松軟破碎復合頂板巷道護幫錨桿支護技術研究

楊乃貴

(山西焦煤西山煤電集團公司生產技術處)

松軟破碎復合頂板巷道護幫錨桿支護技術研究

楊乃貴①

(山西焦煤西山煤電集團公司生產技術處)

針對復合頂板錨桿巷道在使用期間,經常發生錨桿被拉斷、拉脫失效、片幫冒頂的現象,指出了護幫支護的意義,分析了復合頂板巷道礦壓特點,對高強度復合材料錨桿進行了試驗研究,并提出了結論和建議。

復合頂板;護幫;錨桿支護;高強度復合材料;研究

復合頂板錨桿巷道在使用期間,嚴重影響了巷道的正常使用,是目前錨桿支護在復合頂板煤巷中難以推廣的重要原因。

長期以來,人們非常重視對頂板錨桿支護技術的研究,現在高強度全長錨桿被廣泛應用,而對煤幫錨桿支護技術卻重視不夠,所使用的木錨桿或竹錨桿錨固力極低。事實上,復合頂板巷道的垮落破壞,往往是從煤幫的破壞開始的。因此,本文從煤幫支護的角度出發,對復合破碎頂板錨桿支護技術進行探討。

1 復合頂板巷道礦壓分析

復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、炭質頁巖等),下部軟巖層的厚度一般在0.5～2.0 m之間,且所在煤層強度也較低。其特點是,巷道頂板易離層冒落,煤幫壓力大易片幫,維護困難。

1.1 巷道礦壓特點

在復合頂板煤層中,巷道掘出未支護前,應力重新分布,巷道周邊產生應力集中現象,頂板巖層下沉、撓曲,從弱面離層,進而折斷形成近似倒三角形冒落區(見圖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 未支護條件下巷道礦壓計算簡圖

巷道兩煤幫由于受垂直應力、離層頂板變形應力及頂板壓力的影響,煤幫被壓酥變形,出現塑性變形區,煤體強度降低產生片幫。此時,頂板實際支撐跨度由;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擴大,頂板壓力增高,頂板再次冒頂,以此反復,直至巷道冒落為止。

1.2 錨桿支護條件下的礦壓特點

巷道掘出后,及時進行錨桿支護,使頂板巖層得到加固形成組合構梁(見圖2)?？拷鼉蓭偷慕清^桿已深入到三角冒落區之外,既有組合梁的作用,又有懸吊的作用,減輕了梁對煤幫邊的壓力,也兼有護幫的作用。跨中錨桿只有組合梁的作用。這時組合結構梁上的載荷仍可視為整個三角冒落區全部巖石的重量。即:

圖2 頂、幫支護條件下巷道礦壓計算簡圖

1)煤幫不支護條件下礦壓特點。在煤幫不支護條件下(圖3),錨桿組合結構梁的形成,使頂板變形應力減小或消失,煤幫主要承受頂板壓力和垂直應力。由于煤幫不支護且強度低,隨著時間的推移,塑性變形區不斷變大,喪失強度或片幫。此時,由于巷道跨度B值的增加,引起頂板三角冒落區高度h和頂板壓力P值的升高。升高的頂板壓力P對煤幫作用,繼續引起三個值的連鎖升高,當頂板壓力超過頂板組合結構梁承載能力時,頂板首先從錨桿間拉應力區遭破壞,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,發生片幫、冒頂事故。

圖3 煤幫無支護條件下巷道礦壓計算簡圖

2)煤幫支護條件下礦壓特點。在巷道掘出后,同時及時支護頂板、煤幫,利用有效的錨桿群對煤幫進行擠壓加固,提高煤體的粘結力和內摩擦力,阻止煤幫的塑性變形,增強煤幫的強度,使之形成承載結構體。把巷道圍巖整體承載結構體的應力狀態的變化控制在最小允許范圍,達到整體支護效果。

