巷道支護(hù)工作中球形托盤的優(yōu)化應(yīng)用研究

張 嘉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大西莊煤業(yè)大同有限公司，山西大同037000）

使井下巷道生產(chǎn)比較安全與穩(wěn)定的前提條件就是支護(hù)是比較合理的。將支護(hù)劃分成2種支護(hù)，分別是主動支護(hù)、被動支護(hù)。前者最主要的支護(hù)就是錨桿（索）支護(hù)。支護(hù)構(gòu)件所具有的壽命決定了錨桿(索)所存在的支護(hù)成效。該支護(hù)的效果失效的原因之一就是有變形發(fā)生在托盤中。在托盤發(fā)生變形之后，就不能有效地對錨桿(索)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行施加，就降低了其錨固了，若嚴(yán)重程度比較高時，就會有脫離狀況發(fā)生在錨桿(索)桿件中。因為螺母和普通的方形托盤所接觸并有應(yīng)力集中產(chǎn)生，所以，就有變形損害發(fā)生在普通的方形托盤，有較為嚴(yán)重的翹曲變形發(fā)生在四周。所以，需要找尋的托盤結(jié)構(gòu)一定是合理的，有利于優(yōu)化其支護(hù)的構(gòu)件。

1 概述工程的背景

1.1 簡述工程的狀況

在40302工作面中有其運(yùn)輸巷道，其主要對4#煤層進(jìn)行開采，4#煤層的厚度與埋深分別是17～35m、770～790m。該巷道的東、南、西、北分別與井田東翼所開拓的大巷的保護(hù)煤柱、40210工作面、中間的2#回風(fēng)大巷、40304 工作面。巷道的總長度是2200.6m，掘進(jìn)方向與煤層的中間位置的方向相同，因為煤層變化的比較大，局部巷道主要為半煤巖巷或者巖巷。半圓拱形、矩形分別是巖巷、煤巷的斷面所具有的形狀，對應(yīng)的凈寬分別是5500mm、5500mm，對應(yīng)的凈高分別是3950mm、3500mm。

將槽鋼+W 型鋼帶+錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)使用到40302膠帶順槽中，將錨網(wǎng)索支護(hù)使用到巖巷段。表1 就是40302運(yùn)輸巷支護(hù)參數(shù)。

表1 40302運(yùn)輸巷支護(hù)參數(shù)

1.2 簡述工程中的問題

該工作面有比較大的埋深，煤層即為其頂板，由于高地應(yīng)力對頂板的不斷作用，而導(dǎo)致破碎發(fā)生；當(dāng)回采時，距離工作面之前的20m 區(qū)域中巷道應(yīng)力集中的系數(shù)會由于特厚的煤層而增加。在2021 年7 月份，當(dāng)巷道掘進(jìn)時，得知托盤有脫離變形發(fā)生，且托盤是在掘進(jìn)頭之后，若比較嚴(yán)重，那么就會有脫落發(fā)生在頂板的錨桿桿體中，降低了巷道支護(hù)的效果[1]。

2 分析巷道托盤支護(hù)的受力

存在于井巷內(nèi)的支護(hù)就是錨桿(索)網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，對其錨固的成效有很大影響的構(gòu)件就是托盤。對40302 運(yùn)輸巷進(jìn)行觀察得知，當(dāng)巷道掘進(jìn)時，最先有變形破壞發(fā)生的托盤安裝于錨桿(索)支護(hù)的結(jié)構(gòu)內(nèi)，由于托盤的變形而導(dǎo)致變形也發(fā)生在別的構(gòu)件中，然后使支護(hù)的效果喪失。所以，要分析其受力狀況，還要將有關(guān)優(yōu)化方案提出來。

2.1 分析方形托盤的受力

當(dāng)錨桿(索)進(jìn)行安裝時，把扭矩直接施加到螺母上，進(jìn)而將預(yù)緊力提供給錨桿，使主動支護(hù)巷道圍巖得以實現(xiàn)。圖1就是方形托盤受力狀態(tài)圖，在方形托盤的表面上施加錨桿(索)預(yù)緊力，這就造成在托盤中心孔的四周分布著應(yīng)力集中。

圖1 方形托盤受力狀態(tài)圖

從圖1 能夠發(fā)現(xiàn)，若托盤中間的預(yù)緊力是F，在托盤對煤巖壁進(jìn)行作用時，就會有反作用力F′產(chǎn)生于托盤。按照F=F′，F(xiàn)、F′距離作用點的間距分別用L、L′來表示。從圖1（b）中發(fā)現(xiàn)，由于在托盤中心孔四周分布著其應(yīng)力集中，在L′比L大時，就會有力矩從F與力F′中產(chǎn)生，對應(yīng)力矩分別用FL、F′L′進(jìn)行表示，并進(jìn)行比較，得知FL比F′L′大。當(dāng)方形托盤邊緣有比較大的扭矩時，就會有翹曲變形發(fā)生在該區(qū)域中。除此之外，由于錨桿和托盤的孔口的接合不大，若應(yīng)力集中為其承受的最大值時，就導(dǎo)致有撕裂出現(xiàn)在托盤中心的孔口處，所以，將托盤附近邊緣所產(chǎn)生的扭矩減少，就能防止翹曲變形發(fā)生在托盤中。

