高应力煤层破碎条件下支护钢带的优化研究

王金鑫

(1.太原理工大学 矿业工程学院， 山西 太原 030024； 2.大同煤矿集团 云冈矿， 山西 大同 037017)



·试验研究·

高应力煤层破碎条件下支护钢带的优化研究

王金鑫

(1.太原理工大学 矿业工程学院， 山西 太原 030024； 2.大同煤矿集团 云冈矿， 山西 大同 037017)

基于高应力煤层破碎条件下巷道支护材料的优化问题，针对支护中钢带的作用机理及参数选型等方面进行优化分析，并对不同类型钢带所能提供的载荷参数进行比较，通过现场实践得出适应高应力煤层破碎条件下的JW高强度钢带。实践表明：该类型钢带的应用无论从经济上还是安全上均取得了较好的效果，为今后类似条件下巷道支护材料参数的优化积累了实践经验，有较好的应用价值，值得积极推广和完善发展。

高应力煤层；破碎围岩；JW钢带；联合支护

1 选题背景

石炭系特厚煤层巷道的原有支护在采动的影响下经常会破坏失效，严重情况下会造成工作面的漏顶。对支护破坏的现场进行勘察分析，破坏形式为锚索梁的结构失效。由此可见，该条件下矩形巷道的锚索支护存在一定的不适应性，同时现场生产中利用U型特殊钢或其他刚性金属支架代替锚索梁结构中的11#工字钢，但效果甚微。因此，通过改进支护材料改善矩形巷道围岩的承载能力，找出适合该条件下的锚索梁支护结构的相关参数是保证塔山矿高产高效生产的关键措施。

2 钢带的受力分析及参数研究

2.1 钢带的受力分析

“锚杆-金属网-钢带”联合支护中一个极其重要的部分即为钢带，一方面能够保护围岩表面，另一方面也能够承受一定的载荷。因此，钢带除应有一定的宽度以达到保证表面支护的作用，还应有抗弯刚度与承载能力来维护锚杆支护中的破碎岩石。

为了更好地维护破碎围岩，钢带的承载能力需要能够保证承受失效支护下的破碎岩体的重量。经研究可知，失效支护空间大小的影响因素为：

W=Lj×Lp×b×γ

式中：

W—无支护空间岩石重量，t；

Lj—锚杆间距，m；

Lp—锚杆排距，m；

b—无效支护高度，m；

γ—岩石容重，kN/m3.

随着锚杆(索)间排距的增大，对钢带的强度以及刚度的要求也随之增高。

无效支护空间的高度、围岩的强度、锚杆间排距、锚杆支护形式这几者之间均有着紧密的联系。无效支护空间的高度可以由下列公式估算：

b=L/(2×f)

式中：

b—无效支护空间的高度，m；

L—间排距，mm；

f—普氏系数。

通过对巷道掘进和使用特点的研究分析可知，无效支护空间高度不是一个静态的参数，这个参数会随着采动引起的一次动压、二次动压的变化过程而逐渐变大。所以，支护中钢带的受力过程也是一个动态的过程，这个特点在设计选择钢带时应考虑在内。

2.2 钢带的受力计算

锚索钢带：

根据塔山矿的具体条件，锚杆间排距为2 000 mm，煤层综合普氏系数为4. 在掘进期间钢带所需承受围岩重量高度为：

b=L/(2×f)=2000/(2×4)=250 mm

作用在锚索钢带的重量为：

W=1×1×0.25×2.5=0.625 t

受一次和二次动压后，普氏系数将降低，估算降低一倍，动压后的钢带所需承受围岩重量高度为：

b=L/(2×f)=2000/(2×2)=500 mm

作用在锚索钢带的重量为:

W=1×1×0.5×2.5=1.25 t

很明显，W钢带很难满足锚索钢带的强度要求。目前，使用U型钢和工字钢强度大大超过了使用要求，但和顶板的接触面积太小。

2.3 钢带的相关参数

一般情况下，矿方使用的W钢带，在破碎条件下，将锚杆变为锚索后，原套锚杆的W钢带性能满足不了支护要求。现将W钢带、平钢带、11#工字钢以及25#工字钢等支护材料的技术性能进行对比，见表1：

表1 支护材料技术性能对比表

通过表1可以看出：

平钢带承载能力只有94 kg，但支护面积达到295×103mm2.

