陳家溝煤礦強(qiáng)力錨索支護(hù)參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

李學(xué)軍 馬鵬乾

(華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦，甘肅 華亭 744100)

陳家溝煤礦強(qiáng)力錨索支護(hù)參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

李學(xué)軍 馬鵬乾

(華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦，甘肅 華亭 744100)

以8513運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面錨索退錨原因調(diào)查為切入點(diǎn)，分析了錨索在支護(hù)體系中的作用，通過(guò)理論分析計(jì)算，重新設(shè)計(jì)了錨索長(zhǎng)度和安裝預(yù)緊力，并在8513運(yùn)輸順槽、3204掘進(jìn)工作面進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)研究結(jié)果證明錨網(wǎng)索支護(hù)增大了支護(hù)強(qiáng)度，在保證巷道安全性及今后支護(hù)參數(shù)選取上具有積極的參考意義。

錨索支護(hù)，預(yù)緊力，退錨，參數(shù)

1 研究背景

錨網(wǎng)索支護(hù)在陳家溝近10年的巷道支護(hù)中得到了普遍推廣應(yīng)用，以往在錨索支護(hù)參數(shù)的選取上均依照最初設(shè)計(jì)和研究單位給定的數(shù)值，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，支護(hù)參數(shù)也發(fā)生了較大變化。在工程實(shí)踐中，時(shí)有錨桿、錨索桿體拉斷破壞、錨索退錨現(xiàn)象，8513運(yùn)輸順槽在掘進(jìn)時(shí)即發(fā)生了部分錨索退錨，以此為切入點(diǎn)，通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)試驗(yàn)，旨在科學(xué)進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，提高巷道支護(hù)安全性。

2 錨桿錨索支護(hù)體及其匹配關(guān)系分析

錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的原理是通過(guò)支護(hù)體所給的預(yù)緊力產(chǎn)生懸吊作用，進(jìn)而在圍巖擠壓加固下，形成支護(hù)拱，控制巷道周邊圍巖，預(yù)緊力加載的合理性是控制圍巖最初產(chǎn)生大量位移變形的直接影響因素。而聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中各個(gè)支護(hù)構(gòu)件相互作用與圍巖結(jié)構(gòu)的優(yōu)化耦合是實(shí)現(xiàn)支護(hù)一體化和載荷均勻化的關(guān)鍵。巷道錨網(wǎng)索支護(hù)是通過(guò)錨索和錨桿長(zhǎng)度配合來(lái)控制頂板，錨索在支護(hù)體中起補(bǔ)強(qiáng)作用。研究表明，各支護(hù)參數(shù)對(duì)于控制巷道圍巖收斂均有影響，但最敏感的因素是錨桿間排距和桿體長(zhǎng)度，對(duì)于錨索來(lái)說(shuō)主要是其安裝密度和直徑，同時(shí)要考慮動(dòng)力條件下所承受的能量和自身變形。巷道斷面形狀在一定程度上決定著圍巖控制的穩(wěn)固性，但在無(wú)支護(hù)狀態(tài)下，巷道表層圍巖塑性松散層自然垮落后的斷面形狀既不是梯形，也不是拱形，即不取決于巷道設(shè)計(jì)的斷面形狀，真正起穩(wěn)固作用息止頂板圍巖冒落的是松散層的深度和穩(wěn)定圍巖的擠壓作用，圍巖具有自穩(wěn)能力(如圖1所示)。

適當(dāng)減小錨索長(zhǎng)度、增大錨桿長(zhǎng)度，可以有效提高支護(hù)效果。一方面已經(jīng)將錨索布置在巷道頂板的塑性區(qū)以上的范圍內(nèi)，另外一方面，適當(dāng)減小錨索長(zhǎng)度，有利于減弱錨索所承受的應(yīng)變能和系統(tǒng)動(dòng)能，進(jìn)而和錨桿形成較好匹配，減少斷裂的趨勢(shì)。同時(shí)，錨索支護(hù)作為一種高承載力的支護(hù)手段，也能減輕巷旁壓力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果和理論分析，錨索參數(shù)調(diào)整如下：1)錨索長(zhǎng)度：由7.3 m縮小為6.5 m；2)錨索密度：1 m×1 m；3)錨索直徑：由17.8 mm增大到22 mm；4)增加讓壓環(huán)和球形墊板。

通過(guò)在8513掘進(jìn)工作面進(jìn)行工程實(shí)踐，表明增大索體直徑，支護(hù)材料自身承載強(qiáng)度增大，明顯減少了斷錨現(xiàn)象的發(fā)生。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，8512工作面掘進(jìn)過(guò)程中，因受壓拉斷的錨索達(dá)3 538套；8513運(yùn)輸順槽新掘近1 000 m巷道斷錨數(shù)量?jī)H37套。

3 錨索預(yù)緊力實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)于施加主動(dòng)應(yīng)力來(lái)阻止下沉為目的的錨索設(shè)計(jì)，可按設(shè)計(jì)錨固力施加應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮錨索與圍巖的變形協(xié)調(diào)，使錨索充分發(fā)揮作用，一般對(duì)錨索施加初始預(yù)應(yīng)力為設(shè)計(jì)錨固力的30%～80%，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 942—2005計(jì)算出的設(shè)計(jì)錨固力為352.7 kN(88 MPa)，因此，陳家溝煤礦使用的skp21.8-1/1860錨索初始預(yù)應(yīng)力應(yīng)為105.8 kN(26.5 MPa)～282.2 kN(70.6 MPa)。

1)礦用錨索最大力計(jì)算：

Ru=ηa×n×Sn×Rm

(1)

