軟煤綜放開(kāi)切眼頂板錨固支護(hù)理論研究

楊 博，楊雙鎖，孫伯樂(lè)，何 濤

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

軟煤綜放開(kāi)切眼頂板錨固支護(hù)理論研究

楊 博，楊雙鎖，孫伯樂(lè)，何 濤

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

為了研究軟煤綜放開(kāi)切眼頂板錨固支護(hù)原理，采用數(shù)值模擬方法對(duì)已破碎頂板近似處理為似連續(xù)體，分別對(duì)一系列不同錨固體厚度進(jìn)行模擬。經(jīng)對(duì)其表面中點(diǎn)水平應(yīng)力及垂直位移場(chǎng)分析后得出：當(dāng)錨固體厚度小時(shí)(厚寬比＜3/10)，其內(nèi)部的拉應(yīng)力為頂板破壞的決定因素；當(dāng)錨固體厚度大時(shí)（厚寬比≥3/10），其內(nèi)部的剪應(yīng)力為頂板破壞的決定因素。因此，通過(guò)力學(xué)理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算，提出軟煤綜放開(kāi)切眼頂板內(nèi)形成的錨固體厚度與開(kāi)切眼跨度比為3：10較為合理。

開(kāi)切眼；錨固支護(hù)；錨固體厚寬比；力學(xué)分析；數(shù)值模擬

隨著礦井產(chǎn)量和效率的提高，開(kāi)切眼斷面尺寸越來(lái)越大。普通錨固結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用，通過(guò)錨桿的加固作用，在開(kāi)切眼的頂板形成近似矩形且獨(dú)立的板狀或塊體狀錨固體。在采動(dòng)的影響下，開(kāi)切眼圍巖強(qiáng)度降低，圍巖變形量和破裂程度較嚴(yán)重，因而錨固體不能承受太大的拉應(yīng)力，而只能承受一定的擠壓和剪切作用。本文通過(guò)力學(xué)分析及數(shù)值模擬方法，對(duì)開(kāi)切眼頂板錨固體進(jìn)行分析，得出了軟煤綜放開(kāi)切眼頂板錨固體厚度與開(kāi)切眼跨度的合理比值。

1 開(kāi)切眼頂板錨固體的力學(xué)分析

軟煤開(kāi)切眼頂板內(nèi)形成的錨固體，受到其上部巖體重力的擠壓作用。當(dāng)錨固體厚度較小時(shí)，將表現(xiàn)出較強(qiáng)的梁式彎曲特性，其內(nèi)部出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，故可將開(kāi)切眼頂板近似為兩端固定的梁來(lái)分析[1]（見(jiàn)圖1）。在開(kāi)切眼寬度b不變的情況下，可改變錨固體厚度來(lái)研究其內(nèi)部應(yīng)力特征，從而確定出開(kāi)切眼頂板錨固體厚度與開(kāi)切眼寬度的合理比值。

圖1 切眼頂板錨固體受力分析圖

2 錨固體固定梁的力學(xué)分析

普通錨固情況下，頂板錨固體可近似為兩端固定梁，當(dāng)錨固體處于彈性狀態(tài)時(shí)，可按彈性理論得出頂板錨固體內(nèi)的應(yīng)力分布：

式中：t為錨固體厚度；b為開(kāi)切眼寬度。坐標(biāo)系以頂板錨固體形心為原點(diǎn)，以平行于層理方向?yàn)閤軸、以垂直于x方向?yàn)閥軸且向上為正方向。

在載荷q頂作用下，頂板錨固體內(nèi)所受水平拉應(yīng)力較大，為使其不斷裂，就應(yīng)加大錨固體厚度，使其表現(xiàn)出塊體狀，而不是板狀。由梁受力特征分析，在開(kāi)切眼頂板表面中點(diǎn)的拉應(yīng)力最大；錨固體是否破壞就取決于其中點(diǎn)的拉應(yīng)力大小。據(jù)此分析可得出最佳厚寬比。

由方程組式（1）中的下式：

式中：λ為錨固體表面中點(diǎn)水平方向應(yīng)力系數(shù)。

根據(jù)式（5）錨固體在固定情況下，開(kāi)切眼頂板中點(diǎn)水平方向應(yīng)力系數(shù)與錨固體厚寬比關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

圖2 切眼頂板中點(diǎn)x方向應(yīng)力與錨固體厚寬比關(guān)系曲線圖

分析圖2，得出：厚寬比a＜0.3時(shí)，頂板中點(diǎn)水平應(yīng)力系數(shù)λ，隨著厚寬比增加而急劇下降；厚寬比a＞0.3時(shí)，頂板中點(diǎn)水平應(yīng)力系數(shù)λ，隨著厚寬比增加而緩慢下降。因此，當(dāng)a=0.3時(shí)，厚寬比a較為合適。

3 開(kāi)切眼頂板錨固體的數(shù)值模擬

現(xiàn)將不同錨固體厚度在相同地質(zhì)條件及相同載荷作用下，所產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)、位移規(guī)律、變形規(guī)律等內(nèi)容，運(yùn)用數(shù)值模擬方法進(jìn)行計(jì)算，得出不同錨固體厚度的力學(xué)差異，從而得到錨固體厚度與開(kāi)切眼寬度的科學(xué)合理比值。

3.1 模型方案設(shè)計(jì)

建立模型的原則如下:設(shè)置初始條件和邊界條件，盡量符合現(xiàn)場(chǎng)情況；為消除邊界效應(yīng)，數(shù)值模擬模型應(yīng)有足夠大尺寸[2]。

