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        掘進(jìn)工作面支護(hù)方案與錨桿抗拔作用力學(xué)模型研究

        2020-01-17 06:47:38付廷喜
        煤礦現(xiàn)代化 2020年1期
        關(guān)鍵詞:錨索剪切錨桿

        付廷喜

        (大同煤礦集團(tuán)大斗溝煤業(yè)有限公司,山西 大同 037000)

        1 礦井概況

        1.1 地表及井下位置

        根據(jù)《同忻三盤區(qū)山2#煤層8201工作面掘進(jìn)地質(zhì)說(shuō)明書》提供數(shù)據(jù),地面位于碾子溝新興村南西部,三條小路和北洋路穿越本工作面,工作面中部地面為本礦已關(guān)閉南井井口及工業(yè)廣場(chǎng),有四條溝穿越本工作面,深度為 16~33m,寬度為 29~142m,地表大部分種植小松樹,蓋山厚度為:450~510m。井下位于同忻三盤區(qū)山2#煤層,北東部為8201工作面,北西部為山2#煤層可采邊界,南西為山2#煤層可采邊界。

        1.2 煤(巖)層賦存特征

        根據(jù)2201巷和5201巷掘進(jìn)時(shí)揭露的煤厚,煤體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,平均煤厚2.4m(中厚煤層),含夾矸1-2層(0.15~0.4)。煤層走向北西,煤層特征及頂(底)板巖層詳見(jiàn)表1、表2。

        表1 煤層特征情況

        表2 頂、底板巖性特征表

        2 施工組織設(shè)計(jì)與方法

        2.1 巷道布置

        巷道層位、開口位置及方位角:8201工作面開切眼位山2#層三盤區(qū),巷道開口設(shè)計(jì)位置X=4433322.537,Y=542210.397, 掘 進(jìn) 方 位 角 為144°15′20″。巷道開口位置與2201巷水平夾角為90°0′0″。同忻三盤區(qū)8201工作面開切眼巷道中線按照巷道的方位進(jìn)行控制。

        2.2 巷道形狀及斷面(見(jiàn)表3)

        表3 斷面尺寸及工程量匯總表

        2.3 施工方法

        1)8201工作面開切眼采用EBZ-260型綜掘機(jī)掘進(jìn),開切前按設(shè)計(jì)打兩排組合錨索,錨索采用直徑8mm的鋼條3根擰在一起,長(zhǎng)度8000mm,間距4m,每排距幫1.5m。首先,按全斷面7.7m寬施工10m后再進(jìn)行工作面?zhèn)刃∏醒凼┕?,最后擴(kuò)刷古塘側(cè)小切眼,掘、刷兩個(gè)過(guò)程,以保證開切眼頂板平整。

        2)大斷面嚴(yán)禁一次性擴(kuò)刷成巷,分次掘進(jìn)、分次支護(hù),支護(hù)時(shí)工作面?zhèn)葞桶磮D紙?jiān)O(shè)計(jì)進(jìn)行支護(hù),擴(kuò)刷幫上部采用Φ22×2000mm高強(qiáng)度螺紋鋼(BHRB 400)錨桿每排2根進(jìn)行臨時(shí)支護(hù),上部第一根錨桿距頂板不大于450mm,玻璃鋼護(hù)板Φ200mm,厚50mm,鋪設(shè)高強(qiáng)塑料網(wǎng)。

        3 錨桿抗拔作用力學(xué)模型及荷載計(jì)算

        錨桿(索)支護(hù)技術(shù)能有效提高巷道支護(hù)安全,改善井下工作環(huán)境。錨桿是將小面積的頂板圍巖錨定成一個(gè)小的整體,而錨索是將幾個(gè)小的整體錨定成一個(gè)較大的穩(wěn)定區(qū)。錨桿(索)對(duì)穩(wěn)定頂板及圍巖的效果主要取決于巖體的結(jié)構(gòu)類型、破壞形式以及錨桿(索)的長(zhǎng)度、角度和間距等因素,安裝時(shí),主要考慮預(yù)緊力的大小。錨桿(索)應(yīng)用需要滿足以下條件:Pyi>Pmax。公式中,Pyj為錨桿(索)預(yù)緊力,Pmax為錨桿(索)同時(shí)滿足各種作用所需的最大作用力。

        3.1 錨桿抗拔作用的力學(xué)模型

        建立錨桿抗拔作用的力學(xué)模型時(shí),通常依據(jù)假設(shè)的錨桿抗拔試驗(yàn)的剪應(yīng)力與位移的關(guān)系曲線,從而推導(dǎo)出錨固體表面的剪切力及其軸力的分布公式:

        為了便于描述,假設(shè)錨桿拉筋和巖體的彈性模量及巖土體的泊松比分別為Eb=2.0×105MPa,E=6.0×103MPa,μ=0.3,錨桿直徑 r=22mm,錨桿的拉拔力P=300kN;錨固體直徑D=50mm,錨固體的等效彈性模量為Eα=8.0×104MPa,錨固體與錨固層界面的剪切模量Gs=20MPa,錨固段長(zhǎng)度為L(zhǎng)α=10m,錨固體剪切變形系數(shù)k=8.0MPa/m。

