让压锚索力学特性及支护机理探讨.pdf
收稿日期２０２０ ０３ １３ 作者简介沈磊磊１９８７ － ꎬ男ꎬ河南潢川人ꎬ助理工程师ꎬ从事煤矿生产技术工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０７. ０２８ 让压锚索力学特性及支护机理探讨 沈磊磊 潞安环能股份公司 王庄煤矿ꎬ山西 长治 ０４６０３１ 摘 要让压锚索支护是解决因传统锚索支护失效而发生矿井安全支护事故的有效手段ꎮ 文章从让压锚 索的基本理论着手ꎬ探讨了让压锚索的力学特性ꎬ以及让压锚索对巷道围岩的支护机理ꎮ 旨在为煤矿支护 设计选择提供依据ꎮ 关键词让压锚索ꎻ力学特性ꎻ支护机理 中图分类号ＴＤ３５３ 文献标识码Ｂ 文章编号１００５ ２７９８２０２００７ ００７１ ０２ 让压锚索是基于采深较大、岩层岩性较弱以及 巷道开挖后可能引起大变形等而设计的一种区别于 常规锚索结构和支护类型的可延伸锚索[１]ꎮ 与常 规锚索相比较ꎬ让压锚索的最大特点是增加了可以 较大程度缓解围岩压力对锚索损伤的让压装置ꎬ能 够提高支护阻力ꎬ可塑性好ꎬ具有很好的让压效果ꎬ 能够抵抗强烈的外力作用ꎬ避免锚索发生破断失效ꎬ 从而保证支护的可靠性和安全性[１ －２]ꎮ 而且让压装 置可以根据巷道支护条件、支护特点、以及巷道可能 存在的围岩压力等进行规格选择ꎬ所以让压锚索可 以在多种条件下适应巷道围岩变形对让压锚索的影 响[３ －４]ꎮ 为了更好地掌握让压锚索的支护性能ꎬ提升让 压锚索的支护效果ꎬ本文对让压锚索的力学特性及 支护作用机理进行探讨ꎬ以期为支护参数的选择提 供依据ꎮ １ 让压锚索的组成及参数 让压锚索主要由金属垫圈、托盘、锁具、让压装 置和锚索钢绞线等组成ꎬ其中让压装置是让压锚索 最为主要的组成部分ꎬ让压装置的类型和参数选择 直接关系到让压锚索杆的支护效果ꎮ 根据让压 管系统内力压力的变形特征曲线与让压管系统压力 理想状态相对比ꎬ可以将让压锚索杆让压管分为 理想型、补偿型和损失型ꎬ即系统内力与理想状态相 比较有所增大则为补偿型ꎬ反之为损失型ꎬ见图 １ꎮ 让压管是让压锚索杆的重要组成部分ꎬ而为 了保持让压锚索杆具有有效的支护性能ꎬ必须选 择科学合理的让压管基本参数ꎮ 让压管的基本设计 参数包括 １ 让压点让压管开始产生让压作用的起始 载荷ꎮ 图 １ 让压管变形特征曲线 ２ 让压载荷的稳定性让压锚索杆在受力 起支撑作用情况下ꎬ让压管必须保持载荷稳定性ꎬ出 现较大的荷载波动直接影响到让压效果ꎮ 荷载波动 幅度由让压稳定系数 ｋ 衡量ꎬ当 ｋ ＝０ 时表示理想情 况下ꎬ锚索荷载达到设计让压荷载时ꎬ让压管开始工 作提供让压位移ꎮ ｋ ＝ Ｆｉ－ Ｆｙ Ｄ １ 式中ｋ 为让压稳定性系数ꎬｋＮ/ ｍｍꎻ Ｆｉ为让压 终端荷载ꎬｋＮꎻＦｙ为让压起始荷载ꎬｋＮꎻＤ 为最大让 压位移ꎬｍｍꎮ ３ 最大让压位移让压锚索杆在让压支护 过程中ꎬ让压管所能提供的极限距离阈值ꎮ ２ 让压锚索力学特性 让压锚索的让压机理ꎬ可以简化为在一定的弹 力范围内ꎬ通过让压管提供的弹性装置将巷道围岩 施加给让压锚索杆的外界压力进行传递和转换ꎬ 以便可以在一定围岩应力作用范围内让压锚索 杆保持稳定的支护效果ꎬ类似于胡克定律ꎬ而整 １７ 问问题题探探讨讨 总第 ２５１ 期 个让压锚索的让压支护过程也遵循胡克定律ꎮ 巷道 围岩采用让压锚索进行支护ꎬ在受到围岩应力作用 下ꎬ让压锚索能够提供很好的支护阻力ꎬ可塑性条件 好ꎬ在起到对围岩主动支护作用的同时ꎬ具有很好的 让压效果ꎬ能够抵抗强烈的外力作用而不会致使锚 索发生破断失效ꎬ从而保证巷道支护的可靠性和安 全性ꎮ 