新集一矿厚硬顶板切顶留巷柔模墙强度校核

６摘要:在切顶卸压柔模墙支护沿空留巷技术中,柔模墙稳定是切顶留巷成功的关键。本研究通过构建切顶留巷顶板载荷条带分割法计算模型,计算煤帮塑性区、锚杆(索)、单元支架和柔模墙等对顶板的支撑力矩,以及岩层载荷、弧形三角区顶板旋转下沉时产生的力矩、岩层塑性弯矩和岩层抗弯弯矩,校核柔模墙稳定性,分析影响柔模墙稳定的因素。关键词:切顶留巷;弧形三角区;顶板载荷;柔模墙稳定性柔模墙体及超前柱式支护是我国世纪以来沿空留巷技术的新发展[１]ꎬ切顶柔模墙是在传统柔模墙沿空留巷基础上结合切顶卸压技术使上覆岩层的结构特征发生变化ꎬ切断采空区上覆顶板与巷道顶板的联系ꎬ弱化巷道顶板上方力的传递[]ꎮ针对切顶沿空留巷柔模墙支护中巷道围岩应力变化过程、不同切顶方式已多有研究[]ꎬ对于柔模墙体受力变化以及在切顶卸压过程中保持足够稳定性的研究较少ꎮ新集一矿(６)采区６煤层为单翼开采ꎬ该采风巷采用切顶留巷技术开采ꎬ留巷作为相邻工作面风巷ꎬ但该面采用切顶留巷技术ꎬ工作面周期来压步距大ꎬ工作面端头悬顶ꎬ采空区难以冒实ꎬ柔模墙体承受载荷大ꎬ另一侧煤体挤压变形严重ꎬ底鼓量大ꎬ严重影响留巷通风、行人和运料ꎮ通过理论计算柔模墙受力变化ꎬ分析柔模墙影响因素ꎬ结合多种卸压措施保持柔模墙稳定ꎬ保障作业安全ꎮ工作面平均可采走向.ꎬ平均倾斜长ꎬ掘进时采用平顶断面施工ꎬ支护方式为锚网索支护ꎮ风巷采用“超前深孔预裂爆破＋深浅孔切单元支架和锚索超前加强支护ꎬ每隔布置一组超布置组钻孔ꎮ同时ꎬ靠工作面侧采用深浅孔切顶ꎬ所示ꎮ图工作面采掘工程平面图图工作面风巷炮孔布置剖面图２切顶留巷顶板结构力学模型构建工作面回采后ꎬ巷旁充填１.宽的柔模墙ꎬ采空区基本顶“”破断在工作面端头形成弧形7图3工作面基本顶破断演变形态采空区弧形三角区顶板破断时,采用顶板载荷条带分割法,条带宽度取单位宽度,如图4所示(l1为弧形三角区走向长度,m;L1为弧形三角区倾向长度,m)。图4顶板载荷条带分割法计算模型对AD段进行分析,由∑M=0,则:式中,Mf0为风巷煤帮塑性区对顶板的支撑力矩,F为风巷锚杆对顶板的支撑力矩,kN●m;MF为风巷锚索对顶板的支撑力矩,kN●m;MF为风巷单元y支架对顶板的支撑力矩,kN●m;MFd为风巷柔模墙对顶TD1为弧形三角区顶板旋转下沉时产生的力矩,kN●m;MP1为岩层塑性弯矩,kN●m;TD1为采空区弧形三角区顶板旋转下沉时产生的剪力,kN;MA为岩y①煤帮塑性区对顶板的支撑力矩Mf0采用LTD-2100型探地雷达,测出风巷留巷后一f0式中,x0为风巷煤帮塑性区宽度,取2.30m;σm为6煤层抗压强度,取15MPa;σmc为6煤层残余抗压强(3)式中,f0为煤帮塑性区对顶板支护阻力,kN;Mf0为f0对A端的力矩,kN●m。②锚杆对顶板的支撑力矩MFm８将螺母扭矩按下式换算为锚杆预紧力:ＭＤ为锚杆直径ꎬꎻＫ为与锚杆螺纹的形式、接触面、材料和杆径等有关的系数ꎮ据式(４)计算出.ꎮｍ③锚索对顶板的支撑力矩Ｆｓ风巷顶板基本支护采用Φ.×锚索ꎬ道基本支护锚索的预紧力ꎬ取ꎻ为基本支护锚面顶板补强锚索规格为Φ.