砂柱式支護體結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學性能試驗研究

張瑞新，李 鵬，韋 波，盧建宇，李士棟，蔣耀東，孔 彪，楊 濤，左宇軍

（1.山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590；2.兗煤菏澤能化有限公司 趙樓煤礦，山東 菏澤 274705；3.華北科技學院 安全工程學院，河北 廊坊 065201；4.貴州大學 礦業(yè)學院，貴州 貴陽 550025）

在沿空留巷設(shè)計中，巷旁支護的作用十分重要，在設(shè)計中能夠發(fā)揮切頂、支撐等作用[1-2]，但需要滿足一定的要求，如增阻速度快、支護阻力高及經(jīng)濟合理[3]等。然而在以往的設(shè)計中都存在著一定的不足[4-8]：用混凝土進行砌墻工作時工作量較大，耗時較長且需要大量的輔助運輸；木垛和密集支護的阻力較小，密閉性較差且消耗較多量的材料，勞動強度大；矸石帶、料石垛的壓縮量大且漏風嚴重；目前應(yīng)用較為普遍的整體澆注巷旁充填技術(shù)要求的充填系統(tǒng)復(fù)雜、成本高，同時脫模時間較長且支護體在初期階段內(nèi)強度較低；此外，現(xiàn)有沿空留巷技術(shù)施工速度緩慢，與綜采工作面不相適應(yīng)的問題也影響了生產(chǎn)效率[9-10]。由此可見，沿空留巷過程中巷旁支護的作用十分重要，賈民等[11-15]提出了墩柱式沿空留巷技術(shù)并基于巖層運動規(guī)律對該巷旁支護體結(jié)構(gòu)可行性進行了分析，為此在已有研究的基礎(chǔ)上借助理論計算、砂柱力學實驗等方法探討砂柱式巷旁支護這類新型巷旁支護體的結(jié)構(gòu)并對充填材料進行分析，以結(jié)合東大煤礦現(xiàn)場條件進行適應(yīng)性改進。

1 砂柱承載力預(yù)試驗

在沿空留巷設(shè)計中，要結(jié)合東大煤礦實際地質(zhì)條件，做出相應(yīng)的技術(shù)、工藝調(diào)整，設(shè)計適應(yīng)現(xiàn)場的砂柱式支撐留巷技術(shù)，工藝以“留”為主，因工藝調(diào)整較大，首先需要進行相關(guān)的預(yù)試驗。

1）鋼管規(guī)格選用 φ450 mm×9 mm、φ426 mm×10 mm，管壁凈間隙6 mm，能夠保證鋼管自由伸縮和不漏砂。鋼管嵌套必須至少保證≥20 cm之間，才能保證粗管與細管不彎曲、不失穩(wěn)。

2）在砂柱井下試驗過程中，頂板條件較差，在通過試驗后制定出相應(yīng)的應(yīng)對方法。如：頂板墊廢舊膠帶、W型鋼帶“十”字疊加，有效的解決了頂板不平、頂板破碎及砂柱鉆頂問題。

3）在12306軌道巷試驗時，頂板出現(xiàn)網(wǎng)兜現(xiàn)象，選擇用工字鋼梁來解決這一問題；為采空區(qū)頂板切頂不佳時，采用工字鋼梁配合單體液壓支柱來進行切頂。

4）砂柱在受壓后出現(xiàn)柱頭向采空區(qū)傾斜，柱腳向巷道“伸腿”現(xiàn)象，砂柱支設(shè)角度垂直頂?shù)装暹M行施工。

5）在觀測砂柱下縮量時，發(fā)現(xiàn)砂柱密實度是影響砂柱下縮量大小的直接因素。砂石材料是否加水、是否振動對充填材料的密實度有著重要影響，因此，需通過相關(guān)實驗確定合理的充填材料配比。

2 砂柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)砂柱承載力試驗，為保證砂柱式巷旁支護體具有相當?shù)目煽s性及支護阻力，新型砂柱式巷旁支護采用充填砂石及2節(jié)無縫鋼管構(gòu)成（圖1）。

圖1 砂柱結(jié)構(gòu)圖

2.1 砂柱鋼管壁厚計算

2.1.1 理論計算

工作面埋深650～700 m，巖石平均密度ρ取2 500 kg/m3，最大壓應(yīng)力σmax即上覆巖層全部重力為：

式中：g為重力常量；H為工作面埋深。

計算得σmax=16.54 MPa。

2.1.2 現(xiàn)場實測

12302綜采工作面中運巷沿空留巷120 m，實測支撐木垛的四角之一應(yīng)力為19 MPa，木垛控制的頂板范圍全部由4個支點承載，平均應(yīng)力為：

