B080403 大屯矿区深部支护材料的研究.docVIP

大屯矿区深部支护材料研究 钱永霞1 张 颖1 马小钧2 陈光敏2 [1-大屯工贸实业公司；2-大屯煤电集团有限责任公司，江苏 沛县 221611] 摘 要 在分析深部高地应力巷道围岩变形与破坏特征及目前在锚杆、钢带、锚索等支护材料存在的问题的基础上，提出“快、高、均、恒、让”的设计准则，介绍了高强锚杆支护系统，包括高强锚杆，新型钢带及新型锚索。井下试验表明，高强锚杆支护系统能有效控制深部巷道强烈变形，保持围岩稳定。 关键词 新型钢带 高强度锚杆 新型锚索 ----------------------------------------------------------------------- 1 前 言 近年来，随着开采深度逐年增大，大屯矿区所属矿井部分采掘工作面均出现与浅部开采不同的一些非线性动力学现象。由于一直沿用浅部条件下的支护设计思想及巷道控制手段，部分煤层巷道开始出现大变形、大地压、难支护的问题。个别已施工煤层巷道虽然采取了多种支护形式进行试验，但依旧难以满足在掘进及回采时的使用要求，少数煤巷又重新采用架棚方式支护。 为了提高矿区支护技术水平，确保矿井深部开采安全，必须进行深部支护技术与材料研究。 2 目前支护方式及存在问题 大屯矿区目前浅部煤巷掘进采用普通螺纹钢锚杆、梯子钢筋梁、低松驰钢绞线锚索挂菱形网或经纬网支护，深部煤巷掘进采用高强螺纹钢锚杆、钢板梁、低松驰钢绞线锚索挂菱形网或经纬网支护。 近年来，由于支护技术研究上的滞后，部分深部巷道支护后出现了诸多问题，大面积垮落、坍塌等事故时有发生，导致人力、物力的巨大浪费与损失。 从发生垮塌的特征上，存在问题主要表现在以下三个方面： （1）巷道破坏的突然性增加 深部锚杆支护巷道由于承受自重应力和构造应力增加，围岩的变形破坏机理表现为显著的非线性，围岩发生剧烈变形、失稳，突发性的顶板坍塌事故增多，造成巨大人力、物力损失。 （2）巷道的破坏区域性扩大 由于深部围岩应力增加，构造比较发育，致使巷道围岩变形区域扩大，与浅部巷道破坏相比，破坏前兆非常不明显，难以及时采取针对性措施，从而往往发生大面积围岩破坏，破坏具有区域性。 （3）破坏区形成后，应力场异常复杂 井下巷道大冒落后，在崩落区的周围岩体形成应力异常增高带，造成地压增高，充填修复困难。 3 深部支护技术与材料 在浅部开采基础上发展起来的传统支护理论、设计方法显然已难以适应深部巷道支护设计及实践的需要。国内外专家学者开始进一步探索，建立在非线性变形理论基础上的耦合支护理论推动了锚杆支护理论的发展。 对于已进入非线性塑性大变形阶段、变形场是非线性力学场的软岩巷道，其变形破坏实质上是巷道围岩在工程力作用下产生塑性大变形的一种力学过程。其破坏的主要原因是由于支护体力学特性与围岩力学特性出现不耦合所造成的，并且首先从某一部位（关键部位）开始，进而导致整个支护系统的失稳。 锚、网、索耦合支护理论就是针对软岩巷道围岩由于塑性大变形而产生的变形不协调部位，通过锚网—围岩以及锚索—关键部位支护的耦合而使其变形协调，限制围岩产生有害的变形损伤，实现支护一体化、荷载均匀化，达到巷道稳定的目的。为此必须进行深部支护材料的研究，以从根本上解决深部支护的难题。 3.1 新型钢带的研究 钢带是一种广泛应用于煤矿井下的护顶材料，与锚锁头配合，支护巷道顶板，当煤层发生冒顶时，能够有效的起到支撑顶板下沉的作用。目前国内多采用W形、平行、燕式异形、Π形钢带及钢筋梯子。我们通过探索，研制出一种支护强度、性能适用于深部支护要求的M形钢带。 3.3.1 目前常用钢带 （1）W形钢带 W形钢带是将带钢利用多组轧辊连续进行冷弯、滚压成型的产品。由于带钢在冷弯成型过程中的硬化效应，可使型钢强度提高10～15%，其技术性能如表1所列，结构如图1所示。 表1 W形钢带技术性能指标 型号 孔半径 /mm 截面积 /mm2 拉断力 /kN 截面模量 /mm3 单位质量 /kg·m-1 截面利用率 /mm3·kg-1 BHW-280-3.00 20 810 353.97 3299 7.25 455.03 BHW-280-2.75 20 742 324.47 3080 6.65 463.16 BHW-250-3.00 20 720 314.64 3158 6.55 482.14 BHW-250-2.75 20 660 288.42 2949 6.01 490.68 BHW-220-3.00 20 636 277.93 2997 5.90 507.97 BHW-220-2.75 20 593 254.77 2800 5.41 517.56 图1 W形钢带断面形状图 W形钢带的优点：护顶面积大，适合在裂缝比较发育但压力不大的顶板；惯性矩较大、刚度大、抗弯性能较