大断面煤巷预应力桁架锚索的理论与实践.pdf

第32卷第10期煤 炭 学 报Vol . 32 No. 10 2007年10月JOURNAL OF CHI NA COAL SOC IETYOct . 2007 文章编号0253 - 9993200710 - 1061 - 05 大 断 面 煤 巷 预 应 力 桁 架 锚 索 的 理 论 与 实 践 赵洪亮 1 ,姚精明 2 ,何富连 2 ,刘海涛 2 ,张守宝 2 11中国矿业大学北京资源与安全工程学院,北京 100083; 21北京科技大学 金属矿山高效开采教育部重点实验室,北京 100083 摘 要从力学角度重点论述了普通锚杆索在大断面煤巷支护失效的原理以及预应力桁架 锚索的支护原理,采用数值模拟计算设计和优化五阳煤矿桁架锚索支护方案,现场实测顶板下沉 量为120 mm,仅为普通锚杆索支护时的3416;掘进期间顶板主要移动活跃时限为14～ 20 d,之后趋于稳定;月进115 m,比普通锚杆索提高了15. 关键词大断面巷道;预应力;桁架锚索;普通锚杆索 中图分类号TD35316 文献标识码 A 收稿日期6 责任编辑柴海涛 基金项目高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助项目 作者简介赵洪亮66 ,男,山西洪洞人,工程师,博士联系人姚精明y2j2 631 Applica tion of prestress truss cable i n large cross section coal roadway ZHAO Hong2liang 1 , Y AO Jing2 ming 2 , HE Fu2lian 2 , LI U Hai2tao 2 , ZHANG Shou2 bao 2 11School of Resource and Safety Engineering, China University ofM ining and TechnologyBeijing,Beijing 100083,China;21State KeyLabora2 tory of High-EfficientM ining and Safety ofM etalM ines ofM inistry of Education, University of Science and TechnologyBeijing,Beijing 100083, Chi2 na Abstract From the point of view of mechanics, gave emphasis on the invalid mechanics of common bolt cable and support mechanics of prestress truss cable in coal roadwaywith large cross section, and designed and op tim ized support scheme of truss cable by nu merical stimulation in Wuyang M ine.The actual measurement shows that roof convergence is 120 mm, which is 3416 percent of that of the support by common boltcable; and the main de2 ation of roof is in the first 14～20 days after the roadway excavation and becomes stable after that; and there excavates 15m away in a month which enhances 3416 percent than that of common boltcable. Key wordslarge cross section roadway; prestress; truss cable; common bolt cable 普通锚杆索支护对锚固煤岩体只提供径向作用力,不提供切向作用力,作用主要表现为将下部 锚杆支护形成的锚固承载结构整体悬吊于深部围岩中,起强化支护作用 [ 1 ]. 对于顶板中存在稳定岩层的 煤巷,它的作用非常明显,但当巷道顶板为松软破碎岩层或煤层时,且巷道断面比较大时,由于巷道塑性 半径和破裂区半径较大,锚杆索的锚固力得不到保证,锚固煤岩体容易发生切向位移而难以形成稳 定结构,从而锚杆索失去支护效果而发生顶板事故 [ 2 ]. 因此,对大断面煤巷应采用新的支护理念和 支护形式,美国A. Wahab Khair提出了采用预拉力桁架锚索来控制大断面巷道顶板的措施 [ 3 ]. 1 预应力桁架锚索支护的原理 桁架锚索由预应力高强度钢绞线、锁具、专用连接器和锚固剂组成,如图1所示,其内锚固点为巷道 200 -10-17 19-..E - mailao ingming1com 煤 炭 学 报 2007年第32卷 图1 预应力桁架锚索支护 Fig11 Supportof prestress truss cable 两肩窝深部岩体.