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        煤巷錨桿錨索支護(hù)匹配失效分析及控制對(duì)策

        2019-06-17 00:42:12梁建軍
        2019年6期
        關(guān)鍵詞:延伸率錨索力矩

        梁建軍

        (潞安礦業(yè)集團(tuán)公司 安監(jiān)局,山西 長(zhǎng)治 046204)

        錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)是實(shí)現(xiàn)煤巷快速支護(hù)的唯一經(jīng)濟(jì)、有效的形式[1-6]。錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用,解決了煤巷支護(hù)的難題,實(shí)現(xiàn)了松軟煤層大斷面巷道的可靠支護(hù),為礦井設(shè)備的大型化提供了空間,為礦井的高產(chǎn)高效生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。近年來(lái),錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的普及率逐年提升,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前全煤系統(tǒng)錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用比例已經(jīng)達(dá)到了80%以上。

        但是,錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在應(yīng)用過程中也出現(xiàn)了一些問題,如巷幫錨桿、錨索破斷現(xiàn)象時(shí)常出現(xiàn),甚至個(gè)別礦井發(fā)生過錨桿、錨索破斷傷人的事故。分析事故原因,發(fā)現(xiàn)錨桿、錨索二者預(yù)緊力不匹配是其中一個(gè)因子[7-14]。因此,研究錨桿錨索相互作用機(jī)理,實(shí)現(xiàn)錨桿和錨索支護(hù)的匹配,從而確定合理的支護(hù)參數(shù)和施工工藝,對(duì)于提高煤巷成巷速度、實(shí)現(xiàn)礦井快速高效掘進(jìn)至關(guān)重要。

        1 事故案例

        1.1 工程概況

        2014年4月18日,某礦30211綜采工作面端尾發(fā)生一起錨索破斷傷人事故。該工作面屬孤島工作面,回采期間經(jīng)歷兩側(cè)采空區(qū)動(dòng)壓影響,其平面布置如圖1所示。兩巷掘進(jìn)期間初次支護(hù)采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)形式,錨桿為335號(hào)螺紋鋼,直徑22 mm,頂錨桿長(zhǎng)度2.4 m、幫錨桿長(zhǎng)度2 m,間排距為0.9 m×0.9 m,初始預(yù)緊力矩100 N·m;頂板錨索規(guī)格為:直徑17.8 mm,長(zhǎng)度5 m,初始預(yù)緊力100 kN。

        圖1 30211綜采工作面平面布置示意

        回采期間,兩巷因壓力大,巷道收縮嚴(yán)重,在巷幫補(bǔ)打了直徑17.8 mm、長(zhǎng)度5 m的錨索控制變形,初始預(yù)緊力150 kN,控制兩幫變形效果顯著。但是,巷道底鼓現(xiàn)象依舊存在,需要拉底。

        1.2 事故經(jīng)過

        4月18日,拉底的兩人,一人拿洋鎬、一人拿鐵鍬交替作業(yè),一人完畢,靠幫站著休息,突然他背后的一根幫錨索破斷射出,從身后射入身體,致其受傷,后經(jīng)搶救無(wú)效死亡。該錨索破斷射出段的長(zhǎng)度1.8 m,破斷處有明顯的頸縮現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)查看,破斷的幫錨索突破了鐵絲捆綁,未能起到防護(hù)作用。

        1.3 原因分析

        這是一起典型的錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)不匹配、錨索防護(hù)措施不可靠造成的事故。掘進(jìn)支護(hù)時(shí),錨桿的預(yù)緊力偏低(100 N·m),巷幫錨固體的支護(hù)能力處于較低水平,致使兩幫煤體在動(dòng)壓作用下嚴(yán)重破碎,殘余支護(hù)能力大幅降低,而后期補(bǔ)打的幫錨索預(yù)緊力達(dá)到150 kN,承擔(dān)了大部分的支護(hù)載荷,并集聚了很大的彈性能,長(zhǎng)期受載至達(dá)到破斷載荷時(shí),錨索破斷并射出。

        從這起事故,可以得出以下兩點(diǎn):

        1) 幫錨索破斷后射出的威力是很大的,能突破鐵絲的捆綁并射出傷人,而頂錨索破斷后仍能被捆綁的鐵絲防護(hù)住。所以,在水平應(yīng)力較大的礦區(qū),幫錨索的防護(hù)比頂錨索更為重要。