2 錨桿護幫問題分析

圍巖既是載荷,又是承載體。錨桿支護理論就是立足于化載荷為承載體,變被動為主動觀點之上的。但是,目前復合頂板巷道錨桿護幫效果不理想,問題比較多,其原因有:

1)人們對煤幫錨桿支護技術重視不足,研究不夠,缺乏有效的理論和設計方法。2)復合頂板巷道多為回采巷道,而現所使用的木、竹可切割錨桿,材質差,強度低,錨固力僅為10～20 kN,品種單一,不能滿足煤幫支護的需要。因此,要研究開發高強度復合材料錨桿,不僅能滿足煤幫支護需要,而且實現可截割,保證生產安全。

3 高強度復合材料錨桿工業性試驗情況

3.1 錨桿錨固力抽檢

在100余次的錨桿錨固力抽檢中,共出現了1次抽檢不合格,造成該現象的原因是:該段煤層受到地質構造影響,非常酥軟,樹脂錨固劑與鉆孔壁的粘結效果極差。采取的補救辦法是在該段不合格錨桿附近重新補打錨桿。

錨固力抽檢結果表明,錨桿滿足了設計要求。

3.2 錨桿預緊力矩檢驗

巷道掘進施工過程中,在錨桿完成安裝后,每小班有專人用力矩示值扳手對錨桿螺母預緊力進行一組(3根)抽測。經過抽檢,使用錨桿鉆機安裝的錨桿,其螺紋處基本上都達到了設計規定的預緊力矩40 N·m,并且沒有發生破壞。

3.3 錨桿預緊力矩檢驗

巷道兩幫移近量。通過用“十”字法觀測安裝玻璃鋼錨桿側巷道幫部的相對移近量,得出觀測曲線,見圖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。復合材料錨桿在滾筒割煤過程中,能夠很容易地被切割,沒有發生與截齒碰撞產生火化的現象。

全螺紋高強度可截割復合材料錨桿2005年先后開始在官地礦、東曲礦的回采工作面煤壁側進行試驗,試驗期間,對全螺紋高強度可截割復合材料錨桿的錨固狀況、錨桿預緊力、錨桿拉拔力、錨桿可截割情況以及錨桿支護巷道進行了礦壓觀測。實踐證明:

a)該錨桿不僅滿足了采煤機可截割問題,解決了原金屬錨桿兩幫支護采煤機截割時易產生火花,給安全帶來隱患,或提前回撤錨桿既不安全,勞動強度又大等弊端,加快了工作面推進速度,提高了工作面單產。b)該錨桿強度高,支護效果好,西山礦區10對生產礦井以及汾西、陽泉、煤氣化、柳林等單位推廣應用近60萬套,支護巷道近15萬m,經現場觀測,完全達到金屬錨桿支護效果,有效控制了巷道變形,滿足了生產需要。c)該錨桿重量輕,操作方便,適應范圍廣,具有很好的推廣價值。

4 結 論

綜上分析,對復合頂板錨桿巷道煤幫支護技術有如下結論和建議。

1)煤幫支護,是整個巷道支護系統的重要內容,提高巷道煤幫支護技術,是改善巷道整體支護效果的關鍵。

2)頂、幫支護相互作用,相互影響。煤幫支護效果,直接影響頂板支護系統的有效性和穩定性。

3)改善煤幫應力狀態,提高煤幫自穩和自承能力,是煤幫錨桿支護設計的出發點。

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

5)加強煤幫支護理論的研究和煤幫錨桿新產品的開發,是提高護幫效果的關鍵。

6)兩幫承壓非對稱的巷道,應采用不同類型錨桿或不同密度的錨桿進行非對稱支護。

7)改進掘進方式(如掘進機掘進),減小對煤幫的震動;抓好掘進成型,提高煤幫的平整度,降低煤幫的應力集中程度。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年畢業于山西礦業學院 工程師 太原 030053