楊村煤礦單軌吊運(yùn)輸厚灰?guī)r巷道頂板穩(wěn)定性研究

王慶路，王 偉，幸奠軍，張 強(qiáng)

（兗州煤業(yè)股份有限公司 楊村煤礦，山東 濟(jì)寧 272118）

隨著煤炭開采技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)效率不斷提高，綜采設(shè)備以及液壓支架單件的重量越來越大。單軌吊作為一種新型的輔助運(yùn)輸設(shè)備，對(duì)底板條件的適應(yīng)性強(qiáng)，比傳統(tǒng)輔助運(yùn)輸方式效率高，安全性也高，然而在單軌吊載荷作用下，巷道頂板承受高集中應(yīng)力的作用，頂板的失穩(wěn)方式及支護(hù)機(jī)理均發(fā)生改變，對(duì)巷道的穩(wěn)定存在威脅。近年來，我國學(xué)者對(duì)單軌吊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及作用機(jī)理進(jìn)行了大量研究，取得了諸多成果。肖亞寧[1]通過試驗(yàn)和理論分析，對(duì)錨桿支護(hù)巷道單軌吊懸吊技術(shù)進(jìn)行了研究，并通過井下工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證了采用錨桿或錨索懸吊單軌吊的可行性。侯志軍[2]針對(duì)具體的頂板情況，探討了懸吊結(jié)構(gòu)中錨索、錨桿受力狀況，分析了錨索、錨桿聯(lián)合懸吊技術(shù)的可行性。王開松[3]指出單軌吊軌道在起吊運(yùn)輸重載荷時(shí)，承受的應(yīng)力狀況與受載點(diǎn)、軌道長度、軌道懸掛點(diǎn)密切相關(guān)。謝生榮[4]針對(duì)單軌吊作用下區(qū)段平巷頂板控制難題，將巷道頂板視為深梁進(jìn)行穩(wěn)定性分析，建立了單軌吊作用下巷道頂板錨固復(fù)合深梁承載結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型。以往對(duì)于單軌吊穩(wěn)定性的研究鮮有針對(duì)無支護(hù)情況下的厚頂板的巷道，為了明確設(shè)備運(yùn)輸過程中，單軌吊作用下巷道頂板穩(wěn)定性問題，本文以楊村煤礦六采區(qū)6602 工作面16上煤層巷道為例，對(duì)無支護(hù)情況下的厚灰?guī)r頂板穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 概 況

六采區(qū)位于楊村井田的南部，北鄰四采區(qū)，東到礦井邊界與鮑店礦相鄰，南至礦井邊界與田莊礦、橫河礦相鄰，西至八采區(qū)。采區(qū)為三角形，采區(qū)南北走向長約1.47 km，東西傾向長約1.50 km，面積約1.96 km2。采區(qū)內(nèi)地面標(biāo)高為+38.9—+43.92 m，平均+41.91 m。

16上煤層煤層厚度0.69～1.72 m，平均厚度1.20 m。頂板為十下灰，厚度3.72～6.04 m，平均厚度4.88 m，全區(qū)穩(wěn)定分布。其抗壓強(qiáng)度為156.9～235.347 MPa。淺部或構(gòu)造附近裂隙發(fā)育，富水性較好。底板為鋁質(zhì)泥巖或泥巖，厚度0.51～3.71 m，平均為1.66 m。有時(shí)相變?yōu)槟鄮r、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖或細(xì)砂巖。

2 單軌吊受力分析

單一巖層的巷道頂板在開挖巷道后無支護(hù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)2 種情況，一是巷道圍巖變形到一定程度后即停止變形，并能長期穩(wěn)定；二是巷道圍巖變形過程中伴隨著片幫和冒頂，當(dāng)冒落到一定程度時(shí)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定[5]。6602 工作面16上煤層巷道頂板在單軌吊的作用下，承受較高的集中應(yīng)力，容易造成頂板的破壞。單軌吊錨桿錨固于頂板巖層中，需要足夠的承載能力對(duì)單軌吊形成有效的懸吊。單軌吊穩(wěn)定性的主要影響因素為頂板巖層的完整性及穩(wěn)定性，尤其是對(duì)于無支護(hù)條件下的單軌吊。

2.1 吊掛點(diǎn)受力分析

根據(jù)軌道參數(shù)，每根軌道長2.4 m，設(shè)計(jì)楊村煤礦最大單件重量為10 000 kg，起吊梁自重1 490 kg，用起吊梁運(yùn)輸時(shí)，10 000 kg+1 490 kg=11 490 kg，即114.9 kN，4 個(gè)承載小車，每個(gè)小車的受力為28.73 kN。軌道吊掛點(diǎn)的受力分析如圖1 所示。吊掛點(diǎn)2 承受最大的力為T1+T2+T3。