与传统的普通锚杆索支护的支护方式相比, 预应力桁架锚索的支护原理发生了根本性的变化,主要表现在 ①增加锚索的锚固力.普通锚索的锚固点和支护结构是巷道顶 板,当锚固区岩层和上位岩层离层之后,锚固点周围的煤岩体应 力状态为近似平面应力状态而容易破坏,如果锚固点处在当巷道 破裂区、塑性区范围内,锚索的锚固力得不到保证;而高预应力 桁架锚索的锚固点和支护结构是在巷道两帮的肩窝,该处处于三 向高压状态,锚固点周边煤岩体不容易破坏;②增加支护结构稳 定性.普通锚索随顶板变形载荷直线上升,易拉断失效,而桁架锚索受力随顶板岩体弯曲,两帮锚固点内 移,能形成闭锁结构,受力增加较慢,支护结构不易失效 [ 4 ] ;③降低了锚固区围岩的剪应力.锚固岩梁 的剪应力主要是来自于上位岩层的作用力和自身的重力,最大剪应力发生在岩梁与两帮接触的两端,普通 锚杆索的径向作用力只能使锚固区岩层不离层,对锚固区岩梁承受的剪应力影响并不是很大,而预 应力桁架锚索斜穿过锚固岩梁最大剪应力区,不受顶板离层的影响,锚索和岩梁共同承担剪应力,且锚索 图2 锚固区中性轴计算 Fig12 Account of neutral axis in anchoring zone 的高预应力在一定程度上抵消了岩梁承受的剪应 力;④改善了锚固区内围岩的应力状态,降低 了锚固区内煤岩体拉应力.当巷道采用巷道锚杆 索支护后,锚固区内煤岩层作为一个整体运 动从而形成一个组合梁,由于锚固区岩梁是对称 的,且其弯曲是向下的平面弯曲,取锚固岩梁一 半分析,建立如图2所示坐标系,锚固岩梁的中 性轴计算 [ 5 ]为 σ Mzy Iz -ζ σmy0, y ζσ myIz Mz . 根据梁的弯曲应力理论,桁架锚索锚固区内围岩拉应力σt为 σt Mhhx- y Iy -ζ σmy Mhhx Iy - Mhζ σ my My -σmy Mhhx Iy Mhx Iy , 式中,Mz为锚固区内岩层的力矩;Iz为锚固区内岩层的惯性矩;ζ σ my为锚索拉应力在锚固区岩梁的水平分 力,ζ cosα,α为锚索的水平倾角;σmy为组合梁下端锚索的拉应力,显然,锚索紧贴顶板区域 α 0; Mh为采用桁架锚索支护时该处的弯矩;hx为计算点与横坐标的垂直距离,yhxh/2;M为采用普通锚 索支护时该处的弯矩,显然MhM-Mhy, Mhy为桁架锚索预应力在该处形成的力矩. 采用高预应力桁架锚索支护巷道,锚固区围岩的中性轴下移 ζ σmyIz/Mz,从而使得锚固区内大部分围 岩处于压应力状态图2,有效地保证了锚固区内围岩的稳定性.并且锚固区内煤岩层承受的拉应力大 大小于普通锚杆索支护的最大拉应力,从而更有利于防治和减少了锚固煤岩体因为被拉坏而产生的 失稳、垮落事故. 2 预应力桁架锚索支护的数值计算分析 [6～8] 211 数值计算模型与方案设计 数值模拟对象为潞安环能股份有限公司五阳煤矿7518综放工作面切眼,该切眼位于7300采空区与 752号连采工作面之间,工作面埋深为500～565 m,开采为山西组中下部3号煤层,平均厚度6134 m,倾 角平均为,煤层直接顶为砂质泥岩,老顶为中砂岩,直接底为砂质泥岩5 8切眼为矩形断面,断面 为3 宽 高,沿底掘进 2601 10.7 1 7 mm. 第10期赵洪亮等大断面煤巷预应力桁架锚索的理论与实践 模型模拟范围80 m60 m宽 高,模型上边界施加81325 MPa的均布铅垂压应力,模型两侧边界 水平方向固定,底部边界垂直方向固定,围岩本构关系采用摩尔-库仑模型,选用美国ITASCA公司开发 的数值模拟计算软件FLAC410进行,在顶板和两帮锚杆支护参数已确定的基础上,模拟相同参数的桁架 表1 模拟方案 Tab le 1 Si m ula tion scheme 切眼支 护方式 模拟 方案 桁架锚索 角度/ 模拟 方案 桁架锚 索长度/m 模拟 方案 孔口帮 距/m 模拟 方案 桁架锚 1 - 1 352 - 143 - 104 - 1 索支护452 - 263 - 20124 - 2 552 - 383 - 30144 - 3 普通锚 1 - 2652 - 4 103 - 40154 - 4 索支护 752 - 5 锚索和普通锚索对切眼支护效果,以及切眼 支护效果与桁架锚索倾角、长度和孔口帮距 的关系,单体锚索和桁架锚索的预应力皆为 35 MPa.具体方案见表1. 212 数值模拟结果分析 1桁架锚索支护的切眼顶底板下沉量 为15317 mm,而普通锚索支护切眼的顶板 下沉量为23814 mm,前者为后者的6415; 两帮移近量桁架锚索支护为11614 mm,而 普通锚索支护则为10819 mm,前者为后者 图3 围岩位移和围岩破坏场 Fig13 The disp lacement and breakage field of surr ounding rock 的106193;切眼底臌量两者则相差不 大.