂時(shí)。
使用疊加原理將力學(xué)模型分解為均載作用與扭矩作用兩個(gè)模型,根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算,對(duì)梁端的擾度與轉(zhuǎn)角分別計(jì)算疊加。
對(duì)于均載作用q下,當(dāng)x=0.422l時(shí),最大撓度為:
(4)
對(duì)于扭矩M作用下,撓度為:
(5)
將x=0.422l帶入式(5),可得:
(6)
因此,梁的最大撓度為:
(7)
通過(guò)比較分析可知,“懸臂梁”模型最大撓度要比“簡(jiǎn)支梁”模型最大撓度大4.0~4.4倍。也就是說(shuō),支架頂梁上部直接頂斷裂時(shí),直接頂變形劇烈,且變形最大點(diǎn)為支架前梁處。相反,當(dāng)支架上部直接頂不發(fā)生斷裂時(shí),直接頂變形較小,且變形最大點(diǎn)為擴(kuò)循環(huán)段中部靠前,即與支架上部破碎煤巖體相距較遠(yuǎn),對(duì)頂板管理有利。綜上,在綜采工作面末采過(guò)程中,必須加強(qiáng)支架上部直接頂支護(hù)強(qiáng)度,確保圍巖體穩(wěn)定。
現(xiàn)有末采技術(shù),只是在末采過(guò)程中鋪設(shè)金屬網(wǎng),只起到擋矸作用,不能提供主動(dòng)支護(hù)力,且在鋪網(wǎng)過(guò)程中,頻繁升降架,推進(jìn)度慢,支撐壓力對(duì)支架上部直接頂反復(fù)作用,造成該段直接頂破碎直至斷裂,最終上部頂板形成“懸臂梁”模型,失去“支架—圍巖”支護(hù)體系作用。根據(jù)理論分析可知,拆架通道頂板形成“簡(jiǎn)支梁”模型對(duì)頂板管理有利,為此需要采取一定的支護(hù)手段,確保支架上部直接頂不發(fā)生斷裂,形成“簡(jiǎn)支梁”模型。
提出了一種末采階段支護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化方法,即通過(guò)鋪設(shè)預(yù)緊鋼絲繩和打設(shè)錨索,增加支架上部煤巖體支護(hù)強(qiáng)度,同時(shí)優(yōu)化擴(kuò)循環(huán)段錨桿索網(wǎng)布置方式,對(duì)末采階段頂板進(jìn)行控制,其主要工藝如下:
1) 在綜采工作面末采鋪網(wǎng)過(guò)程中,當(dāng)金屬網(wǎng)進(jìn)至合適地點(diǎn)后,將直徑不小于26 mm的鋼絲繩一端固定于綜采工作面一側(cè)巷道一個(gè)支撐梁或錨索上,將鋼絲繩沿支架頂梁前鋪設(shè)在金屬網(wǎng)下并在每架處將兩者固定,使鋼絲繩位于金屬網(wǎng)的下側(cè)對(duì)金屬網(wǎng)形成托設(shè)。
2) 將鋼絲繩另一端沿工作面走向鋪設(shè)并拉緊,每間隔10 m使用2.4 m錨桿進(jìn)行固定,具體方法為將鋼絲繩壓在錨片下,錨桿預(yù)緊力不得低于60 kN,依次進(jìn)行,直至將第一根鋼絲繩鋪設(shè)完成,在工作面另一端頭將鋼絲繩使用繩卡預(yù)緊固定在梁或錨索上。
3) 鋪設(shè)完成第一道鋼絲繩后,工作面推進(jìn)2個(gè)循環(huán),沿支架頂梁在各支架側(cè)護(hù)板間打設(shè)合適長(zhǎng)度的錨索進(jìn)行主動(dòng)支護(hù),錨索長(zhǎng)度根據(jù)上部煤巖體進(jìn)行選擇,但必須固定在上部穩(wěn)定圍巖中,錨索間距1.5 m,預(yù)緊力不小于120 kN.