圖1 吊掛點(diǎn)受力分析Fig.1 Stress analysis of hanging point

吊點(diǎn)長度L=2.4 m；小車吊點(diǎn)距離A=1.81 m

其中，0≤X≤1.81。

則2 點(diǎn)的吊掛力：

當(dāng)X=1.81 時(shí)，吊掛力最大為T=42.85 kN。

2.2 單軌吊作用下巷道頂板變形破壞機(jī)理

為便于分析，從單軌吊巷道開挖表面頂板中分離單軌吊錨固點(diǎn)巖層，并假設(shè)單軌吊錨固點(diǎn)巖層為均質(zhì)體，如圖2 所示。

圖2 單軌吊載荷作用下巷道頂板力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of roadway roof under monorail crane load

無單軌吊作用時(shí)，頂板受上覆巖層施加的均布載荷作用（圖3），結(jié)合材料力學(xué)中均布載荷作用下梁的最大撓度（頂板下沉量），可得：

式中：E 為巖層的彈性模量；I 為梁的慣性矩；q為載荷集度；l 為巷道有效跨度。

圖3 均布荷載下的簡支梁受力示意Fig.3 Stress of simply supported beam under uniform load

L 可表示為：

式中：b 為巷道高度；φ為煤體的內(nèi)摩擦角。

取巖梁為單位寬度，其慣性矩為：

單軌吊作用下，梁的最大撓度隨單軌吊作用位置的變化而變化，如圖4 所示。

結(jié)合材料力學(xué)中集中力下梁的最大撓度，可得單軌吊位于巷道中心時(shí)w2為：

單軌吊作用下頂板最大撓度為：

圖4 集中荷載下的簡支梁受力示意圖Fig.4 Stress of simply supported beam under concentrated load

由吊掛點(diǎn)受力分析可知，吊掛力最大為T=42.85 kN，計(jì)算時(shí)取3 倍的安全系數(shù)，則吊掛點(diǎn)的最大承受力為42.85×3=128.56 kN。16上煤頂板十下灰?guī)r厚度分別為0.8、1.4、3.2、6 m 的撓度如圖5 所示。

圖5 不同灰?guī)r厚度下頂板撓度Fig.5 Roof deflection under different limestone thickness

由圖5 可知，隨著灰?guī)r厚度的增大，頂板下沉量明顯減小。16上煤頂板灰?guī)r厚度為0.8 ～6 m 時(shí)，上覆巖層重力載荷造成的撓度值（即上覆頂板下沉量） w1=0.003 ～0.543 mm，由單軌吊載荷造成的撓度值 w2=0.412 ～ 173.879 mm。

3 單軌吊對(duì)巷道頂板穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬

單軌吊載荷作用下，巷道頂板的破壞與圍巖的應(yīng)力變化及位移密切相關(guān)。建立六采區(qū)工作面軌順頂板數(shù)值模型，對(duì)單軌吊不同載荷大小及不同位置下無支護(hù)巷道的圍巖應(yīng)力場、位移場及塑性區(qū)分布特征進(jìn)行分析。

根據(jù)六采區(qū)地層綜合柱狀圖，建立該采區(qū)內(nèi)工作面巷道及圍巖的數(shù)值模型。模型尺寸長×寬×高=25 m×20 m×15.5 m，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為100 491，網(wǎng)格數(shù)目為94 080，共包含12 個(gè)分層、9 種巖性。巷道采用挖底的方式掘進(jìn)，設(shè)計(jì)斷面尺寸為3.8 m×3.1 m。此次計(jì)算采用彈塑性模型，計(jì)算中采用莫爾- 庫侖（Mohr-Coulomb） 屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞情況。模型的底部及四周采取滾支邊界，即固定法向位移；頂部施加上覆巖層重力載荷為γH=9.58 MPa，單軌吊軌道單點(diǎn)（每個(gè)吊掛點(diǎn)2 根錨桿） 吊掛力為F=130 kN，相鄰吊掛點(diǎn)之間距離為2.4 m，設(shè)置15 個(gè)吊掛點(diǎn)。

3.1 灰?guī)r不同厚度對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響

單軌吊極限載重條件下，最大單件重量10 000 kg，對(duì)應(yīng)的吊掛點(diǎn)最大受力為130 kN。將頂板十下灰?guī)r的厚度作為變量，厚度設(shè)置為0.8、1.4、3.2、6 m，研究頂板十下灰?guī)r不同厚度條件16上煤層內(nèi)工作面巷道的穩(wěn)定性。