W钢带在使用同样材料的基础上，支护面积略有减少，但其支撑能力增加到633 kg.

11 号工字钢承载能力达到31 188 kg,但其支撑面积只有90×103mm2. 在实际应用中，锚索孔要通过腰带，破坏了其强度。在有些高压力下，会从锚杆孔折断。

U型钢承载能力达到22 521 kg. 但其和围岩接触面积只有34×103mm2，很容易压入顶板。有些时候会有翻转现象。

3 钢带型号的确定

根据钢带的基本设计原则：承载力和支护面积。同时考虑到经济，重量轻，方便施工的要求，选用JW高强型锚索钢带，这种钢带的具体参数：

厚度：6 mm

米重：18 kg

每米护顶面积 250×103mm2

抗弯截面模量：8 781

最大承载能力(2 000 mm间排距)1 575 kg.

钢带结构示意图见图1.

图1 JW钢带示意图

通过查阅相关资料，得知J钢带形式的钢带相关参数，见表2.

表2 J钢带相关参数表

表2中钢材强度为335，括号中钢材强度为450. 为了同等条件下比较，表中承载能力计算是在1 000 mm间排距的条件下。

从表2可以看到，JW6可以同时取得高承载力和大的支护面积。

4 工程实践

未使用JW钢带前，巷道支护受静压、动压影响，稳定性较差。当通过地质构造带时，巷道围岩破碎较为严重，其松动圈也较大，这时原有的锚杆不能锚固到稳定的煤(岩)层内，现场施工过程中，为了提高支护效果，将锚杆更换为锚索，虽然锚固到稳定煤层中，但由于钢带的承载能力不够，在高应力作用下，经常会被撕裂，最终失去护表效果。巷道围岩破碎段W钢带+锚索支护效果见图2.

图2 巷道围岩破碎段W钢带+锚索支护效果图

现场实践表明，当采用锚索梁支架时，锚索梁结构支护的主要目的是为了扩大锚索预应力的支护范围，从支护效果看，索梁结构的预应力扩散效果比较好，但是存在以下问题：在顶板破碎不平整段，或者在遇到地质构造围岩破碎时，钢梁接顶效果不好，受力弯曲变形明显，而且锚索受力不均。

选用JW钢带的巷道，钢带的强度增强，支护后不易发生变形，从而提高了巷道围岩的稳定性。巷道JW钢带+锚索支护效果见图3.

5 结 论

1) 原有11#工字钢替换为JW钢带支护巷道后，与锚索联合支护的失效率明显降低，有效地提高了巷道的顶板支护质量，降低了巷道后期采动过程中的维护难度。

图3 巷道JW钢带+锚索支护效果图

2) JW锚索钢带的使用不仅降低了掘进巷道的支护成本，而且减少了巷道回采期间的维护费用，每年可节约支护费用70余万元。

3) JW锚索钢带的使用大大减轻了工人的劳动强度，支护效率提高，提高了单进水平。

4) 巷道围岩破碎较为严重且应力较高的条件下，若将顶板支护的形式调整为JW钢带与锚杆(索)的联合支护，不仅可以控制巷道的整体变形，而且支护体系中钢带撕裂损坏的现象也明显减少。

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Study on Optimization of Supporting Steel Belt under the Condition of Broken High Stress Coal Seam

WANG Jinxin

Based on the optimization of roadway supporting material under the condition of broken high stress coal seam, the optimization of steel belt mechanism and parameter selection are carried out, and the load parameters available for different types of metal belt are compared. Onsite experiment verifies the JW high-strength steel belt which adapted the conditions of broken high-stress coal seam. Practice shows that the application of the type of steel belt has achieved good results both economically and safely, and has accumulated practical experience for the optimization of parameters of roadway supporting material under similar conditions in the future, and is worthy of actively promoting for future improvement and development.

High stress coal seam; Broken surrounding rock; JW steel belt; Combined support

2016-06-13

王金鑫(1985—)，男，山西大同人，2013年太原理工大学在读硕士研究生，工程师，主要从事煤矿安全管理工作(E-mail)wangjinxin198@163.com

TD353

A

1672-0652(2016)08-0035-03