根據(jù)本工作面的回采需要，煤幫和頂、底板預(yù)留變形量100mm，錨桿外露100mm，運(yùn)輸巷的掘進(jìn)跨度為4.2m、中高為2.8m。據(jù)頂板工程地質(zhì)條件，2～3m內(nèi)的直接頂易冒落，一般錨桿處于冒落范圍以內(nèi)，只用錨桿支護(hù)頂板難以保證穩(wěn)定。錨索長(zhǎng)度較大，可錨固于老頂上，實(shí)現(xiàn)將支護(hù)載荷傳遞至深部穩(wěn)定巖層的目的。頂板表面鋪金屬網(wǎng)和梯子梁可改善巖層的完整性和韌性，控制錨桿之間巖石塊體的冒落。因此頂板采用錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)。兩幫布置的錨桿與板裂化裂縫垂直，可阻礙裂縫的形成和擴(kuò)展，控制板裂化現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展，維護(hù)兩幫穩(wěn)定。9.4.2.1　頂板錨桿支護(hù)離散元模擬1.力學(xué)模型數(shù)值模擬目的是對(duì)錨桿支護(hù)碎裂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和變形、破壞機(jī)理開展研究，為選擇合理的支護(hù)形式提供依據(jù)。因此，直接頂是主要研究對(duì)象，對(duì)老頂、煤幫及底板則作簡(jiǎn)化處理。模型幾何尺寸為12×15m，巷道高度為2m，跨度為4.2m，底板總厚度1m，兩幫和底板不做進(jìn)一步地塊體劃分。直接頂總厚度6m，為碎裂結(jié)構(gòu)巖體，總體分為兩層，近頂板表面4m為第一層，其上2m為第二層，第一層分為13個(gè)分層，節(jié)理為對(duì)縫布置，第二層分為7個(gè)分層，節(jié)理錯(cuò)縫布置。老頂總厚度6m，分為6層。施加錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)的模型見(jiàn)圖9.19所示。頂板錨桿長(zhǎng)度為2.4m，直徑為20mm，材質(zhì)為20MnSi鋼，間距為0.9m。錨索采用高強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，直徑為15.24mm，全長(zhǎng)為7m，錨固在老頂內(nèi)1m深處，錨索間距為0.9m。圖9.19中去掉錨索，即為僅施加錨桿支護(hù)的模型。圖9.19　錨桿支護(hù)力學(xué)模型模型底部為固定邊界，兩側(cè)及上部施加載荷。模擬埋深為500m，側(cè)壓力系數(shù)為1。圍巖力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表9.8。表9.8　模型材料和節(jié)理力學(xué)特性2.模擬結(jié)果無(wú)支護(hù)、錨桿支護(hù)、錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)頂板冒落形態(tài)分別見(jiàn)圖9.20，圖9.21，圖9.22所示。圖9.20　無(wú)支護(hù)模型頂板冒落形態(tài)圖9.21　錨桿支護(hù)模型頂板冒落形態(tài)圖9.22　錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)頂板冒落形態(tài)圖9.20表明不施加錨桿支護(hù)時(shí)直接頂冒落高度達(dá)到4m，說(shuō)明頂板圍巖不能自穩(wěn)，施加工字鋼棚式支架時(shí)即是此種失穩(wěn)形式。冒落高度達(dá)到4m時(shí)，冒落巖石作用在工字鋼支架頂梁的載荷集度可達(dá)到100kN/m，頂梁必然發(fā)生顯著下沉。圖9.21表明施加錨桿支護(hù)后冒落高度為2.5m，由于錨桿長(zhǎng)度為2.4m，沒(méi)有穿過(guò)破碎頂板進(jìn)入穩(wěn)定的頂板層，因此中部錨桿與巖石塊體一起冒落。角錨桿錨固于煤幫上部的直接頂中，受煤體支撐作用，該部位的直接頂處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此角錨桿保持穩(wěn)定，使得頂板冒落成拱形，冒落范圍較不施加錨桿支護(hù)時(shí)有所減小，這也說(shuō)明煤體穩(wěn)定對(duì)于頂板穩(wěn)定具有重要意義。圖9.22為施加錨索支護(hù)后錨桿間的巖石塊體冒落形態(tài)，局部掉塊高度最大為0.6m，由于錨索穿過(guò)不穩(wěn)定的直接頂錨固于穩(wěn)定的頂板層位，保證了頂板中部整體穩(wěn)定，并與角錨桿協(xié)同作用使得頂板總體上處于穩(wěn)定狀態(tài)。受離散元軟件功能的限制，在建立離散元分析模型時(shí)頂板表面沒(méi)有施加模擬鋼帶等護(hù)表材料的桿單元，這是導(dǎo)致局部掉塊的原因，這說(shuō)明在煤巷頂板錨桿支護(hù)技術(shù)中，施加鋼帶、鋼筋梁、金屬網(wǎng)等護(hù)表材料對(duì)于維護(hù)頂板穩(wěn)定具有重要作用。9.4.2.2　頂板錨桿設(shè)計(jì)1.錨索長(zhǎng)度選用錨索為低松弛級(jí)φ15.24mm，強(qiáng)度級(jí)別為1860MPa的鋼絞線。鋼絞線由7根φ5mm的鋼絲組成，屈服載荷為221.5kN，破壞載荷為260.7kN。錨索長(zhǎng)度由下式計(jì)算：l=l1+l2+l3式中：l1為錨索外露長(zhǎng)度，取0.3m;l2為錨索自由段長(zhǎng)度，根據(jù)地質(zhì)條件，頂板直接頂厚度為6.0m，老頂作為錨索的錨固點(diǎn)，錨索自由段長(zhǎng)度按6.0m計(jì)算；l3錨索錨固長(zhǎng)度，根據(jù)國(guó)內(nèi)外成功經(jīng)驗(yàn)，取1.5m，代入上式計(jì)算得l=7.8m，取錨索長(zhǎng)度為8.0m。