        2) 錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)的匹配很關(guān)鍵。錨桿和錨索二者的延伸率有差異,錨桿的延伸率能達(dá)到20%,而錨索的延伸率只有3.5%~7%,兩種延伸率差別很大的材料,用在同一條巷道的同一側(cè)幫,在圍巖發(fā)生變形破壞時(shí),肯定是延伸率小的錨索承擔(dān)的載荷較大,也先破斷。所以說,錨桿與錨索兩種類型的支護(hù)材料同時(shí)應(yīng)用時(shí),相當(dāng)于一種“柔性支護(hù)”與“剛性支護(hù)”的組合,錨桿和錨索受力不均衡,錨索承擔(dān)過多的載荷,造成錨索、錨桿被各個(gè)擊破。所以,錨索與錨桿支護(hù)的匹配是解決問題的根本所在。

        2 錨桿與錨索支護(hù)參數(shù)匹配模擬分析

        以該礦30211工作面回風(fēng)巷為對(duì)象,回風(fēng)巷斷面尺寸:寬×高=5.5 m×4.8 m,采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件[15]建立模型,分析巷道某一側(cè)幫采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)時(shí)二者的匹配關(guān)系。其中,幫錨桿直徑22 mm,長(zhǎng)度2.4 m,間排距為0.8 m×0.9 m;幫錨索直徑18.9 mm,長(zhǎng)度5.3 m,間排距為1.6 m×1.8 m。

        2.1 錨桿、錨索預(yù)緊力匹配方案

        根據(jù)預(yù)緊力施加等級(jí),將幫錨桿預(yù)緊力矩劃分為200、300和400 N·m 三個(gè)水平,幫錨索預(yù)緊力分別為150、200和250 kN 三個(gè)水平。按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行組合,得出表1所示的九種錨桿錨索預(yù)緊力匹配方案,并將每個(gè)方案賦于圖2所示的數(shù)值模型進(jìn)行模擬。

        表1 巷幫錨桿、錨索預(yù)緊力組合

        圖2 巷幫錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)數(shù)值模型

        2.2 模擬結(jié)果分析

        當(dāng)錨桿預(yù)緊力矩依次為200、300和400 N·m,在不同錨索預(yù)緊力作用下巷道幫部應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果如圖3-5所示。從圖中可以看出:

        1) 錨桿、錨索預(yù)緊力聯(lián)合作用在巷幫圍巖表面及內(nèi)部附近形成了大小不等的壓應(yīng)力區(qū)。幫錨桿預(yù)緊力產(chǎn)生的壓應(yīng)力值一般在40~100 kPa,幫錨索預(yù)緊力產(chǎn)生的壓應(yīng)力值一般在200~800 kPa。

        圖3 200 N·m錨桿預(yù)緊力矩與不同錨索預(yù)緊力組合下巷幫圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布

        2) 隨著預(yù)緊力的增加,錨桿、錨索形成的壓應(yīng)力值和范圍也在不斷擴(kuò)大,但當(dāng)幫錨桿預(yù)緊力達(dá)到300 N·m、幫錨索預(yù)緊力達(dá)到200 kN后,再增加預(yù)緊力對(duì)壓應(yīng)力值和范圍的增加效果不明顯。一方面,橫向比較圖4和圖5,二者的錨桿預(yù)緊力分別為300 N·m和400 N·m,但二者形成的應(yīng)力值大小相差不大,都在100 KPa左右;另一方面,縱向比較圖5(b)和圖5(c),在同一錨桿預(yù)緊力(400 N·m)下,錨索預(yù)緊力從200 kN增大到250 kN,壓應(yīng)力作用范圍幾乎無(wú)變化。

        圖4 300 N·m錨桿預(yù)緊力矩與不同錨索預(yù)緊力組合下巷幫圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布

        3) 預(yù)緊力在巷幫淺部圍巖產(chǎn)生壓應(yīng)力的同時(shí),在深部(錨桿錨索端部附近)圍巖也出現(xiàn)了小范圍的拉應(yīng)力區(qū),且預(yù)緊力越大,拉應(yīng)力的值和范圍越大;錨桿端部的拉應(yīng)力區(qū)可以通過增加錨索的預(yù)緊力來(lái)進(jìn)行平衡,錨索預(yù)緊力在150 kN時(shí)還不足以平衡錨桿端部的拉應(yīng)力區(qū),達(dá)到200 kN或以上時(shí)才能有效平衡拉應(yīng)力區(qū)。