2.2 分析球形托盤的受力

在托盤中，最新型的就是球形托盤，球形托盤的結(jié)構(gòu)可以有效避免應(yīng)力集中造成托盤四周邊緣有翹曲變形發(fā)生。如圖2所示。

圖2 球形托盤受力狀態(tài)圖

從圖2(b)中得知，當(dāng)F、F′為定值時，因為空心半球殼具有的結(jié)構(gòu)比較特殊，那么就將O點當(dāng)作作用點，將受力點進(jìn)行了轉(zhuǎn)移，將力臂增加了，那么FL增加了。于此同時，因為減少了F′力臂，那么其力矩也就減少了。還將孔口位置被應(yīng)力集中所產(chǎn)生的撕裂降低。所以，該結(jié)構(gòu)可以很好地將托盤所具有的承載能力提高，提高了其錨固效果。

把球形墊片在球形托盤中進(jìn)行使用，而且球形托盤上的孔口和球形墊片上面的球面結(jié)構(gòu)是相互適應(yīng)的，這樣就把受力面積增加了，就提升了錨桿錨索的承載能力。除此之外，調(diào)心也是球形墊片所具有的作用，當(dāng)有偏載作用到球形墊片時，可以馬上對其受力方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以防止損壞桿體[2]。

3 應(yīng)用

經(jīng)過上面的分析得知：因為球形托盤的球形結(jié)構(gòu)比較特殊，有比較特殊的結(jié)構(gòu)，能夠降低孔口位置的集中應(yīng)力，還可以降低托盤外表邊緣所產(chǎn)生的扭矩，進(jìn)而使翹曲變形發(fā)生的幾率降低。所以，可以將高強(qiáng)球形錨索托盤和球形墊片使用到該運(yùn)輸巷的支護(hù)，且球形墊片和高強(qiáng)球形錨索托盤是配套的。

3.1 支護(hù)方案的優(yōu)化

在該運(yùn)輸巷內(nèi)，之前的方形托盤被高強(qiáng)球形托盤所取代。而且，頂部支護(hù)錨桿托盤用150mm×150mm×12mm 規(guī)格取代之前的100mm×100mm×10mm 的規(guī)格，錨索托盤用200mm×200mm×15mm 規(guī)格取代之前的120mm×120mm×10mm 規(guī)格，幫部支護(hù)錨桿托盤用150mm×150mm×12mm 規(guī)格取代之前的100mm×100mm×10mm規(guī)格，錨索托盤用150mm×150mm×12mm規(guī)格取代之前的120mm×120mm×10mm規(guī)格。

3.2 應(yīng)用效果的優(yōu)化

由于要對巷道支護(hù)用球形托盤來進(jìn)行優(yōu)化所具有的合理性進(jìn)行驗證，自錨桿（索）所具有的承載能力與球形托盤發(fā)生損壞的情況來檢測巷道支護(hù)中使用高強(qiáng)球形托盤的效果。

（1）在其順槽中，會選取球形托盤來進(jìn)行支護(hù)，在有200m距離的錨桿(索)托盤中，任意選5個，來對錨桿(索)托盤的損壞狀況進(jìn)行觀察。通過現(xiàn)場調(diào)研的最終結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在用球形托盤進(jìn)行取代之后，在托盤內(nèi)任意選取45個，在這45個中有脫離狀況的托盤只有2個，并且這2個托盤沒有發(fā)生變形，這也許有失誤發(fā)生在操作中。計算得知，有4.4%的托盤發(fā)生了破壞，在優(yōu)化之后，降低了損壞率。

（2）由于要對球形托盤優(yōu)化支護(hù)的效果進(jìn)行驗證，將球形托盤支護(hù)使用到40302 運(yùn)輸巷，選擇1000～1800m 段來對試驗錨桿(索)破壞性的拉拔，間隔是200m，在這200m 中任意選擇的托盤中，沒有破壞的錨桿與錨索分別是3 根、2 根，可以使用LDZ-400 型礦用錨桿拉拔儀來測試其錨固力。從測試的最終結(jié)果發(fā)現(xiàn)，錨桿錨固力都在80kN以上，且錨桿數(shù)量是12根，錨索錨固力都在260kN 左右，且錨索數(shù)量是8 根，使巷道支護(hù)強(qiáng)度方面的要求得以滿足。

4 結(jié)束語

（1）因為應(yīng)力集中于方形托盤孔口位置，那么托盤四周邊緣就會有翹曲變形發(fā)生。

（2）與普通的方形托盤相對比，由于球形托盤有比較特殊的結(jié)構(gòu)，那么使托盤四周邊緣位置所產(chǎn)生的扭矩降低了，還將托盤四周邊緣位置的翹曲變形降低了。

（3）當(dāng)優(yōu)化選取高強(qiáng)球形托盤之后，可以降低托盤損壞的幾率，提高了支護(hù)性能。