錨桿具有提高彈性模量和強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì)[3，4]，利用這個(gè)性質(zhì)將頂板破碎體通過(guò)擠壓連接在一起，形成堅(jiān)硬的整體來(lái)約束頂板上部破碎體流向開(kāi)切眼，以控制頂板的穩(wěn)定性。可在改變錨固體的厚度而不改變載荷的前提下，對(duì)不同厚度錨固體的變形特征及應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析。開(kāi)切眼頂板未錨固部分的力學(xué)參數(shù)為：E=1.5G P a，μ=0.3；錨固體力學(xué)參數(shù)為：E=3G P a，μ=0.2：其他參數(shù)見(jiàn)表 1。

表1 某礦頂?shù)装鍘r性力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)錨固體厚度不同，建立11個(gè)模型，尺寸為60m×60m，開(kāi)切眼尺寸為7m×3.2m，單元類型為4節(jié)點(diǎn)42型單元。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

可對(duì)以下位移云圖、應(yīng)力云圖、等值線圖進(jìn)行分析。垂直位移和水平應(yīng)力最大值都在開(kāi)切眼頂板表面中心位置；所以這點(diǎn)最容易發(fā)生拉破壞（錨固體的抗拉強(qiáng)度比起抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度要小的多），因此要避免錨固體因承受上覆巖層的壓力而產(chǎn)生拉破壞，就必須有一個(gè)合理的錨固體厚寬比。

圖3 錨固體厚度為2.1m時(shí)垂直方向位移云圖

圖4 錨固體厚度為0.7m時(shí)垂直方向位移云圖

圖3和圖4所示：錨固體厚度為2.1m時(shí)，頂板垂直方向位移為27.89mm；錨固體厚度為0.7時(shí)，頂板垂直位移為61.57mm。從兩圖可看出：錨固體厚度大時(shí)頂板垂直位移小，頂板較穩(wěn)定。

圖5 錨固體厚度為0.7m時(shí)水平應(yīng)力及等值線圖

圖6 錨固體厚度為2.1m時(shí)水平應(yīng)力及等值線圖

圖5與圖6相比：顯然前者的拉應(yīng)力要大的多，等值線也密集的多，所以前者更容易發(fā)生拉斷破壞。

由于篇幅所限，僅列舉了兩個(gè)模型。數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。見(jiàn)根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制的曲線圖，見(jiàn)圖7和圖8。

表2 不同厚度錨固體對(duì)應(yīng)頂板中點(diǎn)垂直位移與水平應(yīng)力數(shù)據(jù)表

圖7 切眼錨固體中點(diǎn)垂直位移與錨固體厚度關(guān)系曲線圖

圖8 切眼頂板中點(diǎn)水平方向應(yīng)力與錨固體厚度關(guān)系曲線圖

兩圖相比，當(dāng)錨固體小于2.1m時(shí)，曲線斜率較大，對(duì)錨固體厚度的變化特別敏感，錨固體厚度略有增加，位移就會(huì)大幅度減小；然而錨固體厚度大于2.1m，則不然。綜合以上分析得出：錨桿在切眼破碎頂板形成的錨固體厚度與切眼寬度的合理比為3：10，此結(jié)果與力學(xué)分析結(jié)果（見(jiàn)圖2）基本一致。

4 主要結(jié)論

（1）當(dāng)厚寬比在0～0.3的范圍內(nèi)，中點(diǎn)垂直位移與水平拉應(yīng)力都非常大，隨著錨固體厚度的增加，垂直位移與水平拉應(yīng)力都會(huì)迅速減小。當(dāng)厚寬比在0.3～1的范圍內(nèi)，直位移與水平拉應(yīng)力都比較小，隨著錨固體厚度的增加，切眼頂板錨固體表面中點(diǎn)垂直位移與水平拉應(yīng)力都緩慢減小。因此，對(duì)軟煤切眼頂板進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí)，錨固體厚度與切眼寬度的合理比為3:10。（2）根據(jù)以上分析得出，厚寬比應(yīng)為3:10時(shí)，當(dāng)大于這個(gè)比值時(shí)，雖然支護(hù)效果會(huì)有所提高，但是效果并不明顯。錨固體厚度太大，不僅浪費(fèi)材料，而且加大施工難度，施工速度慢，造成的經(jīng)濟(jì)損失是相當(dāng)大的。

[1]楊雙鎖.回采巷道圍巖控制理論及錨固結(jié)構(gòu)支護(hù)原理[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2004:96-99.

[2]王強(qiáng)，李強(qiáng).開(kāi)切眼支護(hù)解除條件下圍巷穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究[J].煤礦開(kāi)采，2010，15（02）：13-15.

[3]楊雙鎖.煤礦回采巷道圍巖控制理論探討[J].煤炭學(xué)報(bào),2010，35（11）：1842-1854.

[4]楊雙鎖,曹建平.錨桿受力演變機(jī)理及其與合理錨固長(zhǎng)度的相關(guān)性[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27（1）：1-7.

Theoretic Study on Roof Anchor Support for Open-off Cut in Soft Coal Fully-mechanizedmining

YANG Bo,YANG Shuang-suo,SUN Bo-le,HE Tao
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024)

To study the roof anchor support for open- off cut in soft coal mechanized mining, the roofswhich had been broken were processed as continuity in numerical simulation. A series of different anchorthicknesses were simulated. After the analysis of horizontal stress in the center of surface and vertical dispositionfield, the results were: when the thickness was small (width- thickness ratio ＜ 3/10), the interior tensilestress was the decisive factor in roof destruction; when the thickness was large (width- thickness ratio >3/10),the interior shear stress was. Therefore, by the theoretical analysis and numerical simulation, the rational ratiobetween the anchor thickness and open- off cut width is 3/10.

open-off cut;anchor support;width-thickness ratio;mechanics analysis;numerical simulation

TD353

A

2011-10-20

楊 博（1985—），男，山西忻州人，在讀碩士研究生，從事采礦工程研究工作。

劉新光