根據(jù)錨索錨固長(zhǎng)度，每根錨索配備1個(gè)CK2335和5個(gè)Z2335型樹脂藥卷，托板為400mm×400mm的鋼板。2.錨桿長(zhǎng)度角錨桿要向外傾斜，與水平面夾角為α，借鑒拉桿支架角錨桿傾角優(yōu)化研究成果取α=60°。錨桿長(zhǎng)度按下式計(jì)算：基于巖體結(jié)構(gòu)分析的煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)式中：l為錨桿長(zhǎng)度；s為巷道跨度，為4.2m；η為錨桿外露長(zhǎng)度，取為0.1m，代入上式得：基于巖體結(jié)構(gòu)分析的煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)取錨桿長(zhǎng)度為2.4m。3.錨桿間排距錨桿間排距用下式計(jì)算：a=b=（1/2～1/3）l式中：a、b為錨桿間排距；l為錨桿長(zhǎng)度，計(jì)算得a=b=0.8～1.2m，取0.8m。4.錨桿直徑潛在冒落區(qū)巖石重量由錨桿和錨索共同承擔(dān)，因此錨桿直徑與錨索間排距有關(guān)。按每排布置2根錨索，考慮到錨桿的布置，取錨索排距為2.4m，錨索距相臨煤幫1.2m。錨桿直徑由下式計(jì)算：基于巖體結(jié)構(gòu)分析的煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)式中：k——安全系數(shù)，取k=1.7；α——角錨桿傾角，α＝60°；γ——不穩(wěn)定巖層平均容重，取25kN/m3;[σ]——錨桿的屈服強(qiáng)度，選用20MnSi螺紋鋼錨桿，[σ]為340MPa;Gm——錨索承擔(dān)不穩(wěn)定巖層重量，Gm=nGb/B,n、G、b、B分別為每排錨索根數(shù)、錨索屈服載荷、錨桿排距、錨索排距，Gm=2×221.5×0.8/2.4=148kN;h——不穩(wěn)定巖層厚度，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果巷道冒落高度為3m，取h=3m。將各值代入式（9.4）得：d=19.2mm。選用φ20mm的螺紋鋼錨桿。每根錨桿配備1卷CK2335型和2卷Z2335型樹脂藥卷錨固劑，φ120鑄鋼托盤。5.鋼帶、鋼筋梁從上述分析中可見(jiàn)，鋼帶、鋼筋梁等護(hù)表材料在煤巷頂板支護(hù)中起著重要作用，其支護(hù)作用可簡(jiǎn)化為圖9.23所示的力學(xué)模型，模型中的支點(diǎn)表示錨桿對(duì)鋼帶、鋼筋梁的固定作用，模型跨度為錨桿的間距，并將錨桿間冒落的巖石塊體的自重簡(jiǎn)化為均布載荷q，在均布載荷作用下鋼帶或鋼筋梁發(fā)生下沉。從工程實(shí)踐看，鋼帶或鋼筋梁下沉的位移較大，一般大于鋼帶的截面高度或鋼筋梁的直徑。下沉后鋼帶、鋼筋梁形態(tài)如圖9.24（a）所示，取跨度l的二分之一作受力分析，如圖9.24（b）所示，圖中T為鋼帶、鋼筋梁的拉力，δ為下沉位移。對(duì)A點(diǎn)作彎矩平衡分析可建立如下平衡方程：圖9.23　鋼帶、鋼筋梁力學(xué)模型圖9.24　鋼帶、鋼筋梁平衡分析基于巖體結(jié)構(gòu)分析的煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)推導(dǎo)得：基于巖體結(jié)構(gòu)分析的煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)取T為鋼帶或鋼筋梁的屈服載荷。以寬度為250mm的鋼帶為例，T為83.5kN，根據(jù)工程實(shí)踐取a=0.8m。根據(jù)離散元模擬結(jié)果（圖9.22），均布載荷q按冒落巖塊高度為0.6m計(jì)算：基于巖體結(jié)構(gòu)分析的煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)式中：h為冒落高度，為0.6m；γ為容重，取為25kN/m3;b為錨桿排距，根據(jù)工程實(shí)踐取為0.8m，則q計(jì)算為12kN/m。將q和T值代入（9.5）式，計(jì)算得δ為14.55mm。上述計(jì)算表明，鋼帶下沉達(dá)到14.55mm，鋼帶受力達(dá)到屈服載荷時(shí)可承擔(dān)0.6m高度的冒落巖石重量。鋼帶進(jìn)入屈服后如果冒落高度更大，鋼帶受力保持屈服載荷不變，可發(fā)生更大的伸長(zhǎng)，導(dǎo)致鋼帶下沉量增大，即δ值增大至式（9.5）的計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)鋼帶與冒落巖石的整體平衡。9.4.2.3　煤幫錨桿設(shè)計(jì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選用直徑18mm、長(zhǎng)度2.0m的幫錨桿，材質(zhì)為Q235鋼，錨桿排距與頂板一致，為0.8m，下幫錨桿間距為0.8m，上幫錨桿間距為0.85m。每根煤幫錨桿配備兩卷K2835型樹脂錨固劑，并配備300×300×40mm竹托板和φ120鑄鋼托盤各一個(gè)。巷道支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖9.25所示。圖9.2　13272工作面運(yùn)輸巷錨桿支護(hù)參數(shù)圖
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。