3.1.1 不同頂板厚度對(duì)圍巖垂直應(yīng)力的影響

圖6 表明巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)垂直應(yīng)力卸壓區(qū)，應(yīng)力值隨著向巖體內(nèi)部推移呈逐漸增大趨勢；兩幫垂直應(yīng)力值隨著向巖體內(nèi)部推移呈先增大后減小的趨勢，垂直應(yīng)力等值線由密變疏，在巷道幫部及底角1 m 內(nèi)的范圍形成應(yīng)力集中區(qū)。頂板十下灰?guī)r厚度的變化從0.8 ～6 m，巷道應(yīng)力峰值的變化趨勢如圖7 所示。巷道開挖前原巖應(yīng)力為10.3 MPa。頂板灰?guī)r不同厚度下，巷道兩幫垂直應(yīng)力峰值均接近22.8 MPa，峰值集中系數(shù)為2.21。由于頂板十下灰?guī)r的強(qiáng)度和剛度較大，當(dāng)厚度為0.8 m 時(shí)已形成較穩(wěn)定的圍巖應(yīng)力場。

3.1.2 頂板厚度對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響

頂板十下灰?guī)r厚度不同時(shí)圍巖塑性區(qū)分布狀態(tài)如圖8 所示，其中 shear-n 為臨界剪切破壞，shear-p 為已發(fā)生剪切破壞，tension-n 為臨界拉伸破壞，tension-p 為已發(fā)生剪切破壞?？梢娤锏缼筒?.25 m 范圍出現(xiàn)拉伸破壞。頂板0.25～0.5 m 剪切和拉伸破壞形式均有發(fā)生，隨著頂板灰?guī)r厚度的增加，頂板塑性區(qū)的范圍明顯減小。

圖6 不同頂板灰?guī)r厚度下圍巖垂直應(yīng)力云圖Fig.6 Vertical stress nephogram of surrounding rock under different roof limestone thickness

圖7 垂直應(yīng)力峰值隨頂板灰?guī)r厚度的變化Fig.7 Variation of vertical stress peak value with the thickness of roof limestone

3.2 單軌吊不同載重對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響

16上煤直接頂為厚度為3.72～6.04 m，平均厚度4.88 m 的石灰?guī)r。將單軌吊載重作為研究變量時(shí)，灰?guī)r厚度取3.2 m。單軌吊安裝在巷道頂板中心，分別對(duì)不同載重下巷道圍巖的塑性區(qū)進(jìn)行分析。分別模擬10、20、30、40 t 載重時(shí)對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，安裝懸吊錨桿時(shí)考慮3 倍安全系數(shù)。

圖8 不同頂板灰?guī)r厚度下圍巖塑性區(qū)Fig.8 Plastic zone of surrounding rock under different roof limestone thickness

不同載重下巷道圍巖的塑性區(qū)如圖9 所示。可見單軌吊載重的變化，對(duì)六采區(qū)內(nèi)工作面巷道圍巖塑性區(qū)范圍的影響不大。由此可知，巷道圍巖的穩(wěn)定性基本不受單軌吊載重變化的影響。

圖9 單軌吊不同載重下圍巖塑性區(qū)Fig.9 Plastic zone of surrounding rock under different loads of monorail crane

4 工程實(shí)踐

為了解單軌道影響下的頂板變形情況，對(duì)單軌吊安裝后的巷道進(jìn)行礦壓監(jiān)測（圖10），礦壓觀測主要監(jiān)測巷道圍巖表面位移。

監(jiān)測結(jié)果表明，單軌吊安裝后6602 工作面軌道順槽頂板最大位移量及兩幫最大位移為28 mm、17 mm，巷道圍巖表面位移量小。表明楊村煤礦16上煤巷道頂板在單軌吊作用下，巷道圍巖穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

（1） 通過對(duì)單軌吊的受力分析，確定了懸掛點(diǎn)的最大受力以及單軌吊作用下頂板的撓度范圍。

（2） 通過數(shù)值模擬分析了不同灰?guī)r頂板厚度和不同載重對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，當(dāng)灰?guī)r厚度超過0.8 m 時(shí)，巷道圍巖能保持穩(wěn)定。單軌吊載重對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定基本沒有影響。

（3） 巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果表明，楊村煤礦16 上煤巷道頂板在單軌吊作用下，巷道圍巖穩(wěn)定。

圖10 位移隨時(shí)間變化Fig.10 Displacement versus time graph