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復(fù)合頂板下錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究
錨網(wǎng)索梯支護(hù)是錨桿、錨索、塑料網(wǎng)、金屬梯形梁或W鋼帶聯(lián)合支護(hù)，共同支撐煤巷頂板的一種新型混合支護(hù)技術(shù)，它的作用原理就是利用錨網(wǎng)索梯支護(hù)強(qiáng)化和提高巷道頂板一定范圍巖層的抗剪壓能力，形成強(qiáng)化承壓拱，抵抗巷道圍巖變形，達(dá)到支撐維護(hù)巷道的目的。其具體作用就是通過對頂錨桿在一定預(yù)緊力作用下進(jìn)行端錨，使端錨范圍內(nèi)的復(fù)合巖層在錨桿的彈性壓縮下形成組合梁，同時利用錨固于穩(wěn)定巖層中的錨索對給合梁在一定預(yù)緊力作用下進(jìn)行懸吊，進(jìn)一步增強(qiáng)組合梁的支護(hù)強(qiáng)度。
摘要：文章通過理論分析、耦合支護(hù)效果分析及工程支護(hù)效果分析，分析了復(fù)合頂板巷道變形破壞機(jī)理，對相應(yīng)的錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)參數(shù)、支護(hù)耦合參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提出針對中國平煤神馬集團(tuán)平煤股份九礦己16-17煤層復(fù)合頂板下的錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)及耦合支護(hù)參數(shù)，對復(fù)合頂板錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高復(fù)合頂板錨網(wǎng)索支護(hù)效果。
關(guān)鍵詞：復(fù)合頂板;三徑匹配;優(yōu)化設(shè)計;錨網(wǎng)索支護(hù);支護(hù)參數(shù)
復(fù)合頂板巷道在煤礦中有廣泛的分布，復(fù)合頂板的支護(hù)是國內(nèi)外巷道支護(hù)的難題之一，復(fù)合頂板的變形破壞主要是因錨桿支護(hù)的主動支護(hù)作用較差，復(fù)合頂板各巖層的節(jié)理裂隙發(fā)育，錨網(wǎng)索支護(hù)由于初始錨桿(索)初始預(yù)應(yīng)力低，現(xiàn)場施工要求不嚴(yán)，錨桿(索)支護(hù)初始預(yù)緊力不足，層理發(fā)育、關(guān)鍵部位支護(hù)變形嚴(yán)重，加之材料管理混亂，鉆頭、錨桿、錨固劑三徑不匹配等各種原因，使復(fù)合頂板的初期離層量和變形量較大，進(jìn)而頂板的穩(wěn)定性持續(xù)惡化，最終導(dǎo)致復(fù)合頂板的大變形以至破壞。為此采用高預(yù)應(yīng)力錨桿(索)，提高錨桿(索)的初始預(yù)緊力以充分發(fā)揮錨桿(索)的主動支護(hù)作用，采用W、M鋼帶或梯形梁、工字鋼組合梁、護(hù)板幫等耦合支護(hù)，提高現(xiàn)場施工管理，為了研究錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)在復(fù)合頂板下的適用性，對我礦己16-17煤層復(fù)合頂板原錨網(wǎng)索支護(hù)出現(xiàn)的問題及破碎原因進(jìn)行分析，對我礦己16-17煤層復(fù)合頂板錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定具體的耦合支護(hù)參數(shù)。
一、工程概況
我單位現(xiàn)施工的己16-17-22051風(fēng)機(jī)兩巷采深較大(-518～-630m)，巷道設(shè)計斷面為梯形斷面，斷面尺寸凈寬4.6m、凈高3.3m，頂板傾角16°～25°。巷道為全煤巷，沿煤層頂板掘進(jìn)，其斷面頂、底板及兩幫圍巖主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖和煤，圍巖較為松軟，巷道頂板及兩幫壓力較大，受鍋底山斷層影響，工作面隱伏地質(zhì)小構(gòu)造多，局部巷道頂板不穩(wěn)定。
二、原巷道支護(hù)情況及支護(hù)效果分析
原巷道采用Φ20/Φ22×2200mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿(強(qiáng)度335MPa)，Φ15.8/Φ17.8×7000mm鋼絞線。原巷道部分巷道變形嚴(yán)重，巷道重復(fù)維修工程量大、維修成本高，嚴(yán)重制約我礦掘進(jìn)單產(chǎn)單進(jìn)水平，增大了維修人力成本投入及材料投入，一次支護(hù)變形嚴(yán)重后二次支護(hù)難度加大，后期維修成本高。