        因此,綜合考慮匹配效果和施工難度,建議巷幫進(jìn)行錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)時(shí),幫錨桿的預(yù)緊力矩設(shè)定在200~300 N·m之間,同時(shí)幫錨索的預(yù)緊力設(shè)定在200~250 kN之間,是比較合理的匹配方案。

        3 錨桿錨索支護(hù)匹配對(duì)策及應(yīng)用

        錨桿和錨索相比較,錨索相當(dāng)于“剛性支護(hù)”材料,而錨桿相當(dāng)于“柔性支護(hù)”材料,兩種不同性質(zhì)的材料在同一礦壓作用條件下達(dá)到受力和變形的協(xié)調(diào)一致,是不可能的。而要使它們既保持著有效的支護(hù)作用,能夠適應(yīng)礦壓作用下的受力和變形協(xié)調(diào),又不至于被各個(gè)擊破而造成支護(hù)系統(tǒng)的失效,需要采取以下對(duì)策和措施:

        1) 優(yōu)化錨索與錨桿的預(yù)緊力匹配關(guān)系。通過提高錨桿的預(yù)緊力矩并適當(dāng)降低錨索的預(yù)緊力,使得錨桿和錨索的變形富余量接近,從而縮小剛性差別。

        2) 優(yōu)化錨索與錨桿的長(zhǎng)度關(guān)系。適當(dāng)加長(zhǎng)錨索的長(zhǎng)度,縮小其承載時(shí)與錨桿的允許變形量差,使其在一定程度上達(dá)到協(xié)調(diào)變形。

        3) 優(yōu)化錨索與錨桿的預(yù)緊時(shí)間差關(guān)系。通過適當(dāng)滯后錨索的預(yù)緊時(shí)間,使得錨桿(巷道圍巖)達(dá)到一定的變化量后,再加載錨索,加大錨索的允許變形量,來(lái)與錨桿的變形協(xié)調(diào)匹配。

        4) 優(yōu)化錨索與錨桿的支護(hù)密度關(guān)系。在提高錨桿預(yù)緊力矩的基礎(chǔ)上,適當(dāng)提高錨索的支護(hù)密度,提高整個(gè)支護(hù)體系的支護(hù)剛度,來(lái)控制錨索的破斷。

        圖5 400 N·m錨桿預(yù)緊力矩與不同錨索預(yù)緊力組合下巷幫圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布

        根據(jù)以上原則,對(duì)30211工作面回風(fēng)巷原支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化、調(diào)整,設(shè)計(jì)了新支護(hù)參數(shù),如表2所示。

        表2 優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)

        在30211回風(fēng)巷的臨近巷道采用上述支護(hù)方案進(jìn)行了施工,礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,頂板離層不超過10 mm,巷道斷面收斂率小于8.1%。說明優(yōu)化后的支護(hù)方案很好地控制住了圍巖變形,支護(hù)效果理想。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        1) 巷幫錨桿錨索支護(hù)不匹配是造成高煤幫巷道支護(hù)失效的重要原因之一。錨桿的延伸率能達(dá)到20%,而錨索的延伸率只有3.5%~7%,兩種延伸率差別很大的材料,用在同一條巷道的同一側(cè)幫,在圍巖發(fā)生變形破壞時(shí),延伸率小的錨索承擔(dān)的載荷較大,也先破斷,故錨索與錨桿支護(hù)匹配很關(guān)鍵。

        2) 通過數(shù)值模擬,錨桿、錨索預(yù)緊力聯(lián)合作用在巷幫淺部圍巖形成了大小不等的壓應(yīng)力區(qū),隨著預(yù)緊力的增加,壓應(yīng)力值和范圍也在不斷擴(kuò)大,但當(dāng)幫錨桿預(yù)緊力矩達(dá)到300 N·m、幫錨索預(yù)緊力達(dá)到200 kN后,再增加預(yù)緊力對(duì)壓應(yīng)力值和范圍的增加效果不明顯。

        3) 綜合考慮匹配效果和施工難度,建議巷幫進(jìn)行錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)時(shí),錨桿的預(yù)緊力矩設(shè)定在200~300 N·m,同時(shí)錨索的預(yù)緊力設(shè)定在200~250 kN,是比較合理的匹配方案。

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