双高强锚杆悬吊单轨吊技术及应用

2011-03-08窦孟华

采矿与岩层控制工程学报 2011年5期

关键词：高强锚杆顶板

窦孟华

（山西潞安矿业（集团）有限责任公司，山西长治 046204）

双高强锚杆悬吊单轨吊技术及应用

窦孟华

（山西潞安矿业（集团）有限责任公司，山西长治 046204）

为了解决高应力破碎围岩条件下单轨吊悬吊问题，针对具体的应用环境，进行围岩锚固性试验，探讨了悬吊结构中锚杆受力状况，分析了锚杆悬吊技术的可行性，借助有限差分数值计算程序FLAC，模拟研究了悬吊载荷对巷道围岩应力分布和变形影响。结果表明，悬吊结构对巷道变形和稳定影响极小;根据S2106工作面两巷顶板条件，设计采用双高强锚杆进行单轨吊悬吊，将悬吊结构安装在井下巷道中，通过运输液压支架检验其合理性和可靠性，结果表明该技术可使工作面支架安装速度提高50%。

单轨吊;双高强锚杆;数值模拟;悬吊结构

Technology of Monorail Crane Suspended by Double Anchored-bolt with High Strength

近两年来，潞安矿区煤巷锚杆支护技术发展十分迅速，取得多项突破性进展。解决了综采开采中遇到的巷道支护难题［1－3］，显著扩大了锚杆支护使用范围和使用量，取得巨大的技术经济效益和社会效益，使潞安矿区巷道支护技术水平上了一个新台阶。余吾煤业近两年完成了多条示范巷道支护工程，特别是在综采放顶煤工作面沿煤层底板掘进的煤顶巷道中第1次采用单轨吊辅助运输系统，由于顶板松软、破碎，对单轨吊轨道悬吊带来很大困难。尽管潞安矿区的漳村煤矿、常村煤矿采用过单轨吊［4－7］，但余吾煤业由于煤体松软、破碎，因此，与其他煤矿的悬吊方式差别很大，没有较多的经验可借鉴。为了有效解决单轨吊轨道和起重悬吊问题，提高其安全程度，有利于快速运输和设备安撤，有必要对单轨吊和起重悬吊技术进行全面、系统的研究，开发出适合余吾煤业条件和设备的悬吊方式。

1 锚杆悬吊单轨吊可行性分析

1.1 围岩锚固性能分析

在S2106工作面两巷、南二进风下山和S2106辅助运输巷均为锚杆支护巷道，为了使S2106工作面尽早回采，设计采用单轨吊来解决支架的运输问题，因此，为验证悬吊锚杆的施工过程中，对锚杆的锚固力进行了抽检。其中在S2106工作面两巷、南二进风下山各抽检4组锚杆，对S2106辅助运输巷锚杆抽检2组，为保证锚杆不失效及使用要求，根据巷道中采用直径22mm，钢号335号的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，破断载荷为186kN，剪切强度为130 kN，设计锚固力抽检以达到锚杆屈服载荷为127kN为合格，检测结果见表1所示。

表1 锚杆拉拔测试结果

由表1可以看出，锚杆锚固力全部达到了要求，施工质量较好，为高强锚杆悬吊单轨吊轨道使用奠定了基础。

1.2 双强锚杆悬吊结构力学分析

煤矿井下单轨吊在运输过程中，对悬吊点施加的载荷随单轨吊距离悬吊点的远近而变化。也就是说，悬吊点所受的载荷是变化的，属于动载行为。国内不少研究成果认为单轨吊在悬吊点引起的载荷变化可以近似服从正弦变化规律，如图1。则悬吊点所受载荷可以用下面的公式表示:

式中，P为悬吊点所受载荷，kN;P1为悬吊点所承受的轨道重量引起的载荷，kN;P2为悬吊点所承受的由单轨吊及货物所引起的最大载荷，kN。

在（1）式中，当单轨吊运行至该悬吊点正下方时，即α=π/2，这时悬吊点所受载荷最大，即P=P1+P2。当单轨吊远离该悬吊点时，即α=－π/ 2，这时悬吊点所受载荷最小，即P=P1。考虑单轨吊轨道的重量相对于单轨吊机车和货物的总重量比值很小，可以忽略，（1）式可简化为:

图1 单轨吊引起的交变应力特征

式（2）是悬吊点所受动载的计算公式，该载荷应小于悬吊构件所允许的最小载荷［P］，即:

因此，由式（2）和（3）可知，根据余吾煤业井下输送重物要求，预计单轨吊服务期间，承受的最大载荷为液压支架，最大载荷为320kN，就双强锚杆悬吊结构理想工作状态下而言，最大载荷由4个节点承担，每个节点由2根锚杆承担，锚杆与拉链之间的夹角为θ，考虑顶板不平因素，θ一般为15～30°，则每根锚杆承受的垂直拉力最大为40kN，水平拉力最大23kN，结合该条件下围岩锚杆拉拔试验结果和锚杆屈服载荷、剪切强度，双强锚杆悬吊结构能够满足单轨吊悬吊技术要求。