式中：σp為木垛承載點的平均應(yīng)力；Sd為木垛支承面積，Sd＝1.2×1.2 m2；Sf為木垛與頂板接觸面積，Sf＝0.15×0.15 m2。

由以上可得：σp=1.2 MPa。

2.1.3 工作面支架阻力計算

支架最大壓應(yīng)力為50 MPa，液壓支架立柱直徑為φ230 mm，支架承載面積為3.24 m×1.50 m，取支架平均應(yīng)力為σpj：

式中：σpj為支架平均應(yīng)力；D為液壓支架立柱直徑，m。

計算得σpj=0.854 MPa。

綜上，應(yīng)力取最大值，即p=16.54 MPa。

2.1.4 鋼管壁厚計算

根據(jù)巖石應(yīng)力公式σx=λσz、管壁拉應(yīng)力公式σ=計算，由可知：

式中：σz為內(nèi)壓力，即砂柱側(cè)壓力，取最大應(yīng)力p=16.54 MPa；D′為鋼管內(nèi)徑，取 0.426 m；t為鋼管壁厚；λ為側(cè)向壓力系數(shù)，一般為0.18～0.43，此處取0.5；[σ]為 A3 鋼的抗拉強度，取 375 MPa。

可得，鋼管壁厚值為0.004 6 m，考慮鋼管銹蝕等因素，故選10 mm壁厚鋼管。

2.2 砂柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

砂柱支護體的施工工作重點應(yīng)遵守下列要求。

1）施工時砂柱應(yīng)緊貼頂板，確保砂柱能夠形成一定初撐力。為達到此目的，應(yīng)將2個對稱單體支柱的支撐座布置于上節(jié)模具上方且距頂端400 mm附近區(qū)域，確保滿足初撐力。

2）施工過程中應(yīng)確保在垂直于底板方向進行，維持砂柱的穩(wěn)定和平衡。同時，在進行清理工作時要達到堅硬巖石區(qū)域，并將其打磨平整來確保貼底時能夠平行于巷道中心，在進行下一步操作之前必須對砂柱進行固定，因而，要將2對吊耳垂直布置在上下節(jié)模具上，以便將砂柱與頂板金屬網(wǎng)進行固定。

3）砂柱施工程序必須簡單便捷。為方便將充填材料充填至砂柱，于砂柱上節(jié)靠近頂部區(qū)域布置1個充填口，依據(jù)混凝土噴射槍的槍口直徑對其大小進行確定。當沒有布置充填口時，在進行充填工作時，須在上方頂板開一小口，在噴射槍槍口塞入后完成充填工作。但頂板條件較為堅硬，進行施工小口的工作十分困難，頂板破壞嚴重，將影響砂柱的穩(wěn)定狀態(tài)。

4）確保砂柱模具材料的可回收性。要實現(xiàn)其可回收性，需在模具下節(jié)底部區(qū)域鉆取放砂用漏水孔，可使充填材料的水分沿孔滲出，當下一工作面完成回采，將放砂口打開，同時取出砂石材料便可完成砂柱模具的回收，減少了巷道維護成本。

綜合考慮以上要求，確定砂柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)：用無縫鋼管來制作砂柱，模具分為上下節(jié)以適應(yīng)巷道的高度變化，上節(jié)的規(guī)格為φ426 mm×10 mm，節(jié)長1.2 m，下節(jié)的規(guī)格為 φ450 mm×9 mm，節(jié)長1.0 m，上下節(jié)進行嵌套，經(jīng)過注砂形成砂柱。上下節(jié)搭接長度應(yīng)超過500 mm。充填口、上節(jié)單體支撐座之間垂直進行布置，起吊環(huán)及單體支撐座在焊接時必須牢固，二者不可以布置于同一直線，上下節(jié)的起吊環(huán)分別采用φ12鋼筋來制作，而單體支撐座則采用φ34的刮板鏈來制作。加強筋使用φ20 mm的錨桿來制作，焊接必須確保牢固可靠。放砂口插板使用3 mm的鋼板來制作，確保抽拉靈活。

