楊村煤礦單軌吊運輸厚灰巖巷道頂板穩定性研究

王慶路，王 偉，幸奠軍，張 強

（兗州煤業股份有限公司 楊村煤礦，山東 濟寧 272118）

隨著煤炭開采技術的發展，生產效率不斷提高，綜采設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輸設備，對底板條件的適應性強，比傳統輔助運輸方式效率高，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力的作用，頂板的失穩方式及支護機理均發生改變，對巷道的穩定存在威脅。近年來，我國學者對單軌吊的結構設計以及作用機理進行了大量研究，取得了諸多成果。肖亞寧[1]通過試驗和理論分析，對錨桿支護巷道單軌吊懸吊技術進行了研究，并通過井下工業性試驗驗證了采用錨桿或錨索懸吊單軌吊的可行性。侯志軍[2]針對具體的頂板情況，探討了懸吊結構中錨索、錨桿受力狀況，分析了錨索、錨桿聯合懸吊技術的可行性。王開松[3]指出單軌吊軌道在起吊運輸重載荷時，承受的應力狀況與受載點、軌道長度、軌道懸掛點密切相關。謝生榮[4]針對單軌吊作用下區段平巷頂板控制難題，將巷道頂板視為深梁進行穩定性分析，建立了單軌吊作用下巷道頂板錨固復合深梁承載結構的力學模型。以往對于單軌吊穩定性的研究鮮有針對無支護情況下的厚頂板的巷道，為了明確設備運輸過程中，單軌吊作用下巷道頂板穩定性問題，本文以楊村煤礦六采區6602 工作面16上煤層巷道為例，對無支護情況下的厚灰巖頂板穩定性進行研究。

1 概 況

六采區位于楊村井田的南部，北鄰四采區，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。采區為三角形，采區南北走向長約1.47 km，東西傾向長約1.50 km，面積約1.96 km2。采區內地面標高為+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，全區穩定分布。其抗壓強度為156.9～235.347 MPa。淺部或構造附近裂隙發育，富水性較好。底板為鋁質泥巖或泥巖，厚度0.51～3.71 m，平均為1.66 m。有時相變為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖或細砂巖。

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時會出現2 種情況，一是巷道圍巖變形到一定程度后即停止變形，并能長期穩定；二是巷道圍巖變形過程中伴隨著片幫和冒頂，當冒落到一定程度時達到相對穩定[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單軌吊形成有效的懸吊。單軌吊穩定性的主要影響因素為頂板巖層的完整性及穩定性，尤其是對于無支護條件下的單軌吊。

2.1 吊掛點受力分析

根據軌道參數，每根軌道長2.4 m，設計楊村煤礦最大單件重量為10 000 kg，起吊梁自重1 490 kg，用起吊梁運輸時，10 000 kg+1 490 kg=11 490 kg，即114.9 kN，4 個承載小車，每個小車的受力為28.73 kN。軌道吊掛點的受力分析如圖1 所示。吊掛點2 承受最大的力為T1+T2+T3。

圖1 吊掛點受力分析Fig.1 Stress analysis of hanging point

吊點長度L=2.4 m；小車吊點距離A=1.81 m

其中，0≤X≤1.81。

則2 點的吊掛力：

當X=1.81 時，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巖層，并假設單軌吊錨固點巖層為均質體，如圖2 所示。

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

無單軌吊作用時，頂板受上覆巖層施加的均布載荷作用（圖3），結合材料力學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。

結合材料力學中集中力下梁的最大撓度，可得單軌吊位于巷道中心時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

由吊掛點受力分析可知，吊掛力最大為T=42.85 kN，計算時取3 倍的安全系數，則吊掛點的最大承受力為42.85×3=128.56 kN。16上煤頂板十下灰巖厚度分別為0.8、1.4、3.2、6 m 的撓度如圖5 所示。

圖5 不同灰巖厚度下頂板撓度Fig.5 Roof deflection under different limestone thickness

由圖5 可知，隨著灰巖厚度的增大，頂板下沉量明顯減小。16上煤頂板灰巖厚度為0.8 ～6 m 時，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 單軌吊對巷道頂板穩定性影響的數值模擬