        該模型考慮了錨固體的剪切變形系數(shù),錨固體的等效彈性模量及錨孔位移的實(shí)測(cè)值,則由式(1)、(2)得

        錨固體表面剪應(yīng)力分布為:N=134.8e0.0894x+837.3e-0.0894x-972

        錨固體的軸力分布為:τ=-0.0768e0.0894x+0.4768e-0.0894x

        在實(shí)測(cè)u0為50.90mm,其它參數(shù)不變的情況下 ,其分布曲線如圖1、圖2。

        圖1 錨固體剪應(yīng)力變化曲線

        圖2 錨固體軸力變化曲線

        依據(jù)圖1、圖2應(yīng)力變化曲線,不難得出,錨桿在不同深度的變形量及應(yīng)力大小是不同的。錨桿的受力分為兩部分:越接近巷道一端的,錨桿為防止圍巖移動(dòng)而變形比較大,因此錨桿受到的剪應(yīng)力也最大;反之,遠(yuǎn)離巷道一端,錨桿表面受到背向巷道的剪應(yīng)力,導(dǎo)致錨桿的變形量及位移減小。為此而得出,錨桿在不同深度的不均勻變形,產(chǎn)生錨固效應(yīng),抑制了頂板圍巖的變形,實(shí)現(xiàn)了頂板圍巖的支護(hù)。

        3.2 錨桿(索)承受的拉斷荷載計(jì)算

        式中:P為錨桿(索)拉斷荷載;d為錨桿(索)直徑;σb為錨桿(索)拉斷強(qiáng)度。

        從常用錨桿鋼筋拉伸強(qiáng)度表可知,對(duì)于直徑22mm錨桿而言,高強(qiáng)度螺紋鋼(BHRB400),其拉斷荷載計(jì)算如下查表(σb=570):

        3.3 錨桿(索)承受的剪切荷載計(jì)算

        式中:Q為錨桿(索)剪切荷載;d為錨桿(索)直徑;τb為錨桿(索)剪切極限強(qiáng)度。

        從常用錨桿鋼筋剪切強(qiáng)度表可知,對(duì)于直徑22mm錨桿而言,高強(qiáng)度螺紋鋼(BHRB 400)其剪切極限強(qiáng)度計(jì)算(查表τb=399):

        本工程依據(jù)設(shè)計(jì)要求、頂板圍巖實(shí)際情況及受力驗(yàn)算,錨桿采用直徑22mm,長(zhǎng)度2000mm的螺紋鋼筋,錨索采用直徑8mm的鋼條3根擰在一起,長(zhǎng)度8000mm。

        4 錨桿(索)支護(hù)施工工藝

        施工作業(yè)工序:臨時(shí)支護(hù)→定眼位→鉆眼→裝樹脂→注錨桿→攪拌→凝固→緊固→檢查。

        4.1 臨時(shí)支護(hù)、定眼位

        打錨桿、錨索前先將機(jī)載前探梁及金屬網(wǎng)升起與頂板接實(shí),然后將錨桿機(jī)調(diào)整到合適位置,根據(jù)錨桿、錨索設(shè)計(jì)的間排距,將錨桿、錨索的眼孔位置用噴漆標(biāo)好,眼位誤差不得大于±100mm,并在鉆桿上標(biāo)出鉆孔的深度。

        4.2 裝藥、攪拌、凝固和緊固

        安裝錨桿(錨索)時(shí),取兩支(三支)MSK2360樹脂錨固劑放入眼內(nèi),然后用錨桿(錨索)頂住錨固劑,送入眼內(nèi),再將錨桿(錨索)放入攪拌器,開起風(fēng)鉆將錨固劑送到眼底開始轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行攪拌,快速型錨固劑攪拌時(shí)間一般控制在20~35s,等待固化時(shí)間為90~180s,7min后用風(fēng)動(dòng)扳手(錨索漲拉千斤)進(jìn)行預(yù)緊,15min后方可測(cè)試錨固力。

        4.3 檢查

        完成緊固工序之后使用盒尺和扭距扳手(錨索漲拉千斤)檢查錨桿(錨索)安裝是否合格。

        為了確保安全施工,錨桿、錨索支護(hù)必須緊跟工作面,不得滯后,如巷道遇破碎帶,過(guò)地質(zhì)構(gòu)造時(shí)必須編制專項(xiàng)安全技術(shù)措施;掛網(wǎng)前要處理離層片幫,處理完后才能開始支護(hù),保證作業(yè)人員安全;在掘進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)格控制墻底腳伸腿現(xiàn)象,否則必須人工處理;一旦發(fā)現(xiàn)支護(hù)質(zhì)量問(wèn)題必須及時(shí)處理,并認(rèn)真填寫相關(guān)生產(chǎn)日志。

        5 結(jié)語(yǔ)

        同忻三盤區(qū)山2#煤層8201工作面切眼巷道掘進(jìn)施工,自2018年8月27日開始,歷時(shí)2個(gè)多月,于2018年10月底順利完工。由于所采用錨桿(索)支護(hù)方法與施工工藝科學(xué)合理,不僅保證了安全生產(chǎn),改善了井下作業(yè)環(huán)境,而且節(jié)約了支護(hù)和維修費(fèi)用,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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