基于煤矿巷道顶板钢带支护机理分析

马　宁

(汾西矿业集团公司 柳湾煤矿，山西　孝义　032305)



基于煤矿巷道顶板钢带支护机理分析

马宁

(汾西矿业集团公司 柳湾煤矿，山西孝义032305)

经过分析发现，巷道围岩和钢带产生变形的规律和相关研究结果具有很大差异，根据此分析结果，指出了钢带突起弯曲变形的主要原因是由两个锚杆之间失稳产生的，此种压杆失稳影响了钢带支护效果，导致其失去了力学作用。研究结果发现，巷道顶板支护钢带重点部分是支护断面和钢带之间的耦合，可为煤矿巷道顶板钢带支护提供参考。

煤矿；巷道顶板；钢带；支护机理

顶板钢带托梁是煤矿支护体系中比较常见的使用方法，可以延长巷道使用寿命并提升支护效果[1]. 当巷道顶板发生沉降后，钢带可以抑制顶板下沉，是巷道支护中承受拉应力的主要部分。但是钢带长时间支护时，会因为锚索鼓起而脱离岩体，失去了设计支护应有的效果，从脱离岩体鼓起的钢带可以看出，钢带是受压并不是受拉。本文主要针对煤层地质状况，对钢带变形的原因进行分析，希望可以给煤矿巷道钢带支护提供参考。

1　围岩变形结构力学分析

岩梁说是锚杆支护中的一种理论，岩梁是巷道顶板。锚杆加固岩梁后，可以提升围岩顶板的稳定，钢带是锚网支护系统中比较重要的部分，对巷道体系能力的提升具有很大作用[2].

经过以上顶板加固作用分析可以发现，煤矿巷道顶板的钢带是岩梁中的关键构件，可以限制锚杆之间的距离，进而增加岩梁的抗拉力。即钢带是此系统中的受拉构件。

2　岩石变形规律分析

经过现场实验分析，围岩变化情况见图1. 巷道断面处于鼓起状态，但是进行实际测量时，断面尺寸却发生了缩短现象。

图1　巷道围墙变形前后图

根据现场实际变形情况分析可以发现，受压是钢带受力的主要组成部分，受力模型图见图2.

图2　巷道顶板钢带受力模型图

3　巷道顶板钢带变形分析

从常规力学结构分析，煤矿巷道顶板是受拉构建，此构件必须有较强的拉伸强度[3]. 根据现场实际分析发现，受压是巷道顶板钢带的最终受力。

巷道表面发生变形后，巷道横断面变小，顶部和帮部岩体凸出，因此，此种现状被认为是顶板下沉，钢带受拉后变长，但实际测量发现，顶板和帮部的横向长度都变短。因此可以说明，巷道顶板和帮部的岩石是受压，钢带端部受到的锚索制约也是受到挤压产生的。

4　钢带力行为分析

经过对煤矿巷道顶板钢带的勘查发现，顶板钢带通常由距离是600～1 000 mm的锚杆固定。如果相邻2个锚杆之间固定位置发生变化时，钢带就会产生一定的压应力，见图3.

图3　钢带力学变形分析模型图

钢带力学变形分析的重点就是对钢带失稳应力产生的变形量进行确定，然后根据变形的范围进行钢带受力失稳分析，在钢带未发生失稳前，初始阶段表示弹性变形，弹性范围发生的变形和应力路径无关[4].

围岩应变可以根据钢带失稳极限应力进行计算，然后使用midas模拟围岩能否达到失稳条件。

细长压杆失稳-欧拉公式：

其中，E表示弹性模量；I表示截面主惯性矩；μ表示长度系数；l表示压感相当长度，距离等于2个弯距零点之间的长度。

影响钢带失稳变形的主要因素是：

即当顶板固定钢带两端锚索之间挤压变形量为ε≥ε岩体的时候，钢带会发生失稳变形，现数值模拟巷道顶板围岩变形量，岩石物理参数见表1.

表1　岩石各项物理参数表

完成数据模拟之后，得出如图4所示的结果。

图4　巷道横断面水平变形图

经过对巷道顶板下表面横向水平受到挤压变形量的计算，得出0.31 m>0.010 34 m，此计算量表示钢带失稳围岩变形量[5]. 因此，顶板部分钢带容易被压弯，产生失稳现象，钢带失稳后，在钢带两个固定端之间会产生弯曲作用点，见图5.

