煤巷锚杆支护技术新突破--一种预应力桁架支护技术.pdf

- 1 - 煤巷锚杆支护技术新突破 ——一种预应力桁架支护技术 李桂臣，张农，阚甲广，魏学松，杨百顺，安智海 中国矿业大学能源与安全工程学院，徐州（221008） E-mail：liguichen@126.com 摘 要：锚杆支护已成为当前煤巷的主要支护形式，但由于复杂条件下仍存在一些安全和技 术问题，必须推陈出新。本文详细阐述了一种新型预应力桁架支护形式，包括预应力桁架的 概念、作用机理、与锚索对比的优点、具体形式以及施工工艺。最后给出了淮北许疃矿的成 功应用实例，表明了该支护技术在理念和手段上是煤巷锚杆支护的一个突破和创新，有着很 大的推广价值和广阔的应用前景。 关键词：煤巷，锚杆支护，预应力桁架，支护技术，创新 中图分类号：TD353+.6 1 引言 随着煤矿生产力的不断发展和锚杆支护理论的完善和成熟，以及“十五”期间的科技攻 关，锚杆支护在煤巷掘进支护中的比重越来越大，目前全国主要矿区煤巷锚杆支护的比重超 过了 70%，一些现代化大型矿井的比重超过了 90%，其主要原因在于煤巷锚杆支护有以下 诸多优点[1]： (1)在支护原理上符合现代岩石力学和围岩控制理论，锚杆与被锚固围岩共同承载，属 主动支护，能够调动和利用围岩自身的稳定性，充分发挥围岩的自身承载能力，有效地控制 巷道围岩变形。 (2)适应性强，支护成本随采深增加、条件恶化的升幅，不像棚式支护大幅度上升，相 反降低的更多，支护效果更显著。 (3)在相同地质条件下，参数合理的锚杆支护，围岩变形量通常比棚式支护减少一半以 上，一般条件下不需要维护，困难条件下，仅需简单、快捷的维护。 (4)所需材料体积小、重量轻，辅助运量大大降低，既减轻了工人的劳动强度，又改善 了作业环境。工作面端头不需要撤棚，节省了回棚工序，简化了端头管理。 (5)巷道断面形状多为矩形，支护设计时可以相应减小断面，增加巷道或开切眼的有效 空间，断面的有效利用率大大提高，消除局部瓦斯积聚。极大地简化了开切眼中支架安装工 序，有效地提高设备安装进度和缩短工期。 (6)服务年限较长的巷道，可减少大量材料占用造成的资金积压，加快资金周转，降低 生产成本；单进速度、生产能力、技术效益、安全效益都大幅提高。 2 煤巷锚杆支护存在一些问题 虽然煤巷锚杆支护有许多优点，但由于其是隐蔽性较强的支护形式，参数确定以后，怎 样确保工程质量和施工安全比较困难，条件恶化或变化时不及时采取针对性的措施常常导致 冒顶事故的发生。 目前一些特殊地质条件如松软煤层的高帮，大倾角巷道高帮，沿空巷道，高应力巷道的 锚杆支护使用程度还很有限。这类巷道在高应力作用下，帮部变形很大，常常造成巷道收缩 变形致使巷道无法使用，特别是对于沿空掘巷，目前的高性能锚杆组合支护技术也显得无能 为力，巷帮的变形量尤其是煤柱帮，在掘巷之初就有明显的变形，到回采阶段，变形量通常 - 2 - 达到总变形量的 70%以上，断面收缩近 2/3，巷道无法使用，甚至造成安全事故，许多工作 面不得不停产翻修巷道或另开掘巷道，给矿井的安全和生产带来极大的危害，如何真正有效 地解决这些复杂条件下的煤巷锚杆支护问题变得越来越急迫。 因此，我们创新性地提出在煤帮使用预应力桁架进行支护，可以有效抵抗巷帮与顶板之 间的相对错动剪切力，有效控制帮部向巷内位移，从而减少巷帮变形，使巷道满足生产需要。 3 现有常用桁架的种类与特征 3.1 建筑类桁架概念和特征 目前建筑行业使用的是建筑类桁架，是指工程中由杆件通过焊接、铆接或螺栓连接而 成的结构，称为“桁架”[2]，通常是钢桁架，主要是一种空间体系的架式结构，其特征和用途 与矿用桁架完全不同。 建筑桁架的工程要求：足够的强度——不发生断裂或塑性变形； 足够的刚度——不发 生过大的弹性变形；足够的稳定性——不发生因平衡形式的突然转变而导致的坍塌；良好的 动力学特性——抗震性[2]。 3.2 简易锚杆桁架结构和特征 目前煤矿常用的桁架是简易锚杆桁架结构，其主要由两个托板、两根倾斜锚杆和两根拉 杆组成，总体结构如图 1 所示[3]。托板的材料为铸钢，托板上设计有 1 个倾斜锚杆孔和两个 拉杆孔。拉杆为相同的两根螺纹钢或 Q235 钢筋，两根钢筋的两端均制有螺纹，通过螺母与 托板联结在一起，具体结构如图 2 所示[3]。 1--锚杆；2--托板；3--拉杆 图 1 锚杆桁架总体结构 图 2 托板结构示意图 简易锚杆桁架是一种能在巷道顶板的水平及垂直方向同时提供挤压应力的主动支护结 构。在拉杆和两倾斜锚杆的协调作用下，随着巷道顶板的弯曲变形, 在巷道顶板内部产生