×ꎬ每排布置图风巷加强支护断面图风巷锚索对顶板的支撑力矩为:ｓ④单元支架对顶板的支撑力矩Ｆｙ工作面超前巷内加强支护采用//单元ｙ加强支护单元支架的预紧力ꎬ取ꎻ为单元支ｙ⑤柔模墙对顶板的支撑力矩Ｆ柔模墙内缘距离切缝线ꎬ滞后支架不超过式中ꎬ为柔模墙承受的分布力ꎬ/ｍꎻ为柔模墙到另一侧煤帮距离ꎬ取４.ꎻ为柔模墙宽度ꎬ根据式()计算出.ꎮ⑥岩层载荷对Ａ端的力矩层载荷为:γ()()煤顶板属于中硬顶板ꎬ按照下式计算:ｍ得./ꎮ岩层载荷对Ａ端的力矩为:９据式()计算出.●ｍꎮ⑦弧形三角区顶板旋转下沉时产生的力矩Ｔ()式中ꎬ为顶板旋转下沉时产生的剪力ꎬꎻ采用激光测距仪测出风巷留巷后采空区后方弧形三角区走向长度为ꎬ倾向长度为ꎮ[()δ](⑧岩层塑性弯矩１EQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(２),１)()计算参数取./ꎬꎬ根据式()计算出.●ｍꎮ边界条件呈悬臂状态时ꎬ则:１EQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(２),１)()由于风巷采用深浅孔切顶ꎬ可认为顶板已被切断ꎬ边界条件为简支状态ꎮ⑨岩层抗弯弯矩Ａ于粉砂岩ꎬ根据岩层关键层理论ꎬ石英砂岩与粉砂岩发生同步破断ꎮ岩层的抗弯弯矩为:１()由于石英砂岩与粉砂岩发生同步破断ꎬ类似组合梁ꎬ组合岩层厚度为ꎬ组合岩层强度为＝()柔模墙属于被动支护ꎬ承受的分布力取决于弧形三角区顶板的下沉变形ꎮ根据式(１)、式()计算柔模墙承受的分布力./ｍꎮ柔模墙采水泥能提供的支护阻力能达到./ｍꎬ强度满足要求ꎮ如果风巷不采用超前深孔预裂爆破和深浅孔切顶ꎬ式()计算柔模墙承受的分布力./ｍꎬ强度不够ꎬ柔模墙被压坏ꎮ如果风巷支护强度不够ꎬ或柔模墙接顶不实ꎬ可能造成巷道顶板Ａ端过早发生断裂ꎮ根据式(１)、式()、式()、式()计算柔模墙承受的分布力柔模墙稳定性影响因素分析:柔模墙承受的分布力与煤帮塑性区宽度呈缩短弧形三角区顶板走向长度ꎬ降低超前支承压力对煤帮的破坏ꎬ或锚索超前加固煤帮ꎬ从而减少煤帮塑性区宽度ꎬ有利于柔模墙稳定ꎮ柔模墙承受的分布力与弧形三角区倾向长度呈线性增加关系ꎬ如图所示ꎮ通过超前深孔预裂爆破ꎬ缩短弧形三角区顶板倾向长度ꎬ有利于减少柔模墙分布力ꎮ根据式()ꎬ弧形三角区顶板处于简支条件时ꎬ岩层塑性弯矩.×●ｍꎻ处于固支条件柔模墙稳定ꎮ柔模墙承受的分布力与柔模墙宽度呈幂函标号ꎬ有利于提高柔模墙稳定性ꎮ柔模墙承受的分布力与煤帮残余强度σ呈线性降低关系ꎬ如图所示ꎮ通过风巷一侧煤帮注浆提高煤体残余强度ꎬ有利于柔模墙稳定ꎮ柔模墙承受的分布力与巷道宽度ａ呈线性增加关系ꎬ如图所示ꎮ如果留巷后巷道变形严重ꎬ巷道扩刷时在符合通风、行人和运输条件下ꎬ尽量减少巷道的扩刷宽度ꎮ构建切顶留巷顶板结构力学模型ꎬ采用顶板载荷条带分割法ꎬ计算煤帮塑性区、锚杆(索)、单元支架和柔模墙等对顶板的支撑力矩ꎮ工作面冒落带高度和６煤到８煤的距离ꎬ计算岩层载荷ꎮ采用型探地雷达ꎬ测试风巷留巷后一侧煤帮松动圈宽度为２.ꎻ采用激光测距仪ꎬ测出风巷留巷后