煤巷锚杆支护设计方法的对比研究

煤巷锚杆支护设计方法的对比研究

1设计方法：连接煤层轨道的扶手1.1锚杆支护参数过高,巷道围岩物质资源配置不合理,引起巷道冒顶事故目前，该项目的基础参数主要是工程类比法和理论分析法，不能满足现场生产的实际需要。这主要体现在以下两个方面：一是项目的基本参数，该参数是道路周围点（甚至点）综合地质技术数据的平均值，该参数设计为整条道路服务。一方面导致巷道绝大部分区域设计的锚杆参数过高,不但浪费了大量材料,增加了支护成本,也降低了巷道的掘进速度;另一方面又使巷道的某些局部地质技术条件变化区域设计的锚杆支护参数不足,引发局部冒顶事故。第二,依据的基础性参数缺乏定量化评价指标,导致锚杆支护参数设计缺乏科学、合理和确定性。尽管近年来出现的锚杆支护动态设计法已在我国部分矿区得到实践,但实际应用效果并不理想。因此,需要使用更可靠的煤巷锚杆支护设计方法,保证设计的可靠性。1.2支护效果的评价,使各该设计方法摒弃了其他设计方法的缺点,是一种全新的设计理念与现代信息技术完美结合的产物。设计步骤如下:①全面分析基础地质技术数据,不是取各项参数的平均值,而是将其分成最佳条件和最差条件;②用工程类比法确定锚杆的初始参数;③不断进行现场实测,获得应力、围岩、支护三者相互作用结果的综合信息;④根据实测信息,进行支护效果评价;⑤依据支护效果评价,用计算机重新设计巷道待掘进部分的锚杆支护参数,并及时调整已支护部分的设计参数。与已有的设计方法相比,该设计方法优点有:设计的针对性强,设计的可靠性高,可以预测巷道顶板围岩的稳定性,有利于科学化管理,工程质量易于保证,简化了设计基础数据的采集工作。2锚杆和倾斜杆2.1mm缝管式锚杆国外煤帮锚杆支护主要应用非金属锚杆。但因成本太高,国内企业难以承受。国内煤帮锚杆支护主要用直径为16mm圆钢或直径为42mm缝管式锚杆,采煤机直接切割金属锚杆时易产生火花导致煤尘、瓦斯爆炸,同时混杂在原煤中的金属锚杆在运输中导致对人及输送带等设备的危害。我国近年来也相继试验以玻璃钢为杆体材料的锚杆。对玻璃钢锚杆的结构、配方和力学性能进行了广泛深入地研究,认为玻璃钢锚杆具有良好的可切割性,优良的耐化学腐蚀性,良好的表面性能,同时还有抗拉强度高、质量轻、可设计性和成型工艺性好等优点。2.2新钢绞法2.2.1锚内锚杆安装新型玻璃钢锚杆的结构是压痕式金属套管锚尾玻璃钢锚杆,在锚杆结构、材料配方、成型工艺上进行了优化,取得了很高的性价比。压痕式金属套管锚尾玻璃钢锚杆的杆体材料为玻璃钢,杆体长为1.8m(其中锚尾部分为0.1m),除锚尾部分外,杆体直径为16mm。杆体纤维方向沿杆体轴向方向,用于承受锚杆的拉伸力;抗扭加强筋由浸胶玻璃纤维束在杆体周围缠绕制成,呈左旋方向分布,可以增加锚杆的抗扭强度。锚尾带有金属套管,其上加工有螺纹。金属套管锚尾的套管与玻璃钢杆体的连接采用一段或几段带有锥度的凹槽,将金属套管压入到玻璃钢杆体中,形成二者相互嵌接形成一个整体,提高连接强度。这种套管与杆体的连接方式既保证了锚杆具有足够的锚固力,又可通过钢套管与杆体间在工作阻力较大时的相对滑动增大锚杆整体的延伸率,以弥补玻璃钢杆体延伸率较小的不足,适应煤帮在矿山压力作用下变形较大的特点。2.2.2试验结果分析衡量锚杆力学性能好坏的重要指标是锚杆的抗拉伸能力。试件为采用拉挤工艺制成的圆截面直杆,长度为300mm,其中两端各100mm为夹具所夹持,中间100mm为工作区,试件直径为15.6mm。试验在万能试验机上进行,所得数据见表1。