高應力煤層破碎條件下支護鋼帶的優(yōu)化研究

王金鑫

(1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院， 山西 太原 030024； 2.大同煤礦集團 云岡礦， 山西 大同 037017)

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·試驗研究·

高應力煤層破碎條件下支護鋼帶的優(yōu)化研究

王金鑫

(1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院， 山西 太原 030024； 2.大同煤礦集團 云岡礦， 山西 大同 037017)

基于高應力煤層破碎條件下巷道支護材料的優(yōu)化問題，針對支護中鋼帶的作用機理及參數(shù)選型等方面進行優(yōu)化分析，并對不同類型鋼帶所能提供的載荷參數(shù)進行比較，通過現(xiàn)場實踐得出適應高應力煤層破碎條件下的JW高強度鋼帶。實踐表明：該類型鋼帶的應用無論從經(jīng)濟上還是安全上均取得了較好的效果，為今后類似條件下巷道支護材料參數(shù)的優(yōu)化積累了實踐經(jīng)驗，有較好的應用價值，值得積極推廣和完善發(fā)展。

高應力煤層；破碎圍巖；JW鋼帶；聯(lián)合支護

1 選題背景

石炭系特厚煤層巷道的原有支護在采動的影響下經(jīng)常會破壞失效，嚴重情況下會造成工作面的漏頂。對支護破壞的現(xiàn)場進行勘察分析，破壞形式為錨索梁的結(jié)構(gòu)失效。由此可見，該條件下矩形巷道的錨索支護存在一定的不適應性，同時現(xiàn)場生產(chǎn)中利用U型特殊鋼或其他剛性金屬支架代替錨索梁結(jié)構(gòu)中的11#工字鋼，但效果甚微。因此，通過改進支護材料改善矩形巷道圍巖的承載能力，找出適合該條件下的錨索梁支護結(jié)構(gòu)的相關參數(shù)是保證塔山礦高產(chǎn)高效生產(chǎn)的關鍵措施。

2 鋼帶的受力分析及參數(shù)研究

2.1 鋼帶的受力分析

“錨桿-金屬網(wǎng)-鋼帶”聯(lián)合支護中一個極其重要的部分即為鋼帶，一方面能夠保護圍巖表面，另一方面也能夠承受一定的載荷。因此，鋼帶除應有一定的寬度以達到保證表面支護的作用，還應有抗彎剛度與承載能力來維護錨桿支護中的破碎巖石。

為了更好地維護破碎圍巖，鋼帶的承載能力需要能夠保證承受失效支護下的破碎巖體的重量。經(jīng)研究可知，失效支護空間大小的影響因素為：

W=Lj×Lp×b×γ

式中：

W—無支護空間巖石重量，t；

Lj—錨桿間距，m；

Lp—錨桿排距，m；

b—無效支護高度，m；

γ—巖石容重，kN/m3.

隨著錨桿(索)間排距的增大，對鋼帶的強度以及剛度的要求也隨之增高。

無效支護空間的高度、圍巖的強度、錨桿間排距、錨桿支護形式這幾者之間均有著緊密的聯(lián)系。無效支護空間的高度可以由下列公式估算：

b=L/(2×f)

式中：

b—無效支護空間的高度，m；

L—間排距，mm；

f—普氏系數(shù)。

通過對巷道掘進和使用特點的研究分析可知，無效支護空間高度不是一個靜態(tài)的參數(shù)，這個參數(shù)會隨著采動引起的一次動壓、二次動壓的變化過程而逐漸變大。所以，支護中鋼帶的受力過程也是一個動態(tài)的過程，這個特點在設計選擇鋼帶時應考慮在內(nèi)。

2.2 鋼帶的受力計算

錨索鋼帶：

根據(jù)塔山礦的具體條件，錨桿間排距為2 000 mm，煤層綜合普氏系數(shù)為4. 在掘進期間鋼帶所需承受圍巖重量高度為：

b=L/(2×f)=2000/(2×4)=250 mm

作用在錨索鋼帶的重量為：

W=1×1×0.25×2.5=0.625 t

受一次和二次動壓后，普氏系數(shù)將降低，估算降低一倍，動壓后的鋼帶所需承受圍巖重量高度為：

b=L/(2×f)=2000/(2×2)=500 mm

作用在錨索鋼帶的重量為:

W=1×1×0.5×2.5=1.25 t

很明顯，W鋼帶很難滿足錨索鋼帶的強度要求。目前，使用U型鋼和工字鋼強度大大超過了使用要求，但和頂板的接觸面積太小。

2.3 鋼帶的相關參數(shù)

一般情況下，礦方使用的W鋼帶，在破碎條件下，將錨桿變?yōu)殄^索后，原套錨桿的W鋼帶性能滿足不了支護要求?，F(xiàn)將W鋼帶、平鋼帶、11#工字鋼以及25#工字鋼等支護材料的技術(shù)性能進行對比，見表1：

表1 支護材料技術(shù)性能對比表

通過表1可以看出：

平鋼帶承載能力只有94 kg，但支護面積達到295×103mm2.