图5　钢带弯曲后产生的力臂图

5　钢带变形处理方式

钢带变形是影响煤矿巷道顶板支护的主要原因。当钢带变形后，就会脱离岩体，失去支护，因此，将此种状况作为改进巷道支护的重点内容，并提出以下建议：

5.1改变巷道形状

当巷道顶板条件符合要求时，可以将巷道设置为微拱形巷道。当钢带受到外部挤压后，不会发生向下拱起，保证钢带受弯后也会紧贴顶部岩层，防止钢带脱落岩层，见图6.

图6　微弧形巷道横断面示意图

5.2使用打托盘对钢板进行支护

由于托盘相互间存在让压区，当围岩发生变形后，容易产生钢带变形，使用大托盘支护后，可以保证钢带的效果，避免沉降的产生，而影响支护效果。

5.3对巷道两帮进行支护

开挖煤巷后，巷道两帮煤壁会因为压力分担产生片帮，不仅对井下工作人员的人身安全造成了很大影响，而且还影响了两帮岩体的塑性，容易向煤柱根部扩展，部位较浅的岩层会失去顶板压力承担，直接增加巷道截面阔度。所以，为了增加煤巷两帮的稳定性，提升顶板的稳定性，应在巷道开挖后，及时进行支护，利用大帮锚和挂网等方法提升巷道整体稳定性。

5.4加强煤巷顶板支护体系

使用锚杆对顶板进行支护，可以提升顶板的刚度

和强度，同时增加了锚杆的预紧力，保证顶板下各个岩层挤压紧密，提升了下部岩层对上部岩层的承载，减少了各个顶板和岩层间发生的离层现象。利用锚索的长度优势，可以将顶板下部悬吊在顶板中岩性稳定的岩层中，减少了复合顶板深部各个岩层发生的离层现象，同时提升了岩层承载力。在锚杆预紧力的作用下还可以减少开挖前期产生的离层和沉降量，提升了顶板承载力。但是由于顶板岩层中部发育慢，容易产生顶板面裂缝和掉渣问题，必须利用支护面积大、刚度大的钢筋网对表面进行支护，减少顶板表面岩层脱落产生的安全问题，见图7.

图7　锚杆组合梁支护图

6　结束语

煤矿支护一直是煤炭企业研究的主要问题，由于巷道稳定支护是煤矿支护中比较常见的问题，所以必须对其进行分析和研究。本文主要对煤矿巷道顶板钢带支护机理进行分析，利用巷道部分钢带脱落围岩技术，得出了巷道顶板支护钢带重点部分是支护断面和钢带之间的耦合，可以为煤矿巷道顶板钢带支护提供参考。

[1]惠兴田，韦正范，苏培莉.自稳隐形拱的研究与应用[J].矿业安全与保护，2014(11)：23-24.

[2]王博.大变形巷道锚网索支护研究与应用[D].西安:西安科技大学,2012：45-47.

[3]杨文君，李学文.浅谈锚网索支护方式及支护效果分折[J].煤矿现代化,2015(6)：123-126.

[4]支永东，崔英哲，刘伟.煤矿顺槽顶板钢带支护机理分析[J].科学技术与工程,2013(8)：45-48.

[5]史向东.煤巷复合顶板变形破坏机理及支护技术研究[D].西安：西安科技大学,2013：234-238.

Analysis on Steel Belt Supporting Mechanism Based on Coal Mine Roadway Roof

MA Ning

Through analysis found that the deformation laws of roadway surrounding rock and the steel belt and the related research results have differences. According to the results, points out that the main cause of steel belt bending deformation is unstable between two anchor bolt. It affects the effect of steel belt supporting, and leads to lost the mechanical function. The study found that the key part of roadway roof support steel belt is interconnection of supporting section and steel belt. It can provide a reference for coal roadway roof steel belt supporting.

Coal mine; Roadway roof; Steel belt; Supporting mechanism

2016-04-04

马宁(1986—)，男，山西临县人，2005年毕业于山西煤炭职业技术学院，助理工程师，主要从事采矿技术管理工作

(E-mail)hyzfmkj@sina.com

TD353

B

1672-0652(2016)05-0022-03