王金鑫

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

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·試驗(yàn)研究·

高應(yīng)力煤層破碎條件下支護(hù)鋼帶的優(yōu)化研究

王金鑫

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

基于高應(yīng)力煤層破碎條件下巷道支護(hù)材料的優(yōu)化問題，針對(duì)支護(hù)中鋼帶的作用機(jī)理及參數(shù)選型等方面進(jìn)行優(yōu)化分析，并對(duì)不同類型鋼帶所能提供的載荷參數(shù)進(jìn)行比較，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐得出適應(yīng)高應(yīng)力煤層破碎條件下的JW高強(qiáng)度鋼帶。實(shí)踐表明：該類型鋼帶的應(yīng)用無論從經(jīng)濟(jì)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(hù)材料參數(shù)的優(yōu)化積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有較好的應(yīng)用價(jià)值，值得積極推廣和完善發(fā)展。

高應(yīng)力煤層；破碎圍巖；JW鋼帶；聯(lián)合支護(hù)

1 選題背景

石炭系特厚煤層巷道的原有支護(hù)在采動(dòng)的影響下經(jīng)常會(huì)破壞失效，嚴(yán)重情況下會(huì)造成工作面的漏頂。對(duì)支護(hù)破壞的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)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(hù)存在一定的不適應(yīng)性，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)是保證塔山礦高產(chǎn)高效生產(chǎn)的關(guān)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(hù)中一個(gè)極其重要的部分即為鋼帶，一方面能夠保護(hù)圍巖表面，另一方面也能夠承受一定的載荷。因此，鋼帶除應(yīng)有一定的寬度以達(dá)到保證表面支護(hù)的作用，還應(yīng)有抗彎剛度與承載能力來維護(hù)錨桿支護(hù)中的破碎巖石。

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

W=Lj×Lp×b×γ

式中：

W—無支護(hù)空間巖石重量，t；

Lj—錨桿間距，m；

Lp—錨桿排距，m；

b—無效支護(hù)高度，m；

γ—巖石容重，kN/m3.

隨著錨桿(索)間排距的增大，對(duì)鋼帶的強(qiáng)度以及剛度的要求也隨之增高。

無效支護(hù)空間的高度、圍巖的強(qiáng)度、錨桿間排距、錨桿支護(hù)形式這幾者之間均有著緊密的聯(lián)系。無效支護(hù)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(hù)空間的高度，m；

L—間排距，mm；

f—普氏系數(shù)。

通過對(duì)巷道掘進(jìn)和使用特點(diǎn)的研究分析可知，無效支護(hù)空間高度不是一個(gè)靜態(tài)的參數(shù)，這個(gè)參數(shù)會(huì)隨著采動(dòng)引起的一次動(dòng)壓、二次動(dòng)壓的變化過程而逐漸變大。所以，支護(hù)中鋼帶的受力過程也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，這個(gè)特點(diǎn)在設(shè)計(jì)選擇鋼帶時(shí)應(yīng)考慮在內(nèi)。

2.2 鋼帶的受力計(jì)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(jìn)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(dòng)壓后，普氏系數(shù)將降低，估算降低一倍，動(dòng)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(qiáng)度要求。目前，使用U型鋼和工字鋼強(qiáng)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(guān)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(hù)要求?，F(xiàn)將W鋼帶、平鋼帶、11#工字鋼以及25#工字鋼等支護(hù)材料的技術(shù)性能進(jìn)行對(duì)比，見表1：

表1 支護(hù)材料技術(shù)性能對(duì)比表

通過表1可以看出：

平鋼帶承載能力只有94 kg，但支護(hù)面積達(dá)到295×103mm2.

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

11 號(hào)工字鋼承載能力達(dá)到31 188 kg,但其支撐面積只有90×103mm2. 在實(shí)際應(yīng)用中，錨索孔要通過腰帶，破壞了其強(qiáng)度。在有些高壓力下，會(huì)從錨桿孔折斷。

U型鋼承載能力達(dá)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(shí)候會(huì)有翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

3 鋼帶型號(hào)的確定

根據(jù)鋼帶的基本設(shè)計(jì)原則：承載力和支護(hù)面積。同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)，重量輕，方便施工的要求，選用JW高強(qiáng)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(hù)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(guān)資料，得知J鋼帶形式的鋼帶相關(guān)參數(shù)，見表2.

表2 J鋼帶相關(guān)參數(shù)表

表2中鋼材強(qiáng)度為335，括號(hào)中鋼材強(qiáng)度為450. 為了同等條件下比較，表中承載能力計(jì)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(shí)取得高承載力和大的支護(hù)面積。

4 工程實(shí)踐

未使用JW鋼帶前，巷道支護(hù)受靜壓、動(dòng)壓影響，穩(wěn)定性較差。當(dāng)通過地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)，巷道圍巖破碎較為嚴(yán)重，其松動(dòng)圈也較大，這時(shí)原有的錨桿不能錨固到穩(wěn)定的煤(巖)層內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，為了提高支護(hù)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(yīng)力作用下，經(jīng)常會(huì)被撕裂，最終失去護(hù)表效果。巷道圍巖破碎段W鋼帶+錨索支護(hù)效果見圖2.

圖2 巷道圍巖破碎段W鋼帶+錨索支護(hù)效果圖

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，當(dāng)采用錨索梁支架時(shí)，錨索梁結(jié)構(gòu)支護(hù)的主要目的是為了擴(kuò)大錨索預(yù)應(yīng)力的支護(hù)范圍，從支護(hù)效果看，索梁結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)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(shí)，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(qiáng)度增強(qiáng)，支護(hù)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(hù)效果見圖3.

5 結(jié) 論

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

圖3 巷道JW鋼帶+錨索支護(hù)效果圖

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

3) JW錨索鋼帶的使用大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，支護(hù)效率提高，提高了單進(jìn)水平。

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

[1] 靳鐘銘,徐林生.煤礦堅(jiān)硬頂板控制[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1994:105-125.

[2] 錢鳴高，石平五，許家林,等.礦山壓力與巖層控制[M].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010:55-80.

[3] 賈喜榮.巖石力學(xué)與巖層控制[M].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010:62-100.

[4] 徐永圻.煤礦開采學(xué)[M].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000:80-132.

[5] 魏錦平,牛彥華,李 勝.兩硬綜放面頂煤頂板冒放結(jié)構(gòu)探討[J].山西礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1997(15):332-336.

[6] 馬陳社.大采高綜采工作面架前漏頂?shù)奶幚泶胧J].山西煤炭,2011,31(10):47-49.

[7] 劉樹林,劉慶偉.淺談綜采工作面過漏頂[J].同煤科技，2004(12):14-16.

[8] 尤 寧.對(duì)綜放工作面片幫漏頂問題的分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2010,37(增):130-131.

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(xué)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