W鋼帶在使用同樣材料的基礎上，支護面積略有減少，但其支撐能力增加到633 kg.

11 號工字鋼承載能力達到31 188 kg,但其支撐面積只有90×103mm2. 在實際應用中，錨索孔要通過腰帶，破壞了其強度。在有些高壓力下，會從錨桿孔折斷。

U型鋼承載能力達到22 521 kg. 但其和圍巖接觸面積只有34×103mm2，很容易壓入頂板。有些時候會有翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

3 鋼帶型號的確定

根據(jù)鋼帶的基本設計原則：承載力和支護面積。同時考慮到經(jīng)濟，重量輕，方便施工的要求，選用JW高強型錨索鋼帶，這種鋼帶的具體參數(shù)：

厚度：6 mm

米重：18 kg

每米護頂面積 250×103mm2

抗彎截面模量：8 781

最大承載能力(2 000 mm間排距)1 575 kg.

鋼帶結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.

圖1 JW鋼帶示意圖

通過查閱相關資料，得知J鋼帶形式的鋼帶相關參數(shù)，見表2.

表2 J鋼帶相關參數(shù)表

表2中鋼材強度為335，括號中鋼材強度為450. 為了同等條件下比較，表中承載能力計算是在1 000 mm間排距的條件下。

從表2可以看到，JW6可以同時取得高承載力和大的支護面積。

4 工程實踐

未使用JW鋼帶前，巷道支護受靜壓、動壓影響，穩(wěn)定性較差。當通過地質(zhì)構(gòu)造帶時，巷道圍巖破碎較為嚴重，其松動圈也較大，這時原有的錨桿不能錨固到穩(wěn)定的煤(巖)層內(nèi)，現(xiàn)場施工過程中，為了提高支護效果，將錨桿更換為錨索，雖然錨固到穩(wěn)定煤層中，但由于鋼帶的承載能力不夠，在高應力作用下，經(jīng)常會被撕裂，最終失去護表效果。巷道圍巖破碎段W鋼帶+錨索支護效果見圖2.

圖2 巷道圍巖破碎段W鋼帶+錨索支護效果圖

現(xiàn)場實踐表明，當采用錨索梁支架時，錨索梁結(jié)構(gòu)支護的主要目的是為了擴大錨索預應力的支護范圍，從支護效果看，索梁結(jié)構(gòu)的預應力擴散效果比較好，但是存在以下問題：在頂板破碎不平整段，或者在遇到地質(zhì)構(gòu)造圍巖破碎時，鋼梁接頂效果不好，受力彎曲變形明顯，而且錨索受力不均。

選用JW鋼帶的巷道，鋼帶的強度增強，支護后不易發(fā)生變形，從而提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性。巷道JW鋼帶+錨索支護效果見圖3.

5 結(jié) 論

1) 原有11#工字鋼替換為JW鋼帶支護巷道后，與錨索聯(lián)合支護的失效率明顯降低，有效地提高了巷道的頂板支護質(zhì)量，降低了巷道后期采動過程中的維護難度。

圖3 巷道JW鋼帶+錨索支護效果圖

2) JW錨索鋼帶的使用不僅降低了掘進巷道的支護成本，而且減少了巷道回采期間的維護費用，每年可節(jié)約支護費用70余萬元。

3) JW錨索鋼帶的使用大大減輕了工人的勞動強度，支護效率提高，提高了單進水平。

4) 巷道圍巖破碎較為嚴重且應力較高的條件下，若將頂板支護的形式調(diào)整為JW鋼帶與錨桿(索)的聯(lián)合支護，不僅可以控制巷道的整體變形，而且支護體系中鋼帶撕裂損壞的現(xiàn)象也明顯減少。

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Study on Optimization of Supporting Steel Belt under the Condition of Broken High Stress Coal Seam

WANG Jinxin

Based on the optimization of roadway supporting material under the condition of broken high stress coal seam, the optimization of steel belt mechanism and parameter selection are carried out, and the load parameters available for different types of metal belt are compared. Onsite experiment verifies the JW high-strength steel belt which adapted the conditions of broken high-stress coal seam. Practice shows that the application of the type of steel belt has achieved good results both economically and safely, and has accumulated practical experience for the optimization of parameters of roadway supporting material under similar conditions in the future, and is worthy of actively promoting for future improvement and development.

High stress coal seam; Broken surrounding rock; JW steel belt; Combined support

2016-06-13

王金鑫(1985—)，男，山西大同人，2013年太原理工大學在讀碩士研究生，工程師，主要從事煤礦安全管理工作(E-mail)wangjinxin198@163.com

TD353

A

1672-0652(2016)08-0035-03