掘进巷道支护的优化改进
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作者: 白玉明 朱朝海
摘 要:安林煤业有限公司巷道断层多,地质构造复杂,支护困难,返修率高,为解决以上问题,经过研究,除采取变更支护工艺外,还在优化支护上进行科研,以此来达到加固围岩、降低失修率的作用。
关键词:掘进 支护 优化
中图分类号:TD82 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(b)-0061-01
我公司所采煤层为二迭纪山西组二1煤层,煤层为三软煤层。巷道掘进直接顶板以砂质泥岩为主,厚度0.71m～12.60m,平均5.06m,煤种属于贫煤无烟煤,由于受井下地质构造带影响,巷道岩性变化大,局部出现断层且复杂,返修率高,为解决以上问题并达到质量标准化和施工现场要求,经过研究,除采取变更支护工艺外,还在优化支护上进行科研,以此来达到加固围岩、降低失修率的作用。
卡缆是U型钢支架的连接件,其结构和力学性能决定着支架工作阻力的大小、型钢的滑移难易程度、支架变形损坏情况以及支架的复用率等重要问题。国内目前使用效果比较好的是双槽夹板式卡缆,但由于材料质量较差和加工质量不高,卡缆的工作阻力仍然不高。在U型钢棚式支护中,型钢连接处一直是易变形易损坏的薄弱点。
U型钢支架采用双槽夹板式卡缆作为连接件,每个搭接处采用三付卡缆,分别布置在搭接处的两端及中间位置。卡缆材质为普通钢材且成型后未经任何热处理。采用了此U型钢进行棚式支护后,在围岩压力作用下巷道很快就发生了严重变形,且变形均先发生在型钢的连接处。很明显这现象表明现有卡缆的工作阻力不足影响了支架工作阻力的发挥,导致了巷道的失稳。
1 型钢连接处破坏分析
1.1 型钢连接处的破坏形式
通过在井下仔细观察,发现型钢连接处有如下几类破坏特征。
(1)由于顶部压力大,顶梁向下滑移过程中促使下部卡缆螺杆拉断,顶梁与棚腿之间出现张嘴叉开。
(2)顶梁和柱体发生相对滑移,顶梁与柱体接触处下部张嘴叉开后推动下部卡缆向上滑移。
(3)两个卡缆滑到一起后,棚腿上端上卡缆以上部位局部承载,由于应力集中使棚腿上端裂开。
1.2 破坏原因分析
当连接件锁紧以后,可缩性支架节间连接段的型钢受到压紧,产生预紧力。若要推动支架节间连接部分滑动,必须克服连接部分型钢与型钢之间、型钢与连接件之间的摩擦阻力。当巷道围岩的变形使支架承受的载荷增加时,支架内力随之增加。支架内力中的轴力推动支架节间连接段型钢的滑动,而弯矩则阻止其滑动。故支架型钢连接处的变形和破坏是型钢与型钢之间和型钢与连接件之间的摩擦阻力、支架承载后型钢所受的轴力以及由弯矩造成的弯曲应力这三种力作用的结果。
1.3 摩擦阻力小
支架承载后,型钢内的轴力使型钢发生相对滑动,而同时型钢与型钢之间、型钢与卡缆之间的摩擦阻力又阻止相对滑动。这样,只要轴力达到这个很小值型钢就会滑移,支架不能提供足够的支护阻力,高阻可缩支架变成了低阻滑移支架。上述型钢连接处的破坏形式就是由于支架还未提供足够的支护阻力搭接的两型钢就发生了较大的相对滑移导致了最后严重的破坏。
1.4 抗弯能力差
如所示,以下U型钢受力为例,连接处受力矩M作用后,对下卡缆中心有力矩平衡:M=F1×d1-F2×d2(F1:上U型钢的支撑力。F2:中间卡缆的拉力。d1:近似等于搭接长度。d2:中卡缆与下卡缆的距离)。由此可知,在承受一定大小的力矩时,中、下卡缆的距离增大会增加两搭接型钢在上卡缆处的作用力。型钢连接处的破坏形式正是因为中、下卡缆距离长增加了型钢在上卡缆处的作用力,再加上连接处受型钢滑动影响结构发生了改变在此处形成了应力集中,所以造成了型钢在此处的破坏。
1.5 卡缆强度低
卡缆强度低,首先,卡缆安装后不能给型钢提供足够的预紧力,这样型钢连接处摩擦阻力小,支架发生低阻滑移。其次,卡缆在型钢滑移的时后很容易拉断,如上述连接处的第一种破坏形式。再有,支架承载后,卡缆不能提供足够的力来平衡弯矩,造成连接处型钢张嘴叉。
2 改进方法
通过以上破坏原因分析可知,要提高型钢连接处的承载能力主要是提高卡缆的性能。具体应对卡缆进行如下几个方面的改进。
(1)提高卡缆强度。首先,可以改善上、下槽板的材质,增加其刚度。其次,应对槽板和螺丝进行热处理。对卡缆螺丝和槽板进行热处理后,在拧紧力矩达到400N·m的条件下,螺丝和槽板均未发生塑性变形。
(2)改善卡缆结构。一方面,适当增加卡缆宽度,这样可以增加卡缆与型钢的接触面积,提高摩擦阻力。另一方面,在上、下卡缆上分别设置上、下限位块。
(3)合理的安装卡缆。首先,应注意将上、下卡缆分别安装在搭接处的两端,将中间卡缆尽量靠近下卡缆安装。其次,安装卡缆时要给卡缆足够的预紧力,一般要求拧紧力矩大于300N·m,最好采用气动扳手拧紧。
3 应用实例
针对型钢连接处的破坏形式,对连接处进行了改进。U型钢支架型钢连接处采用3付卡缆,2付双槽夹板限位卡缆,一付普通夹板卡缆。上、下限位卡缆分别布置在型钢连接处的上、下端部位置,限位块抵住型钢端部；普通卡缆靠近下部卡缆布置。卡缆安装后,要求预紧力矩不小于300N·m。
应用此连接方式后,型钢连接处再没有发生上述破坏现象,显著提高了支架的支护阻力,实现了U型钢支架的高阻可缩性能。
建议在地面加工U29型钢支架棚时,由此可以断定U29型钢支架棚经过棚腿焊帮可增加至少85%的棚腿支撑力,如此改良棚腿法,可减少U29型钢支架棚弯曲损坏率约85%,仅此改进可每年节约巷修成本,同时也较好地确保了巷道安全性和巷护的相对稳定性。
4 结语
本文通过对U型钢支架型钢连接处的破坏原因分析,得出了以下结论。
(1)型钢的滑动摩擦阻力小、连接处抗弯能力差、卡缆强度低是连接处破坏的主要原因。
(2)要提高连接处的承载能力可以从提高卡缆强度、改善卡缆结构、确定卡缆合理的安装位置三方面入手。
(3)实践证明采用改进后的型钢连接方式可以提高型钢连接处的强度,充分发挥支架的支护能力。
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