根据让压锚索与围岩应力之间的相互作用产 生的应力应变状态ꎬ可以将让压锚索力学特性分为 ５ 个阶段ꎬ见图 ２ꎮ 图 ２ 让压锚索应力应变曲线 １ ＯＡ 阶段ꎬ初期让压锚索受到应力作用发 生弹性变形ꎮ ２ ＡＢ 阶段ꎬ随着让压锚索受应力作用逐渐 增强ꎬ让压管开始发挥作用ꎬ该阶段由于受到让压管 弹性作用ꎬ让压锚索应力变化较小ꎬ让压锚索变形量 随着围岩应力变化而发生变化ꎮ ３ ＢＣ 阶段ꎬ在让压管作用下ꎬ随着围岩应力 进一步增大ꎬ让压管逐渐达到荷载应力极限ꎬ让压滑 动变形逐步向弹性变形阶段转变ꎬ锚索承载的应力 逐渐增大ꎮ ４ ＣＤ 阶段ꎬ由于超过让压锚索的弹性范围ꎬ 应力荷载超出极限应力承载ꎬ让压锚索发生屈服ꎬ锚 索材料发生塑性变形和组织变化ꎬ但让压锚索的支 护性能更为提高ꎬ锚索应变发生明显变化ꎮ ５ ＤＥ 阶段ꎬ随着围岩应力的进一步增大ꎬ让 压锚索弹性和塑性变化达到极致ꎬ锚索逐步进入脆 性变化阶段ꎬ该阶段应力作用大于锚索强度极限ꎬ锚 索支护效果迅速下降ꎬ锚索破损ꎮ ３ 让压锚索的支护机理 为了了解让压锚索对巷道围岩的支护作用机 理ꎬ探讨让压锚索产生的锚固力作用与围岩受到应 力变化产生的变形量间的关系ꎬ可以利用让压锚索 与围岩变形之间的支护、作用、协调关系进行说明ꎮ 按照锚索发挥的支护作用不同ꎬ将锚索的锚固力分 为径向锚固力和切向锚固力ꎬ其中径向发挥锚索的 支护作用ꎬ切向发挥锚索的加固作用ꎬ见图 ３ꎮ 未使 用锚索支护条件下ꎬ巷道围岩在承受应力作用下表 现的变形曲线为 Ｐ０ＡＧꎬ使用让压锚索支护后ꎬ巷道 围岩压力与位移关系曲线为 Ｐ０ＡＢＤꎬ而在径向作用 力曲线 ＥＣＢ 缺失的锚索支护条件下巷道围岩的位 移曲线为 Ｐ０ＡＢＦꎬ在让压锚索处于让压状态下ꎬ让压 锚索锚固力与围岩变形关系处于平衡状态ꎬＡ 点为 安设锚索支护前后巷道围岩压力与变形曲线的节 点ꎬ即 Ａ 点后锚索支护作用逐渐发挥ꎬ巷道围岩逐 渐趋于稳定ꎮ 根据图 ３ 中表示ꎬ让压锚索响应巷道 围岩应力产生支护作用可以分为切向锚固支护作用 曲线 ＡＢＦ、径向锚固支护作用曲线 ＥＣＢ 和让压锚索 产生的让压支护作用曲线 ＥＨＤ 三个分支ꎬＢ 为围岩 变形与锚索支护作用平衡点ꎬ如果 ＥＣＢ 曲线上某点 缺失ꎬ就会致使巷道变形向 Ｆ 点发展ꎬ可能会造成 巷道围岩某点上的失稳ꎮ 而在让压锚索产生的让压 作用下ꎬ 锚固力与围岩发生的变形曲线改变为 ＥＨＤꎬ锚固平衡点 Ｂ 转变为点 Ｄꎮ 图 ３ 让压锚杆锚固力与围岩变形关系 从另一个角度来进行分析ꎬ锚固力与围岩变形 关系可以由锚索响应巷道围岩应力作用而产生的响 应方式进行探讨ꎮ 在巷道围岩进行支护后ꎬ锚索逐 渐对巷道围岩进行支护、强化ꎬ迫使围岩原有变形曲 线发生改变ꎬ锚索所产生的锚固力的大小与巷道围 岩所作出的应力反应呈正比ꎬ即围岩压力越大ꎬ锚固 力越大ꎬ该阶段巷道围岩的应力作用于锚索支护系 统ꎬ发生了变形能向锚索系统弹性能的转变ＥＣ 段 或 ＥＨ 段ꎮ 而随着应力作用的逐渐增大ꎬ让压锚索 中的让压构件开始发挥作用ꎬ该阶段ꎬ虽然围岩应力 在不断增大ꎬ但锚索发生的弹性变化逐渐由让压构 件产生的让压性能代替ꎬ该阶段主要为巷道围岩的 变形能向让压变形能之间的转变ꎬ锚索本身的弹性 能未发生改变ＨＤ 段ꎮ 选择的让压锚索对巷道围 岩是否可以产生好的支护性能ꎬ即选择的让压构件 最大让压距离是否能满足巷道围岩应力变形对锚索 本身的应力作用范围ꎬ如果不能满足ꎬ则锚索在 ＣＤ 阶段某节点就会提早进入锚索屈服阶段ꎬ造成锚索 自身损耗ꎮ 下转第 ８６ 页 ２７ ２０２０ 年 ７ 月 沈磊磊让压锚索力学特性及支护机理探讨 第 ２９ 卷第 ７ 期 