3 充填材料配比選擇

充填材料密度受砂石材料的配比影響很大，另外，是否加水和振動同樣會影響充填材料密度。為確定合理、可靠的充填材料配比數(shù)據(jù)，通過試驗來對不同配比、不同實驗條件下的砂石材料物理特性進行分析。試驗條件見表1，砂石材料配比為：2∶1、1.8∶1、1.6∶1、1.4∶1、1.2∶1、1∶1、1∶12、1∶1.4、1∶1.6、1∶1.8、1∶2。

表1 試驗條件

3.1 水對充填材料密度的影響

通過對條件1、條件2數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，可得到水對充填材料密度的影響曲線圖（圖2），由圖2可以分析，材料在加水后受水本身強流動性的影響而導(dǎo)致流動性增強，受到水的帶動后，小粒徑砂子往粒徑較大的石子空隙方向流動，導(dǎo)致充填材料的下縮量、密實度增大，同時承載能力也得到了增強。

圖2 水對充填材料密度的影響

3.2 振動對充填材料密度的影響

通過對試驗條件2、條件4數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，可得到振動對充填材料的密度的影響曲線圖（圖3），通過分析可知，當砂石材料無振動時，在材料本身的黏聚力作用下，雖然水產(chǎn)生了一定的動力作用，但密實度仍然較差，而通過振動作用能減小材料之間的黏聚力，因而對材料流動性能的增加起到推動作用，材料的密實度也會相應(yīng)增大。

圖3 振動對充填材料密度的影響

3.3 加水振動對充填材料密度的影響

通過對試驗條件3、條件4數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，可得到加水振動對充填材料的密度曲線圖（圖4），通過分析可知，在不同砂石材料配比條件下，充填材料密度受水的影響較大。砂石材料的配比為1∶1時振動密實度最大，為2 220 kg/m3。

綜上所述，當砂石材料配比為1∶1，同時對充填材料采取加水、振動后充填材料密度達到最大，有利于砂柱的穩(wěn)定。

圖4 加水振動對充填材料密度的影響

4 砂柱支護體力學試驗

為對砂柱實際承載能力進行分析，通過壓力機來對砂柱實現(xiàn)2次加載試驗，首次試驗中不加水，第2次試驗過程中進行注水工作。使用壓力機的規(guī)格型號為3 000 t，公稱壓力為24 MPa，總功率為160 kW，最大行程為1.5 m。不加水時砂柱受力與下縮量的關(guān)系見表2，加水時砂柱受力與下縮量的關(guān)系見表3。

表2 不加水時砂柱受力與下縮量的關(guān)系

表3 加水時砂柱受力與下縮量的關(guān)系

通過對試驗結(jié)果分析，可以得出：

1）壓力表讀數(shù)為22.7 MPa時，在砂柱的底部區(qū)域出現(xiàn)變形，同時，變形量隨壓力機下壓而逐步加大。壓力表讀數(shù)為32 MPa時，砂柱的下部區(qū)域處于基本破裂狀態(tài)。

2）當壓力達到一定數(shù)值后，砂柱于桶壁上的最薄弱區(qū)域（即下節(jié)放砂口附近）發(fā)生破裂，繼續(xù)受力后發(fā)生損壞。

3）將不加水、加水效果比較發(fā)現(xiàn)，達到同樣壓力值時，加水比不加水時的下縮量明顯減小，壓力為18.4 MPa時，不加水時的下縮量為151 mm，經(jīng)過加水后下縮量降低為112 mm，壓縮量降低值為39 mm。因此，加水砂柱比不加水砂柱能承受的極限載荷大。

5 結(jié)論

1）通過砂柱的預(yù)加載試驗及理論計算，設(shè)計了新型砂柱式巷旁支護結(jié)構(gòu)體。

2）在試驗研究的基礎(chǔ)上，分析了在不同試驗條件和砂石材料配比的情況下，當選擇的砂石材料配比為1∶1同時對充填材料采取加水振動時，充填材料密度達到最大，有利于砂柱穩(wěn)定。

3）通過壓力機對砂柱的加載試驗，得出，當壓力表讀數(shù)達到22.7 MPa時，在砂柱的底部區(qū)域出現(xiàn)變形，變形量隨壓力增加而逐漸增大。當壓力表讀數(shù)為32 MPa時，砂柱的下部區(qū)域處于基本破裂狀態(tài)。加水砂柱比不加水砂柱能承受的極限載荷大，并且該砂柱可滿足沿空留巷支護強度及變形要求。