松軟破碎復(fù)合頂板巷道護(hù)幫錨桿支護(hù)技術(shù)研究

楊乃貴

(山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司生產(chǎn)技術(shù)處)

松軟破碎復(fù)合頂板巷道護(hù)幫錨桿支護(hù)技術(shù)研究

楊乃貴①

(山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司生產(chǎn)技術(shù)處)

針對(duì)復(fù)合頂板錨桿巷道在使用期間,經(jīng)常發(fā)生錨桿被拉斷、拉脫失效、片幫冒頂?shù)默F(xiàn)象,指出了護(hù)幫支護(hù)的意義,分析了復(fù)合頂板巷道礦壓特點(diǎn),對(duì)高強(qiáng)度復(fù)合材料錨桿進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并提出了結(jié)論和建議。

復(fù)合頂板;護(hù)幫;錨桿支護(hù);高強(qiáng)度復(fù)合材料;研究

復(fù)合頂板錨桿巷道在使用期間,嚴(yán)重影響了巷道的正常使用,是目前錨桿支護(hù)在復(fù)合頂板煤巷中難以推廣的重要原因。

長(zhǎng)期以來(lái),人們非常重視對(duì)頂板錨桿支護(hù)技術(shù)的研究,現(xiàn)在高強(qiáng)度全長(zhǎng)錨桿被廣泛應(yīng)用,而對(duì)煤幫錨桿支護(hù)技術(shù)卻重視不夠,所使用的木錨桿或竹錨桿錨固力極低。事實(shí)上,復(fù)合頂板巷道的垮落破壞,往往是從煤幫的破壞開(kāi)始的。因此,本文從煤幫支護(hù)的角度出發(fā),對(duì)復(fù)合破碎頂板錨桿支護(hù)技術(shù)進(jìn)行探討。

1 復(fù)合頂板巷道礦壓分析

復(fù)合頂板是指煤層頂板由不同巖性的較薄層狀巖層組成,軟硬巖層間常夾有煤線或軟弱巖層(如泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖等),下部軟巖層的厚度一般在0.5～2.0 m之間,且所在煤層強(qiáng)度也較低。其特點(diǎn)是,巷道頂板易離層冒落,煤幫壓力大易片幫,維護(hù)困難。

1.1 巷道礦壓特點(diǎn)

在復(fù)合頂板煤層中,巷道掘出未支護(hù)前,應(yīng)力重新分布,巷道周邊產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,頂板巖層下沉、撓曲,從弱面離層,進(jìn)而折斷形成近似倒三角形冒落區(qū)(見(jiàn)圖1),其冒落高度為:

式中:

B—巷道跨度,m;

α、β—頂板折斷線與巖層交角,(°)。

頂板壓力等于三角冒落區(qū)石重量,則巷道頂板壓力為:

式中:

r—巖石容重,g/cm3。

圖1 未支護(hù)條件下巷道礦壓計(jì)算簡(jiǎn)圖

巷道兩煤幫由于受垂直應(yīng)力、離層頂板變形應(yīng)力及頂板壓力的影響,煤幫被壓酥變形,出現(xiàn)塑性變形區(qū),煤體強(qiáng)度降低產(chǎn)生片幫。此時(shí),頂板實(shí)際支撐跨度由;B值增加為B′值,頂板三角冒落高度值h隨之增高為h′,頂板壓力隨之增加為p′,即:

由于煤幫的破壞,引起了頂板三角冒落區(qū)擴(kuò)大,頂板壓力增高,頂板再次冒頂,以此反復(fù),直至巷道冒落為止。

1.2 錨桿支護(hù)條件下的礦壓特點(diǎn)

巷道掘出后,及時(shí)進(jìn)行錨桿支護(hù),使頂板巖層得到加固形成組合構(gòu)梁(見(jiàn)圖2)?？拷鼉蓭偷慕清^桿已深入到三角冒落區(qū)之外,既有組合梁的作用,又有懸吊的作用,減輕了梁對(duì)煤幫邊的壓力,也兼有護(hù)幫的作用?？缰绣^桿只有組合梁的作用。這時(shí)組合結(jié)構(gòu)梁上的載荷仍可視為整個(gè)三角冒落區(qū)全部巖石的重量。即:

圖2 頂、幫支護(hù)條件下巷道礦壓計(jì)算簡(jiǎn)圖

1)煤幫不支護(hù)條件下礦壓特點(diǎn)。在煤幫不支護(hù)條件下(圖3),錨桿組合結(jié)構(gòu)梁的形成,使頂板變形應(yīng)力減小或消失,煤幫主要承受頂板壓力和垂直應(yīng)力。由于煤幫不支護(hù)且強(qiáng)度低,隨著時(shí)間的推移,塑性變形區(qū)不斷變大,喪失強(qiáng)度或片幫。此時(shí),由于巷道跨度B值的增加,引起頂板三角冒落區(qū)高度h和頂板壓力P值的升高。升高的頂板壓力P對(duì)煤幫作用,繼續(xù)引起三個(gè)值的連鎖升高,當(dāng)頂板壓力超過(guò)頂板組合結(jié)構(gòu)梁承載能力時(shí),頂板首先從錨桿間拉應(yīng)力區(qū)遭破壞,使錨桿失效喪失錨固力,或因局部錨桿受力增高而被拉斷、拉脫,發(fā)生片幫、冒頂事故。

圖3 煤幫無(wú)支護(hù)條件下巷道礦壓計(jì)算簡(jiǎn)圖

2)煤幫支護(hù)條件下礦壓特點(diǎn)。在巷道掘出后,同時(shí)及時(shí)支護(hù)頂板、煤幫,利用有效的錨桿群對(duì)煤幫進(jìn)行擠壓加固,提高煤體的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦力,阻止煤幫的塑性變形,增強(qiáng)煤幫的強(qiáng)度,使之形成承載結(jié)構(gòu)體。把巷道圍巖整體承載結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力狀態(tài)的變化控制在最小允許范圍,達(dá)到整體支護(hù)效果。

2 錨桿護(hù)幫問(wèn)題分析

圍巖既是載荷,又是承載體。錨桿支護(hù)理論就是立足于化載荷為承載體,變被動(dòng)為主動(dòng)觀點(diǎn)之上的。但是,目前復(fù)合頂板巷道錨桿護(hù)幫效果不理想,問(wèn)題比較多,其原因有:

1)人們對(duì)煤幫錨桿支護(hù)技術(shù)重視不足,研究不夠,缺乏有效的理論和設(shè)計(jì)方法。2)復(fù)合頂板巷道多為回采巷道,而現(xiàn)所使用的木、竹可切割錨桿,材質(zhì)差,強(qiáng)度低,錨固力僅為10～20 kN,品種單一,不能滿足煤幫支護(hù)的需要。因此,要研究開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度復(fù)合材料錨桿,不僅能滿足煤幫支護(hù)需要,而且實(shí)現(xiàn)可截割,保證生產(chǎn)安全。

3 高強(qiáng)度復(fù)合材料錨桿工業(yè)性試驗(yàn)情況

3.1 錨桿錨固力抽檢

在100余次的錨桿錨固力抽檢中,共出現(xiàn)了1次抽檢不合格,造成該現(xiàn)象的原因是:該段煤層受到地質(zhì)構(gòu)造影響,非常酥軟,樹(shù)脂錨固劑與鉆孔壁的粘結(jié)效果極差。采取的補(bǔ)救辦法是在該段不合格錨桿附近重新補(bǔ)打錨桿。

錨固力抽檢結(jié)果表明,錨桿滿足了設(shè)計(jì)要求。

3.2 錨桿預(yù)緊力矩檢驗(yàn)

巷道掘進(jìn)施工過(guò)程中,在錨桿完成安裝后,每小班有專人用力矩示值扳手對(duì)錨桿螺母預(yù)緊力進(jìn)行一組(3根)抽測(cè)。經(jīng)過(guò)抽檢,使用錨桿鉆機(jī)安裝的錨桿,其螺紋處基本上都達(dá)到了設(shè)計(jì)規(guī)定的預(yù)緊力矩40 N·m,并且沒(méi)有發(fā)生破壞。

3.3 錨桿預(yù)緊力矩檢驗(yàn)