要与员工进行沟通ꎬ积极交流ꎬ鼓励他们提出生产过 程中的疑惑或者困难ꎬ积极采纳工人的培训需求ꎬ增 强工人参与安全培训的自主性ꎮ ２. ２ 加强安全培训基础投入 为了提升安全培训质量ꎬ应该将安全培训环境、 设备、设施进行提升和改造ꎮ 加强安全培训的基础 设施建设和支撑体系建设ꎬ建立安全培训专项资金ꎬ 用于培训环境改善ꎬ培训基础设施改造ꎬ实践基地建 设等ꎮ ２. ３ 采取针对性强的安全培训内容 一是对新入职员工进行培训时ꎬ企业可以利用 本单位的安全培训部门师资力量ꎬ对重点岗位实行 “双师带徒”的方式ꎬ安排技术水平高、经验丰富、责 任心强的老员工与企业安全培训教师共同培养新员 工ꎬ一对一指导新员工ꎻ二是以厂级、车间级通用安 全知识为基础ꎬ结合每个岗位的特点ꎬ设置针对性强 的安全培训内容及课程ꎬ依照“一岗位一标准、一程 序一规范ꎬ一风险一对策”的原则进行培训ꎻ三是通 过文化素质和职业技能相结合的方式进行培训ꎬ开 设素质提升班ꎬ提升学历的同时夯实理论知识基础ꎬ 通过建立培训基地ꎬ现场一比一地模拟生产ꎬ真正做 到培养一批规范一批ꎮ ２. ４ 加强安全培训工作效果提升 在每一次安全培训开展之前ꎬ要通过座谈讨论ꎬ 结合行业特点制定培训内容ꎬ选择优秀教师ꎮ 安全 培训过程中要对培训时产生的疑问ꎬ员工培训时的 积极性和参与度进行掌握ꎮ 培训结束后通过理论考 试、现场操作考核等多种方式ꎬ对员工掌握情况进行 考核ꎮ 要对培训效果进行满意度调查ꎬ进一步了解 员工需求ꎬ深化培训内容ꎬ掌握培训工作中存在的不 足ꎬ在下一次培训工作中持续改进ꎮ ２. ５ 构建在线安全培训的课程 企业可以运用互联网手段ꎬ建立在线培训课堂ꎬ 通过 ＡＰＰ 或者微信直接登录ꎬ员工可以看到符合自 己岗位的安全培训课程、培训记录、培训内容以及考 试题库ꎮ 培训课程按岗位细化ꎬ内容要实时更新ꎬ包 括新的安全法律法规及国内外先进的安全生产技术 经验ꎬ各类安全事故学习ꎬ可以通过建立学习积分制 度ꎬ建立线上考试平台ꎬ加强员工自主学习能力ꎮ ３ 结 语 综上所述ꎬ在企业安全生产过程中安全培训是 非常重要的组成部分ꎬ所以一定要强化安全培训工 作ꎬ采取一些有效途径提升培训实效性ꎬ从而提升工 作人员的安全意识和操作水平ꎮ [责任编辑常丽芳] 上接第 ７２ 页 ４ 结 语 １ 与传统锚索相比ꎬ基于让压构件ꎬ让压锚索 支护过程中可以对围岩应力作用起到一个缓冲作 用ꎬ从而在同等围岩应变条件下ꎬ让压锚索受力明显 小于传统锚索ꎮ ２ 在支护过程中ꎬ让压锚索与围岩形成了相 互协调的作用关系ꎬ让压锚索可以吸收围岩变形产 生的部分能量ꎬ能够起到较好的让压效果ꎬ同时控制 围岩塑性破坏区向深部转移ꎮ ３ 让压锚索的支护效果关键在于让压距离的 合理选择ꎬ而合理的让压距离也是保证围岩发生变 形时锚索不被破坏、失效的关键ꎮ 参考文献 [１] 李 东. 基于可靠性的锚杆支护设计理论与应用实践 [Ｄ]. 阜新辽宁工程技术大学ꎬ２０１５. [２] 韩建胜ꎬ王 阁ꎬ连传杰. 高水平应力条件下锚杆锚索 耦合让压支护技术试验研究[Ｊ]. 煤炭技术ꎬ２００９ꎬ２８ １２１６２ －１６５. [３] 陈 辉ꎬ刘 昂ꎬ吴 优ꎬ等. 深井软岩大变形巷道全断 面卸压支护技术[Ｊ]. 煤矿安全ꎬ２０１５ꎬ４６２１３６ － １３８. [４] 梁伟彬. 深井高应力回采巷道让压锚杆支护技术[Ｊ]. 中州煤炭ꎬ２０１２５７５ －７７. [责任编辑常丽芳] ６８ ２０２０ 年 ７ 月 李 慧提高企业安全培训实效性的路径探析 第 ２９ 卷第 ７ 期
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