2 锚杆悬吊对巷道变形影响分析

为了研究锚杆悬吊对巷道变形的影响，采用数值模拟软件FLAC，根据S2106回风巷和运输巷围岩条件，建立数值模型，对锚杆分别承受50kN，100kN，150kN和200kN条件下巷道围岩受力和变形进行模拟，图2为锚杆受力150kN下应力分布特征。

根据数值模拟结果可知:

（1）随着锚杆承受载荷的加大，顶板下沉量逐渐增加，悬吊载荷从50kN到150kN时，巷道顶板几乎没有变形，当悬吊载荷为200kN时，顶板下沉量达到最大，总的下沉量约5mm。

（2）垂直应力在锚杆周围形成一个环状拉伸区，在锚杆端部形成应力集中，靠近顶板表面处拉应力最大。在巷道两帮产生应力集中显现，靠近锚杆侧应力集中明显。从图2上可以看出，最大应力值达15×104Pa，应力值较小。

（3）锚杆悬吊结构引起的应力影响范围小，应力值小，不会引起巷道变形，不影响巷道稳定。

图2 巷道围岩垂直应力分布

3 双强锚杆悬吊技术应用

3.1 工程概况

S2106工作面位于南二采区，地面标高931.2～964.8m，工作面标高443.6～485.2m，东侧为S2105工作面，已经回采完毕，西有S2107设计工作面，北面为实体煤，南接南二采区2号回风下山、胶带下山（均已掘）。S2106工作面开采煤层主要为3号煤层，该煤层整体为一单斜构造，赋存比较稳定，东北方向高，西南方向低，煤层局部含0～0.25m泥岩夹矸，钻孔煤层结构显示，煤层厚度为4.83～5.95m，平均厚度为5.35m。结构为4.4（0.25）0.7。由北向南，煤层倾角－8～3°，平均－2°。S2106工作面地质柱状如表2所示。三维地震资料显示，S2106工作面回采区域内不发育落差超过3.5m的断层和直径超过20m的陷落柱，断层附近3号煤层顶底板及煤体可能较为破碎。地应力测试结果显示，最大水平主应力最大为9.15MPa，最小水平主应力为4.97MPa，最小为2.74MPa;垂直主应力最大为11.45MPa，3号煤地应力水平属于低地应力区。

3.2 双高强锚杆悬吊单轨吊方案

针对余吾煤业S2106工作面两巷围岩情况，保证单轨吊悬吊效果，设计采用2根高强锚杆进行单轨吊悬吊。具体方案如下:采用2根φ22mm左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆，钢号为 335号，长2600mm，端部螺纹为M24，螺纹长150mm，配合工字钢小横梁悬吊;采用3支树脂锚固剂锚固，1支K2335和2支Z2360，锚固长度约1500mm;采用11号矿工钢作为小横梁，长度为1000mm，中间700mm间距割2个长孔，配合厚度为10mm的小钢垫板和标准螺母;工字钢构件每隔3m安装1根。双高强锚杆悬吊单轨吊轨道装置如图3所示。

图3 双强锚杆悬吊单轨吊轨道装置

3.3 施工工艺

首先在巷道顶板确定出单轨吊方向和锚杆的位置，采用 φ28mm的钻头，打设孔深为 2400± 30mm;锚杆孔钻好后，为保证锚干锚固效果，向孔中装入3支锚固剂，要充分搅拌，等待直至完全凝固;锚杆打设后，将工字钢小梁套在2根锚杆上，工字钢小梁和顶板之间预留70mm间隙，然后上垫板、螺母，预紧到预定位置;严格控制小梁布置间距，允许误差为±50mm;当巷道顶板严重不平时，可适当改变2根锚杆位置，尽量使2根锚杆的外露部分等长，以利于工字钢小梁的安装;确实无法找到合适的锚杆位置时，打锚索进行悬吊;施工时要确保锚杆安装质量，发现不合格锚杆（特别是搅拌过程中），应立即进行补打，严禁拖到下一班进行补打。

4 应用效果分析

S2106运输巷和回风巷全部采用双高强锚杆悬吊单轨吊轨道技术，为了检验该悬吊结构的合理性，对单轨吊悬吊最重载荷（液压支架）过程中进行检测，并分析单轨吊对工作面支架安装速度的影响。

4.1 技术效果

在单轨吊吊运工作面液压支架时进行测试（液压支架是单轨吊吊运的最重的物体），在正常匀速运行、刹车、启动、起吊和落架时采用GYS－ 300型刚体应变仪对单根锚杆受力进行测试，测试结果见表3。

表3 单轨吊运行中单根锚杆受力状况

从表3中可以看出，单轨吊悬吊支架时，在正常行驶时最大载荷为 32.1kN，静止状态时为31.4kN，刹车时的载荷最大为32.1kN。该测量值为综采工作面的端头支架，其实际重量约为320kN。单轨吊的起吊点为8个，从上表数据分析，其在同一地点悬吊单轨吊的2根锚杆承受最大外力加起来为64.2kN。在进行锚杆悬吊时，考虑到吊链在工字钢小梁最不利的位置（即吊链紧贴着一根锚杆），整个最大重量均集中在一根锚杆上，其最大载荷为64.2kN，而采用高强锚杆屈服载荷为127kN，可见双强锚杆悬吊结构完全满足余吾煤业井下要求。