剪切式錨桿錨索測力計(jì)在大斷面煤巷支護(hù)的研究

馬來斌

0 引言

隨著煤礦錨桿支護(hù)理論的不斷發(fā)展和完善，錨桿錨索在煤礦巷道的支護(hù)工程中得到了廣泛應(yīng)用。在服務(wù)于回采工作面的順槽中，煤層開采后，在超前支撐壓力的作用下，從工作面沿巷道走向礦壓呈先增大后減小最后逐步恢復(fù)到原始狀態(tài)。與此同時(shí)，作用在錨桿錨索上的軸力也與礦壓分布規(guī)律有著密切的關(guān)系。尤其是在大斷面煤巷中，礦壓顯現(xiàn)程度更為強(qiáng)烈，錨桿錨索時(shí)常出現(xiàn)被拉斷的情況。如何確定錨桿錨索軸力與工作面回采之間的關(guān)系，對巷道支護(hù)的穩(wěn)定性、安全性進(jìn)行監(jiān)測，提前采取預(yù)防措施，避免因錨桿錨索斷裂而引起巷道片幫、冒頂?shù)葥p失和災(zāi)害，一直是研究的重點(diǎn)。

塔山礦是年產(chǎn)1 500 萬t 煤的特大型礦井之一，其中5105 巷位于3～5#煤層一盤區(qū)8105 工作面，寬5.5 m，高3.9 m，斷面面積21.45 m2，斷面大，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。以該巷為研究對象，采用剪切式錨桿錨索測力計(jì)對巷道支護(hù)所用錨桿錨索軸力進(jìn)行監(jiān)測，研究其與回采工作面距離之間的關(guān)系，評價(jià)回采過程中巷道支護(hù)的安全性，為煤礦安全生產(chǎn)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 錨桿錨索測力計(jì)的選取

根據(jù)傳感器的類型不同，常用錨桿錨索軸力監(jiān)測設(shè)備可分為電阻應(yīng)變式、振弦式、液壓枕式等[1]。其中液壓枕式測力計(jì)為機(jī)械式壓力傳感器，利用油壓表顯示不同壓力值的變化。該類測力計(jì)精度小、人工讀數(shù)誤差較大；此外，液壓表的保護(hù)裝置多為玻璃鏡片，在煤礦生產(chǎn)過程中易被破壞。振弦式傳感器總鋼弦作為磁通路的一部分，隨著鋼弦的振動，磁通在同步變化，同時(shí)引起傳感器線圈的電流產(chǎn)生變化，受結(jié)構(gòu)影響較大，適應(yīng)頻帶比較窄，制作的錨桿錨索測力計(jì)量程較小?，F(xiàn)在常用的電阻應(yīng)變式錨桿錨索測力計(jì)的結(jié)構(gòu)基本是拉壓式，抗彎矩、抗橫向力能力差，力作用點(diǎn)的變化會引起輸出靈敏度的變化；此外，彈性應(yīng)變片受拉時(shí)橫截面面積減少，而受壓時(shí)橫截面面積則增大，因此輸出值與受力值不是線性關(guān)系，不適合錨索錨桿軸力變化的監(jiān)測。

為了得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果，本文選用剪切式錨桿錨索測力計(jì)[2]。該類測力計(jì)在電阻應(yīng)變式錨桿錨索測力計(jì)的基礎(chǔ)上對應(yīng)變片的布置方式進(jìn)行改變而來，主要由剛體、電阻應(yīng)變片組成（見圖1），其電阻應(yīng)變敏感片安裝在彈性元件上剪應(yīng)變最大處的主應(yīng)變方向，避免了拉壓式測力計(jì)受力后傳感器斷面變化的問題，輸出精度比拉壓式傳感器更高。

圖1 剪切式錨索錨桿測力計(jì)結(jié)構(gòu)

2 錨桿錨索軸力實(shí)測分析

考慮到各種因素，決定在5105 巷靠近工作面一端地質(zhì)環(huán)境較好、生產(chǎn)活動干擾較小的地段安裝測站，在5105 回風(fēng)兼輔運(yùn)順槽2250 和2360 里程處分別設(shè)立了第一、第二兩個(gè)觀測站，監(jiān)測錨桿錨索軸力與距回采工作面之間的距離的關(guān)系（見圖2）。選用北京天地科技有限公司開采所研制的GYS-300 和GYS-500 型剪切式錨桿(索)測力計(jì)量測各測站中錨桿和錨索的軸力大小。這兩種型號的測力計(jì)都采用橋式剛體結(jié)構(gòu)，量程分別為300 kN 和500 kN，精度都為0.5%，其實(shí)際安裝見圖3。