錨桿(索)的初始預(yù)應(yīng)力過小、長度有限，使得錨網(wǎng)索支護(hù)的主動支護(hù)效果得到很大降低，錨桿支護(hù)不能有效發(fā)揮作用，圍巖變形更加顯著。一旦受到外部因素擾動，巷道內(nèi)容易形成應(yīng)力集中，表現(xiàn)為較大的水平應(yīng)力。該構(gòu)造應(yīng)力使巷道圍巖沿著各自區(qū)域內(nèi)的弱面破壞，彈性區(qū)一部分進(jìn)入塑性狀態(tài)，擴(kuò)大了塑性區(qū)的范圍，使得錨桿在現(xiàn)有長度條件下，不能深入到關(guān)鍵承載圈，削弱了錨桿的錨固效果。如果一次錨固效果不佳，使得圍巖穩(wěn)定性遭到很大破壞，增大了后期巷道的支護(hù)難度。
三、巷道支護(hù)優(yōu)化效果
經(jīng)施工期間，錨桿(索)長度及強(qiáng)度的不斷加強(qiáng)，錨桿從Φ20×2200mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿(強(qiáng)度335MPa)到現(xiàn)采用Φ22×2600mm高強(qiáng)讓壓錨桿(強(qiáng)度500MPa)，錨索從Φ15.8×6800mm鋼絞線到現(xiàn)采用Φ22×7000mm鋼絞線，到梯形梁、W鋼帶、護(hù)幫板(舊U型鋼)的投入，支護(hù)效果得到了很大提高，促進(jìn)了我礦高度、高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)材料的投入，也取得了一定的效果，優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)及耦合支護(hù)在我礦得到了進(jìn)一步的使用，降低了我礦巷道維修成本及投入。
四、巷道支護(hù)參數(shù)及耦合參數(shù)優(yōu)化
巷道支護(hù)情況的好壞主要取決于錨桿支護(hù)形式和參數(shù)的設(shè)計。采用錨網(wǎng)索支護(hù)時，在圍巖出現(xiàn)破壞、變形之前，錨桿主要通過提供徑向約束和切向約束對錨固范圍內(nèi)的頂板巖層產(chǎn)生圍壓，提高圍巖中弱面的抗剪強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，增強(qiáng)錨固范圍內(nèi)巖層承受水平構(gòu)造應(yīng)力的能力，避免應(yīng)力向上轉(zhuǎn)移形成新的破壞區(qū)，錨索主要起懸吊作用，對頂板進(jìn)行深部錨固，將錨桿支護(hù)形成的組合拱承載結(jié)構(gòu)傳遞到堅硬頂板中。這樣錨桿與錨索就組成了耦合支護(hù)系統(tǒng)，在巷道頂板形成了耦合承載區(qū)，梯形梁、W鋼帶、護(hù)幫板(舊U型鋼)起均衡錨桿受力和提高整體支護(hù)作用，提高巷道支護(hù)的支護(hù)效果。頂部錨桿支護(hù)材料選取，按加固拱原理及懸吊理論驗(yàn)算確定錨桿支護(hù)參數(shù)如下，錨桿長度按懸吊理論計算：
4.1 錨桿長度L
錨桿長度的計算公式：
L=L1+kLp+L2
式中：
k――安全系數(shù)，取1.3
L1――錨桿外露長度，取0.1～0.4m
Lp――塑性區(qū)寬度，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，頂板松動圈厚度取1.3～1.4m
L2――錨桿錨入圍巖松動圈之外的深度，取0.4m
實(shí)際采用Φ22×2600mm高強(qiáng)讓壓錨桿(強(qiáng)度500MPa)。
4.2 錨固力N
N=π/4・(d2δ屈)
式中：
δ屈――桿體材料屈服強(qiáng)度，500MPa
d――桿體直徑，22mm
N=π/4×0.0222×500×106=190kN
4.3 錨桿間排距
錨桿間距D≤1/2L=1/2×2600=1300mm，取800mm。
錨桿排距L0=nN/(2kraL2)
式中：
n――每排錨桿數(shù)，7根
N――設(shè)計錨固力，150kN
k――安全系數(shù)，取3
r――上覆巖層平均容重，24kN/m3
a――巷道掘進(jìn)寬度之半，2.3m
根據(jù)參數(shù)計算，L=7×190×103/(2×3×24×103×2.3×1.5)=2.677m，取800mm。巷道兩幫錨桿間排距采用800×800mm，符合支護(hù)要求。
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