4) 打設(shè)完預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)后,工作面再推進(jìn)1~2個(gè)循環(huán),此時(shí)繼續(xù)鋪設(shè)鋼絲繩,鋪設(shè)方法同第一道。
5) 擴(kuò)循環(huán)段頂板采用4排錨桿索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),考慮到錨桿索協(xié)同承載作用機(jī)理,錨桿間距取1.0 m,錨索間距取1.0~1.5 m,排距均為900 mm,且錨桿索交替支護(hù)。
針對(duì)工作面頂板圍巖穩(wěn)定性及采高,可制定不同的支護(hù)強(qiáng)度,鋼絲繩可配合錨桿索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),但鋼絲繩不得少于2道,所打設(shè)鋼絲繩必須位于支架頂梁上部,且具有一定的預(yù)緊力。
1) 支架上部直接頂支護(hù)系統(tǒng)。
官地礦33421綜采工作面末采首次使用鋼絲繩配合錨索控制支架頂梁頂板,支護(hù)示意圖見(jiàn)圖4,具體施工要求為:在鋪網(wǎng)過(guò)程中,要求在距支架頂梁端頭1.0 m處往后依次鋪設(shè)2道鋼絲繩,間距為3.0 m,直徑不小于26 mm,每架前用雙股14#鐵絲將金屬網(wǎng)與鋼絲繩相聯(lián),在兩端頭各打一根起吊錨索,使用至少3道卡子將鋼絲繩固定在起吊錨索上,工作面每隔7個(gè)支架打設(shè)一根錨桿將鋼絲繩壓緊。同時(shí),在支架立柱前500 mm處施工4.2 m長(zhǎng)錨索一排,間距1.5 m.
2) 擴(kuò)循環(huán)段錨桿索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)。
隨工作面推進(jìn),待第一道4 m板梁全部落入采空區(qū)并被矸石壓實(shí)后,將支架對(duì)齊,開(kāi)始擴(kuò)循環(huán),頂板采用錨桿索聯(lián)合支護(hù)配合穿插梁的方式進(jìn)行支護(hù)。
錨桿索布置形式為:第一排在支架頂梁端前300 mm的位置打設(shè)錨桿索支護(hù),錨桿索交替布置,間距為1 m,第二排、第三排、第四排支護(hù)同第一排,錨桿索位置交叉布置,排距均為0.9 m,錨索規(guī)格為d21.6 mm×4 200 mm,錨桿規(guī)格為d22 mm×2 400 mm. 頂板破碎段配合穿梁支護(hù),梁選用4.2 m工字鋼梁,每架兩根,梁的一端頂死煤幫,另一端插入支架不小于0.4 m,間距0.75 m,均勻布置。
圖4 33421綜采工作面末采支護(hù)設(shè)計(jì)圖
通過(guò)實(shí)施該支護(hù)技術(shù),在該面拆架期間,通過(guò)礦壓觀測(cè)可知,頂板變形量低于300 mm,符合使用要求,同時(shí)不需要在拆架三角煤處加打支護(hù),為安全生產(chǎn)創(chuàng)造良好條件。
1) 基于“砌體梁”理論,以支架上部直接頂是否斷裂為判別標(biāo)準(zhǔn),提出綜采工作面末采擴(kuò)循環(huán)期間“懸臂梁”與“簡(jiǎn)支梁”兩類(lèi)不同頂板力學(xué)模型,并進(jìn)行了力學(xué)分析,得出最大撓度及位置,通過(guò)分析對(duì)比,為綜采工作面末采擴(kuò)循環(huán)期間頂板支護(hù)提供理論基礎(chǔ)。
2) 以“簡(jiǎn)支梁”模型為基礎(chǔ),提出預(yù)緊鋼絲繩與預(yù)應(yīng)力錨索網(wǎng)對(duì)支架上部直接頂支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì),通過(guò)提高對(duì)支架上部直接頂?shù)闹鲃?dòng)支護(hù),提高了擴(kuò)循環(huán)段頂板力學(xué)性能及支護(hù)強(qiáng)度,為末采期間及拆架撤面期間創(chuàng)造安全生產(chǎn)作業(yè)條件,該控制技術(shù)在官地礦33421工作面末采期間進(jìn)行應(yīng)用,通過(guò)礦壓觀測(cè)可知,頂板變形量低于300 mm使用效果良好。