掘進巷道支護的優化改進

白玉明 朱朝海

摘 要:安林煤業有限公司巷道斷層多,地質構造復雜,支護困難,返修率高,為解決以上問題,經過研究,除采取變更支護工藝外,還在優化支護上進行科研,以此來達到加固圍巖、降低失修率的作用。

關鍵詞:掘進支護 優化

中圖分類號:TD82 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)06(b)-0061-01

我公司所采煤層為二迭紀山西組二1煤層,煤層為三軟煤層。巷道掘進直接頂板以砂質泥巖為主,厚度0.71m～12.60m,平均5.06m,煤種屬于貧煤無煙煤,由于受井下地質構造帶影響,巷道巖性變化大,局部出現斷層且復雜,返修率高,為解決以上問題并達到質量標準化和施工現場要求,經過研究,除采取變更支護工藝外,還在優化支護上進行科研,以此來達到加固圍巖、降低失修率的作用。

卡纜是U型鋼支架的連接件,其結構和力學性能決定著支架工作阻力的大小、型鋼的滑移難易程度、支架變形損壞情況以及支架的復用率等重要問題。國內目前使用效果比較好的是雙槽夾板式卡纜,但由于材料質量較差和加工質量不高,卡纜的工作阻力仍然不高。在U型鋼棚式支護中,型鋼連接處一直是易變形易損壞的薄弱點。

U型鋼支架采用雙槽夾板式卡纜作為連接件,每個搭接處采用三付卡纜,分別布置在搭接處的兩端及中間位置。卡纜材質為普通鋼材且成型后未經任何熱處理。采用了此U型鋼進行棚式支護后,在圍巖壓力作用下巷道很快就發生了嚴重變形,且變形均先發生在型鋼的連接處。很明顯這現象表明現有卡纜的工作阻力不足影響了支架工作阻力的發揮,導致了巷道的失穩。

1型鋼連接處破壞分析

1.1 型鋼連接處的破壞形式

通過在井下仔細觀察,發現型鋼連接處有如下幾類破壞特征。

(1)由于頂部壓力大,頂梁向下滑移過程中促使下部卡纜螺桿拉斷,頂梁與棚腿之間出現張嘴叉開。

(2)頂梁和柱體發生相對滑移,頂梁與柱體接觸處下部張嘴叉開后推動下部卡纜向上滑移。

(3)兩個卡纜滑到一起后,棚腿上端上卡纜以上部位局部承載,由于應力集中使棚腿上端裂開。

1.2 破壞原因分析

當連接件鎖緊以后,可縮性支架節間連接段的型鋼受到壓緊,產生預緊力。若要推動支架節間連接部分滑動,必須克服連接部分型鋼與型鋼之間、型鋼與連接件之間的摩擦阻力。當巷道圍巖的變形使支架承受的載荷增加時,支架內力隨之增加。支架內力中的軸力推動支架節間連接段型鋼的滑動,而彎矩則阻止其滑動。故支架型鋼連接處的變形和破壞是型鋼與型鋼之間和型鋼與連接件之間的摩擦阻力、支架承載后型鋼所受的軸力以及由彎矩造成的彎曲應力這三種力作用的結果。

1.3 摩擦阻力小

支架承載后,型鋼內的軸力使型鋼發生相對滑動,而同時型鋼與型鋼之間、型鋼與卡纜之間的摩擦阻力又阻止相對滑動。這樣,只要軸力達到這個很小值型鋼就會滑移,支架不能提供足夠的支護阻力,高阻可縮支架變成了低阻滑移支架。上述型鋼連接處的破壞形式就是由于支架還未提供足夠的支護阻力搭接的兩型鋼就發生了較大的相對滑移導致了最后嚴重的破壞。

1.4 抗彎能力差

如所示,以下U型鋼受力為例,連接處受力矩M作用后,對下卡纜中心有力矩平衡:M=F1×d1-F2×d2(F1:上U型鋼的支撐力。F2:中間卡纜的拉力。d1:近似等于搭接長度。d2:中卡纜與下卡纜的距離)。由此可知,在承受一定大小的力矩時,中、下卡纜的距離增大會增加兩搭接型鋼在上卡纜處的作用力。型鋼連接處的破壞形式正是因為中、下卡纜距離長增加了型鋼在上卡纜處的作用力,再加上連接處受型鋼滑動影響結構發生了改變在此處形成了應力集中,所以造成了型鋼在此處的破壞。

1.5 卡纜強度低

卡纜強度低,首先,卡纜安裝后不能給型鋼提供足夠的預緊力,這樣型鋼連接處摩擦阻力小,支架發生低阻滑移。其次,卡纜在型鋼滑移的時后很容易拉斷,如上述連接處的第一種破壞形式。再有,支架承載后,卡纜不能提供足夠的力來平衡彎矩,造成連接處型鋼張嘴叉。

2改進方法

通過以上破壞原因分析可知,要提高型鋼連接處的承載能力主要是提高卡纜的性能。具體應對卡纜進行如下幾個方面的改進。

(1)提高卡纜強度。首先,可以改善上、下槽板的材質,增加其剛度。其次,應對槽板和螺絲進行熱處理。對卡纜螺絲和槽板進行熱處理后,在擰緊力矩達到400N·m的條件下,螺絲和槽板均未發生塑性變形。

(2)改善卡纜結構。一方面,適當增加卡纜寬度,這樣可以增加卡纜與型鋼的接觸面積,提高摩擦阻力。另一方面,在上、下卡纜上分別設置上、下限位塊。

(3)合理的安裝卡纜。首先,應注意將上、下卡纜分別安裝在搭接處的兩端,將中間卡纜盡量靠近下卡纜安裝。其次,安裝卡纜時要給卡纜足夠的預緊力,一般要求擰緊力矩大于300N·m,最好采用氣動扳手擰緊。

3應用實例

針對型鋼連接處的破壞形式,對連接處進行了改進。U型鋼支架型鋼連接處采用3付卡纜,2付雙槽夾板限位卡纜,一付普通夾板卡纜。上、下限位卡纜分別布置在型鋼連接處的上、下端部位置,限位塊抵住型鋼端部；普通卡纜靠近下部卡纜布置?？ɡ|安裝后,要求預緊力矩不小于300N·m。

應用此連接方式后,型鋼連接處再沒有發生上述破壞現象,顯著提高了支架的支護阻力,實現了U型鋼支架的高阻可縮性能。

建議在地面加工U29型鋼支架棚時,由此可以斷定U29型鋼支架棚經過棚腿焊幫可增加至少85%的棚腿支撐力,如此改良棚腿法,可減少U29型鋼支架棚彎曲損壞率約85%,僅此改進可每年節約巷修成本,同時也較好地確保了巷道安全性和巷護的相對穩定性。

4結語

本文通過對U型鋼支架型鋼連接處的破壞原因分析,得出了以下結論。

(1)型鋼的滑動摩擦阻力小、連接處抗彎能力差、卡纜強度低是連接處破壞的主要原因。

(2)要提高連接處的承載能力可以從提高卡纜強度、改善卡纜結構、確定卡纜合理的安裝位置三方面入手。

(3)實踐證明采用改進后的型鋼連接方式可以提高型鋼連接處的強度,充分發揮支架的支護能力。