桁架锚索支护的切眼围岩的顶板塑 性区破坏范围为0184 m ,而普通锚索 支护切眼顶板破坏范围为1127 m,前 者为后者的6611;两帮塑性区破坏范 围桁架锚索支护为1107 m,而普通锚索 支护则 为1103 mm,前 者为 后者 的 10319;切眼底部破坏范围则相差不 大,桁架锚索稍大.图3为桁架锚索支 护时的切眼变形和围岩破坏场分布. 2图4a数值模拟计算结果表明,桁架锚索中锚索角度对两帮和底板变形影响较小,而对顶板 的变形影响较大,桁架锚索角度65时顶板下沉量最小,而此时两帮和底板变形也处于较小水平.由图4 b可知,桁架锚索长度与两帮和顶板变形比较大,而对底臌影响较小,当桁架锚索长度为8 m时,切 眼两帮移近量降低到一个稳定的最小值,而顶板下沉量也维持在一个较低水平,并随锚索长度变化不大; 图4c表明,当孔口帮距由0变到012 m时,两帮移近量减小了26105 ,顶板下沉量减小了33133; 当孔口帮距由012 m变化到015 m时,顶板下沉量增加了27119,两帮移近量增加了27109.由此可 见,当孔口帮距由0变到012 m时,桁架锚索能较好地控制顶板下沉量和两帮移近量;当孔口帮距大于 012 m时,桁架锚索体系对两帮的维护效果变差. 图 桁架锚索倾角和长度及孔口帮距与围岩变形的关系 F1 Rff ff 3601 4 ig 4elation between inclination and length and distance otruss cable and buttock o truss cable and deormation o surrounding rock 煤 炭 学 报 2007年第32卷 3 7518综放工作面切眼支护方案 根据上述数值模拟计算结果以及该矿的实际情况,五阳煤矿7518综放工作面切眼采用预应力桁架锚 索-锚杆联合支护,桁架锚索倾角为65,长度为8 m,锚索距切眼煤帮距离为012 m.7518综放工作面 切眼支护方案如图5所示. 图5 桁架锚索支护布置 Fig15 Support layoutof truss cable 顶板支护顶板锚杆采用 22, 214 m长杆尾螺纹M24左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆,排距800 mm,间 距850 mm,采用两支规格为Z2360锚固剂锚固.每隔116 m布置1根单体锚索和1套桁架系统,单体锚 索长度为813 m,桁架锚索长度为810 m,锚索为 15124 mm, 17股高强度低松弛预应力钢绞线,1支 K2335和2支Z2360树脂药卷加长锚固.金属网护顶.锚索的预应力为35 MPa,顶锚杆的扭力矩为 120 Nm. 巷帮支护采用 20, 210 m长杆尾螺纹为M22的左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆,排距018 m,间距 0185 m,扭力矩为80 Nm,采用2支Z2360树脂药卷加长锚固,金属网护帮. 311 矿压观察结果及分析 为掌握锚杆支护巷道围岩活动规律及支护效果,为今后进一步改进和优化锚杆支护参数提供资料,在 巷道掘进过程中对围岩表面位移进行观测.从图6可看出,7518切眼采用预应力桁架锚索之后,顶板移 近量较小≤120 mm,两帮移近量也较小≤100 mm,并均能得到有效控制,掘进期间顶板主要移 图6 巷道围岩表面位移 Fig16 Superficial disp lace ment of surr ounding rock of roadway 动活跃时限为14～20 d,之后趋于稳定.由此可见, 7518切眼采用预 应力桁架锚索支护后,巷道断面收敛率很小,巷道能快速趋于稳定. 312 技术经济效果分析 ①7518切眼采用预应力桁架锚索支护后,第1个月顶板下沉量为 120 mm,仅为普通锚杆索支护时的3416,从掘进到安装工作 面支架,一次未维修,顶板无任何冒漏现象,处于较好的稳定状态; ②采用普通锚杆索支护月进100 m,而采用预应力桁架锚索联合 支护试验 ,月进115 m,比普通锚杆索提高了15;③减轻 了工人的劳动强度,提高了掘进效率. 4 结 论 随着巷道断面增加,巷道围岩处于破裂区、塑性区范围会增加,巷道顶板岩层承受的拉应力和剪 应力也增加,顶板稳定性大大降低 对于大断面煤巷采用普通锚杆索支护,锚固力得不到保证,锚杆索不能很好地阻挡锚 4601 1 . 2 第10期赵洪亮等大断面煤巷预应力桁架锚索的理论与实践 固区内破碎煤岩体的切向滑移,且锚固岩梁承受的拉应力和剪应力基本不会降低,锚固区内煤岩体难以形 成稳定结构,锚固煤岩体容易发生整体垮落而发生顶板冒顶事故. 3预应力桁架锚索锚固力有保证,能够减少锚固区内煤岩体受拉范围,减少锚固区煤岩体承受的拉 应力和剪应力,锚索和锚固体能够形成闭锁结构,共同承担外界的压力,减少锚固区内煤岩层的挠度. 4五阳煤矿7518综放工作面切眼采用桁架锚索支护后,取得了显著的社会经济效益. 参考文献 [1 ] 侯朝炯,郭励生,勾攀峰.煤巷锚杆支护[M ].徐州中国矿业大学出版社,1999. 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