Ru=0.95×1×301×1 860=531 867 N，即54.272 t。

其中，Ru為礦用錨索最大力，N；ηa為錨具效率系數(shù)，取0.95；n為鋼絞線根數(shù)；Sn為單根鋼絞線參考截面面積，mm2；Rm為鋼絞線抗拉強(qiáng)度，MPa。

2)礦用錨索設(shè)計(jì)承載力計(jì)算：

Nt=m×n×Sn×Rm

(2)

Nt=0.6×1×301×1 860=335 916 N，即34.277 t。

其中，Nt為礦用錨索設(shè)計(jì)承載力，N；m為礦用錨索張拉應(yīng)力控制系數(shù)，取值不大于0.6；n為鋼絞線根數(shù)；Sn為單根鋼絞線參考截面面積，mm2；Rm為鋼絞線抗拉強(qiáng)度，MPa。

3)礦用錨索設(shè)計(jì)安全系數(shù)：

K=Ru/Nt

(3)

K=531 867/335 916=1.583≥1.5，滿足要求。

其中，K為礦用錨索安全系數(shù)，取值不小于1.5；Ru為礦用錨索最大力，N；Nt為礦用錨索設(shè)計(jì)承載力，N。

4)礦用錨索錨固力計(jì)算公式：

錨固力必須大于設(shè)計(jì)承載力的1.05倍，則有：

Nm≥Nt×1.05

(4)

Nm≥335 916×1.05=352 712 N，為35.991 t。

其中，Nm為礦用錨索錨固力，N；Nt為礦用錨索設(shè)計(jì)承載力，N。

對(duì)于施加主動(dòng)應(yīng)力來(lái)阻止下滑為目的的錨索設(shè)計(jì)，可按設(shè)計(jì)錨固力施加應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮錨索與圍巖的變形協(xié)調(diào)，使錨索充分發(fā)揮作用，一般對(duì)錨索施加初始預(yù)應(yīng)力為設(shè)計(jì)錨固力的30%～80%。按照上述數(shù)據(jù)計(jì)算，初始預(yù)應(yīng)力應(yīng)在105.8 kN～282.2 kN之間。

表1 8513運(yùn)輸順槽試驗(yàn)段錨索退、脫錨情況統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，由于張拉作用會(huì)引起被加固體產(chǎn)生較大的蠕動(dòng)和塑性變形，通常進(jìn)行張拉試驗(yàn)來(lái)決定初始預(yù)應(yīng)力值，一般對(duì)錨索施加初始預(yù)應(yīng)力為設(shè)計(jì)錨固力的60%。即為：Nm×60%=352.712×0.6=211.6 kN。依據(jù)GB 50213—2010煤礦井巷工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范中第9.2.5條規(guī)定預(yù)應(yīng)力錨索鎖定后的預(yù)應(yīng)力值不應(yīng)小于設(shè)計(jì)值的90%，即190.44 kN。經(jīng)觀測(cè)，在動(dòng)壓影響區(qū)域，退錨現(xiàn)象明顯減少，根據(jù)頂板離層分析，頂板壓縮變形為220 mm，頂?shù)装逡平坎怀^(guò)300 mm，且主要為底鼓，表明頂板支護(hù)對(duì)頂板位移下沉的控制較好，提高支護(hù)預(yù)緊力可以控制頂板早期變形。8513運(yùn)輸順槽試驗(yàn)段錨索退、脫錨情況見表1。

4 結(jié)語(yǔ)

1)巷道圍巖松散冒落層以外具有隱形自穩(wěn)拱，將錨索錨桿支護(hù)體安裝在塑性擠壓區(qū)以上，即可以起到與圍巖耦合加固作用。2)合理調(diào)整錨桿錨索支護(hù)參數(shù)，提高支護(hù)體自身強(qiáng)度，有利于減弱錨索所承受的應(yīng)變能和系統(tǒng)動(dòng)能，進(jìn)而和錨桿形成較好匹配，減少斷裂的趨勢(shì)。3)合理確定錨索初始預(yù)緊力，可以預(yù)防頂板圍巖初期變形，及早控制圍巖位移松動(dòng)。

[1] 高喜才，伍永平，邵學(xué)敏.深部開采全煤硐室圍巖變形機(jī)理及底鼓控制技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(4)：1-4.

[2] 鄧 坤，惠興田，韋正范.基于自穩(wěn)隱形拱原理的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)[J].礦業(yè)環(huán)保與安全，2006(1):77-79.

[3] 康紅普,王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2007.

[4] 何滿朝.中國(guó)煤礦錨桿支護(hù)理論與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社,2004.

[5] 李亮青.淺析煤巷錨桿支護(hù)機(jī)理[J].科技資訊，2011(23)：40.

Study on parameter of power anchor & rope supporting for Chenjiagou coal

Li Xuejun Ma Pengqian

(HuatingCoalandElectricityCo.,Ltd,ChenjiagouCoalMine，Huating744100，China)

The investigation on unload the cable bolts as the breakthrough point happened in with 8513 loading, it analyzes that the anchor cable in the role of supporting system, by theoretical calculation, redesigns the prestressing force and the length of anchor cable. By taking the test in 8513 transport gateway and 3204 tunneling working face, it proves that the anchor net supporting can increases the strength system, it has positive reference meaning for safety and asselection of supporting parameters in future.

cablebolting, pretension force, hauling-off anchor, parameter

2015-01-27

李學(xué)軍(1974- )，男，工程師; 馬鵬乾(1987- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)10-0088-02

TU463

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