通过对试验结果的分析得到:当杆体直径为15.6mm、即使是在试验发生意外的情况下(内锥套和试件脱离),最小拉力仍能达到68.0kN,破断应力达到355.97MPa,达到了预期的杆体直径16mm、破断力40～60kN的要求。所以这种结构的锚杆满足煤帮锚杆的要求(煤帮锚杆抗拉强度一般要求大于50kN)。2.2.3钢绞线的生产具有高度机械化和自动化的玻璃钢锚杆生产线主要由杆体成型系统、缠绕系统、固化系统和自动控制系统等部分组成,日生产能力750根。这种玻璃钢锚杆的成本仅相当于国外类似产品的10%～15%,相当于国内其他玻璃钢锚杆40%左右。用以取代相同强度的煤帮金属锚杆时,可降低成本20%～35%。有效地弥补了手工成型时生产效率低、劳动强度大、劳动卫生条件差、产品质量不易控制、产品力学性能差等严重不足,为玻璃钢锚杆的工业性应用奠定了坚实的基础。3锚式木材3.1等强锚杆的应用为了改变我国长期使用低强度锚杆的状况,最近几年大力发展了高强度、超高强度锚杆。这种支护系统在提高巷道支护效果、保证巷道安全、简化采煤工作面端头区维护工艺等方面具有明显的优越性,有利于采煤工作面的快速推进,实现矿井的高产高效。但是,目前我国煤巷顶板使用的金属锚杆一般都用螺纹钢加工而成。首先将符合设计要求的螺纹钢按锚杆长度需要截割成设计长度,再将钢筋一端(长度100mm)切削成圆,最后在切削成圆的锚尾上滚压出螺纹。这样,加工后锚杆尾部部分的螺纹内径处截面面积小,成为整根杆体中最薄弱部分,所以这种普通螺纹钢锚杆的材料(强度)非常浪费;同时,由于锚杆尾部破断载荷较小,在尾部发生破断时往往达不到螺纹钢的屈服载荷,锚杆杆体部分不能产生延伸,降低了锚杆的整体延伸率,不能有效地适应和控制围岩变形,给巷道支护安全带来隐患。为了解决这一问题,积极发展等强锚杆,即使锚尾极限承载力等于锚杆杆体部分的承载力。解决这个问题的方法主要有2种:一种是应用精轧右旋螺纹钢锚杆,配合特制螺母制成等强锚杆,不需要像普通螺纹钢锚杆那样专门加工锚尾,保证了锚杆整个长度上强度的一致,但因锚杆右旋螺纹不利于搅拌树脂锚固剂、螺纹升角过大、螺母不易拧紧且容易松动以及成本高等缺陷,没有被广泛应用;另一种是将普通螺纹钢锚杆尾部螺纹部分进行热处理,使锚尾部分的抗拉强度大于杆体部分,但是,由于这种方法引起锚尾脆性大,在应用过程中却更容易破断。3.2粗尾锚杆性能检测通过对现有金属锚杆的分析,为了克服目前存在的缺点,必须设计出合理的锚杆结构,使其具有良好的技术经济性能。新型金属粗尾锚杆就是在这样的背景下产生的。他是由左旋螺纹钢经过特殊加工而成的,其结构如图1所示。这种锚杆尾部螺纹直径大于锚杆杆体公称直径3～4mm,保证当锚杆达到屈服极限时锚杆尾部螺纹部分不破坏,使杆体的强度和延伸率都得到了充分发挥。试验室常规拉伸试验锚杆成型产品性能检测试验结果表明(见表2),粗尾锚杆的力学性能普遍优于其他各类锚杆,具体表现在:(1)抗拉强度高。我国目前金属锚杆最常用的规格是公称直径20mm的杆体,当杆体材料为Q235圆钢时,粗尾锚杆的屈服极限与破断载荷分别较普通锚杆提高56%和61%;当锚杆材料为20MnSi螺纹钢时,粗尾锚杆的屈服极限与破断载荷比普通锚杆提高13%和24%。(2)延伸率大。因杆体与杆尾为同一材质,在受复杂应力状态情况下,其内在晶质结构不会发生任何突变,且因锚杆尾部破断载荷大大高于杆体的屈服极限,因此其延伸率得到明显改善。(3)在相同情况下,锚尾不易首先发生断裂。锚杆整个自由段的延伸率都能充分发挥,克服了普通锚杆尾部破断载荷过低、在锚杆杆体发生屈服前就断裂的缺陷。4高效、稳定的锚杆支护(1)煤巷锚杆支护“全线信息跟踪”设计方法是全新的设计理念与现代信息技术相结合的产物,做到了有针对性的设计,使煤巷锚杆支护的安