圖2 各測站錨桿錨索測力計(jì)布置

圖3 GYS-300（500）型錨桿(索)測力計(jì)安裝示意

由于第二綜合測站在回采過程中遭到很大程度的破壞，故支護(hù)構(gòu)件軸力量測以第一綜合測站為主，實(shí)測結(jié)果見圖4～圖11。

圖4 左幫1#錨桿受力量測曲線

圖5 右?guī)?#錨桿受力量測曲線

圖6 拱頂2#錨桿受力量測曲線

圖7 拱頂3#錨桿受力量測曲線

圖8 拱頂4#錨桿受力量測曲線

圖9 拱頂1#錨索受力量測曲線

圖10 拱頂2#錨索受力量測曲線

圖11 拱頂3#錨索受力量測曲線

由圖4～圖11 可知：

（1）沿工作面走向支護(hù)構(gòu)件尾部軸力變化規(guī)律在回采期間也可以分為3 個(gè)階段。

①無采動影響階段：此階段位于距離回采工作面115 m 范圍之外巷道。該段巷道錨桿錨索尾部軸力保持穩(wěn)定，幾乎不受采動的影響。

②采動影響階段：在工作面前方約50 m～115 m范圍內(nèi)，巷道受到工作面超前支撐壓力作用和老頂來壓的影響，錨桿、錨索尾部軸力出現(xiàn)較大波動。

③采動影響劇烈階段：隨著工作面的推進(jìn)，距工作面50 m 范圍內(nèi)，巷道受到回采動壓的強(qiáng)烈影響，錨桿、錨索尾部軸力變化劇烈。尤其是左幫1#錨桿，一天之內(nèi)錨桿尾部軸力從43.77 kN 增大到237.61 kN，增幅將近6 倍。

（2）回采對兩幫的影響不相同。從左幫1#錨桿或靠近左幫的拱頂2#錨桿、拱頂1#錨索與相應(yīng)的右?guī)?#錨桿或靠近右?guī)偷墓绊?#錨桿、拱頂3#錨索尾部實(shí)測受力結(jié)果與距回采工作面距離的關(guān)系曲線來看，前者左部3 個(gè)支護(hù)構(gòu)件的波動幅度明顯大于后者右部的3 個(gè)支護(hù)構(gòu)件。分析其原因，主要是由于：

①左幫位于正在回采的8105 工作面煤體中，離工作面較近，受到工作面采煤機(jī)械的振動較大。

②由于8105 工作面開采厚度達(dá)到15 m，頂板來壓非常頻繁，來壓時(shí)頂板大多數(shù)都是在靠近工作面中部的位置斷裂，故對與之較近的左幫影響程度更大。

（3）錨索抵抗回采影響的能力大于錨桿。從圖6～圖11 可以看出，由于錨桿較短，變形能力差，主要支護(hù)巷道表層圍巖形成的支護(hù)體系較小；而錨索的長度是錨桿的3.5 倍，自身的延性較強(qiáng)，遇到強(qiáng)壓時(shí)的讓壓[3]能力遠(yuǎn)大于錨桿，致使在采動影響階段和影響劇烈階段，錨桿尾部的應(yīng)力波動幅度幾乎都比錨索強(qiáng)烈。

（4）沿工作面走向，錨桿錨索尾部軸力分布規(guī)律與超前支撐壓力的分布規(guī)律相同。在距工作面75 m以內(nèi)的范圍內(nèi)，隨著支撐壓力的不斷增加，錨桿錨索的尾部軸力緩慢增大，當(dāng)距工作面的距離小于24 m后，錨桿錨索尾部軸力又逐漸減小，這一規(guī)律與支撐壓力的分布規(guī)律相符。

（5）右部錨桿錨索尾部軸力比左部錨桿錨索大出很多。由于右?guī)褪且巡?104 工作面的保護(hù)性煤柱，在8104 工作面左側(cè)支撐壓力和5105 回風(fēng)兼輔助運(yùn)輸順槽開掘時(shí)產(chǎn)生的新應(yīng)力集中的雙重作用下，使得5105 回風(fēng)兼輔助運(yùn)輸順槽右?guī)停ü绊斢壹纾┑膽?yīng)力遠(yuǎn)大于左幫（拱頂左肩）的應(yīng)力，進(jìn)而使右部錨桿錨索尾部軸力比左部錨桿錨索大出很多。

3 結(jié)語

錨桿受力特性的監(jiān)測是評價(jià)支護(hù)效果、對支護(hù)方案進(jìn)行動態(tài)調(diào)整的重要依據(jù)，本文以同煤集團(tuán)塔山煤礦5105 巷為研究對象，研究了剪切式錨桿錨索測力計(jì)在實(shí)測錨桿錨索軸力中的表現(xiàn)效果。實(shí)踐表明：剪切式錨桿錨索測力計(jì)安裝使用方便，受外界采動影響小，測試結(jié)果精度高。在具體數(shù)據(jù)方面：隨著回采工作面的臨近，采動對錨桿錨索軸力的影響存在無影響、采動影響和采動影響劇烈3 個(gè)階段，但最大軸力始終在安全范圍之內(nèi)，監(jiān)測結(jié)果與現(xiàn)場表現(xiàn)一致，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了保證。

[1]鞠文君，蔡嘉芳，丁輝.地下開采現(xiàn)代技術(shù)理論與實(shí)踐[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2002.

[2]吳志剛，鞠文君 .新型錨索錨桿測力計(jì)的研制與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2007，35（11）：36-38.

[3]何炳銀，張士環(huán)，尹建國.高地壓巷道錨索讓壓支護(hù)技術(shù)的探討[J].煤炭工程，2005（9）：22-25.