巷道兩幫移近量。通過(guò)用“十”字法觀測(cè)安裝玻璃鋼錨桿側(cè)巷道幫部的相對(duì)移近量,得出觀測(cè)曲線,見(jiàn)圖4,圖5。

由圖4可知,回采工作面超前巷道圍巖變形范圍為57 m,距工作面5 m時(shí)巷道圍巖變形值最大,其頂板和兩幫移近量分別為200 mm、180 mm;由圖5可知,回采工作面超前巷道圍巖變形范圍為57 m,距工作面5 m時(shí)巷道圍巖變形值最大,其頂板和兩幫移近量分別為340 mm、240 mm。

4)錨桿可切割情況觀測(cè)。復(fù)合材料錨桿在滾筒割煤過(guò)程中,能夠很容易地被切割,沒(méi)有發(fā)生與截齒碰撞產(chǎn)生火化的現(xiàn)象。

全螺紋高強(qiáng)度可截割復(fù)合材料錨桿2005年先后開(kāi)始在官地礦、東曲礦的回采工作面煤壁側(cè)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)期間,對(duì)全螺紋高強(qiáng)度可截割復(fù)合材料錨桿的錨固狀況、錨桿預(yù)緊力、錨桿拉拔力、錨桿可截割情況以及錨桿支護(hù)巷道進(jìn)行了礦壓觀測(cè)。實(shí)踐證明:

a)該錨桿不僅滿足了采煤機(jī)可截割問(wèn)題,解決了原金屬錨桿兩幫支護(hù)采煤機(jī)截割時(shí)易產(chǎn)生火花,給安全帶來(lái)隱患,或提前回撤錨桿既不安全,勞動(dòng)強(qiáng)度又大等弊端,加快了工作面推進(jìn)速度,提高了工作面單產(chǎn)。b)該錨桿強(qiáng)度高,支護(hù)效果好,西山礦區(qū)10對(duì)生產(chǎn)礦井以及汾西、陽(yáng)泉、煤氣化、柳林等單位推廣應(yīng)用近60萬(wàn)套,支護(hù)巷道近15萬(wàn)m,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),完全達(dá)到金屬錨桿支護(hù)效果,有效控制了巷道變形,滿足了生產(chǎn)需要。c)該錨桿重量輕,操作方便,適應(yīng)范圍廣,具有很好的推廣價(jià)值。

4 結(jié) 論

綜上分析,對(duì)復(fù)合頂板錨桿巷道煤幫支護(hù)技術(shù)有如下結(jié)論和建議。

1)煤幫支護(hù),是整個(gè)巷道支護(hù)系統(tǒng)的重要內(nèi)容,提高巷道煤幫支護(hù)技術(shù),是改善巷道整體支護(hù)效果的關(guān)鍵。

2)頂、幫支護(hù)相互作用,相互影響。煤幫支護(hù)效果,直接影響頂板支護(hù)系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。

3)改善煤幫應(yīng)力狀態(tài),提高煤幫自穩(wěn)和自承能力,是煤幫錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。

4)及早護(hù)幫,及時(shí)向煤幫提供側(cè)向力,充分利用三向受壓條件下的煤體強(qiáng)度最高的特點(diǎn),有效控制煤幫的變形,是錨桿護(hù)幫的要點(diǎn)。

5)加強(qiáng)煤幫支護(hù)理論的研究和煤幫錨桿新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),是提高護(hù)幫效果的關(guān)鍵。

6)兩幫承壓非對(duì)稱的巷道,應(yīng)采用不同類型錨桿或不同密度的錨桿進(jìn)行非對(duì)稱支護(hù)。

7)改進(jìn)掘進(jìn)方式(如掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)),減小對(duì)煤幫的震動(dòng);抓好掘進(jìn)成型,提高煤幫的平整度,降低煤幫的應(yīng)力集中程度。8)在滿足巷道使用條件的前提下,盡可能減小巷道跨度。

Research on Support Technology of Sidewall Bolt in Soft Broken Composite Roof Roadway

Yang Nai-gui

According to the situations of bolt being broken or damaged occurred in the roadway with composite broken roof,this paper points out the importance of the sidewall support,analyzes the mine strata characteristics,testes the support technology of bolt with high strength composite materials,and provides a conclusion on it.

Composite roof;Coal side wall support;Bolt support;Bolt with high strength composite materials

book=6,ebook=7

TD353.6

B

1672-0652(2010)06-0021-03

2010-04-11

楊乃貴 男 1957年出生 1994年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院 工程師 太原 030053