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

根據六采區地層綜合柱狀圖，建立該采區內工作面巷道及圍巖的數值模型。模型尺寸長×寬×高=25 m×20 m×15.5 m，節點數目為100 491，網格數目為94 080，共包含12 個分層、9 種巖性。巷道采用挖底的方式掘進，設計斷面尺寸為3.8 m×3.1 m。此次計算采用彈塑性模型，計算中采用莫爾- 庫侖（Mohr-Coulomb） 屈服準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（每個吊掛點2 根錨桿） 吊掛力為F=130 kN，相鄰吊掛點之間距離為2.4 m，設置15 個吊掛點。

3.1 灰巖不同厚度對巷道穩定性的影響

單軌吊極限載重條件下，最大單件重量10 000 kg，對應的吊掛點最大受力為130 kN。將頂板十下灰巖的厚度作為變量，厚度設置為0.8、1.4、3.2、6 m，研究頂板十下灰巖不同厚度條件16上煤層內工作面巷道的穩定性。

3.1.1 不同頂板厚度對圍巖垂直應力的影響

圖6 表明巷道頂底板出現垂直應力卸壓區，應力值隨著向巖體內部推移呈逐漸增大趨勢；兩幫垂直應力值隨著向巖體內部推移呈先增大后減小的趨勢，垂直應力等值線由密變疏，在巷道幫部及底角1 m 內的范圍形成應力集中區。頂板十下灰巖厚度的變化從0.8 ～6 m，巷道應力峰值的變化趨勢如圖7 所示。巷道開挖前原巖應力為10.3 MPa。頂板灰巖不同厚度下，巷道兩幫垂直應力峰值均接近22.8 MPa，峰值集中系數為2.21。由于頂板十下灰巖的強度和剛度較大，當厚度為0.8 m 時已形成較穩定的圍巖應力場。

3.1.2 頂板厚度對圍巖塑性區的影響

頂板十下灰巖厚度不同時圍巖塑性區分布狀態如圖8 所示，其中 shear-n 為臨界剪切破壞，shear-p 為已發生剪切破壞，tension-n 為臨界拉伸破壞，tension-p 為已發生剪切破壞。可見巷道幫部0.25 m 范圍出現拉伸破壞。頂板0.25～0.5 m 剪切和拉伸破壞形式均有發生，隨著頂板灰巖厚度的增加，頂板塑性區的范圍明顯減小。

圖6 不同頂板灰巖厚度下圍巖垂直應力云圖Fig.6 Vertical stress nephogram of surrounding rock under different roof limestone thickness

圖7 垂直應力峰值隨頂板灰巖厚度的變化Fig.7 Variation of vertical stress peak value with the thickness of roof limestone

3.2 單軌吊不同載重對巷道穩定性的影響

16上煤直接頂為厚度為3.72～6.04 m，平均厚度4.88 m 的石灰巖。將單軌吊載重作為研究變量時，灰巖厚度取3.2 m。單軌吊安裝在巷道頂板中心，分別對不同載重下巷道圍巖的塑性區進行分析。分別模擬10、20、30、40 t 載重時對巷道穩定性的影響，安裝懸吊錨桿時考慮3 倍安全系數。

圖8 不同頂板灰巖厚度下圍巖塑性區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如圖9 所示。可見單軌吊載重的變化，對六采區內工作面巷道圍巖塑性區范圍的影響不大。由此可知，巷道圍巖的穩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Fig.9 Plastic zone of surrounding rock under different loads of monorail crane

4 工程實踐

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

監測結果表明，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，巷道圍巖穩定。

5 結 論

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

（2） 通過數值模擬分析了不同灰巖頂板厚度和不同載重對巷道穩定性的影響，結果表明，當灰巖厚度超過0.8 m 時，巷道圍巖能保持穩定。單軌吊載重對巷道圍巖穩定基本沒有影響。

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

圖10 位移隨時間變化Fig.10 Displacement versus time graph