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技術(shù)文獻(xiàn)

膨脹錨桿支護(hù)機(jī)理及應(yīng)用

發(fā)表時間：2019-05-24 15:35

      為消除該類頂板事故的隱患，很多礦井在大斷面的掘進(jìn)巷道迎頭使用了防片網(wǎng)。同時，為解決矸石耙裝與迎頭安全施工的平行作業(yè)問題，耙矸機(jī)回頭閥子與工作面迎頭向后一定安全距離處，必須安設(shè)隔離網(wǎng)等安全防護(hù)設(shè)施。但是，由于斷面較大，防片網(wǎng)或隔離網(wǎng)自身相對較重，爆破頻率較高，直接造成安全防護(hù)設(shè)施安裝、拆卸與挪移的頻率較高，并直接約束掘進(jìn)工作的正常進(jìn)行，占用了較多工時，浪費(fèi)了大量材料。
　　因礦山安全生產(chǎn)需要，很多地方都會用到臨時或一次性的吊掛起吊，而采用普通錨桿吊掛支護(hù)，施工工序繁雜，由于井下生產(chǎn)的特殊性，點(diǎn)多面廣，量少次數(shù)多，施工的準(zhǔn)備工作量大、需要工具設(shè)備多，費(fèi)工費(fèi)時，通用性差。本文結(jié)合國投新集三礦的具體工程實(shí)例對可重復(fù)使用式膨脹錨桿在巖巷開拓掘進(jìn)工作面的應(yīng)用進(jìn)行研究分析。
　　一、膨脹錨桿支護(hù)控制機(jī)理
　　膨脹錨桿是采用普通左旋加強(qiáng)螺紋鋼，配合厚壁、特定外徑的鋼管、錐頭及其它附件組成（見附圖--1），具體分為主、副桿體、錐頭、托板、緊固螺栓。主桿體一端與錐頭固定，另一端為螺紋緊固端；副桿體為一端具有鋼條片的鋼管。
　　其使用原理：主桿體插入副桿體內(nèi)，通過緊固螺栓的作用，主桿體帶動錐頭進(jìn)入副桿體鋼條片內(nèi)，造成副桿體膨脹而達(dá)到加固目的；需要卸除時，推出螺帽，沖擊主桿體，使其相對副桿體外出一定距離，錐頭完全推出鋼條片之外，拉動副桿體并帶動主桿體，即可整體取出。
　　從支護(hù)方式該錨桿屬于端錨支護(hù)，采用螺栓緊固拉動作用，造成副桿體尾部膨脹，膨脹區(qū)段與巖石鉆孔內(nèi)壁之間形成過盈配合，根據(jù)鉆孔內(nèi)壁巖石物理力學(xué)性能的不同，一定扭矩下，膨脹系數(shù)不同，過盈配合公差不同。巖石硬度越小，公差值越小，反之亦然。端部非膨脹區(qū)至巖石鉆孔口處，副桿體與巖石鉆孔為間隙配合，配合公差原則上不得小于3mm，以便于不使用時取出整套錨桿件。但是由于巖石性質(zhì)的不同，當(dāng)遇到軟巖或巖層發(fā)育、破碎時，該段間隙配合的公差可能因圍巖應(yīng)力作用而變小，甚至為零，會發(fā)生少量膨脹錨桿不易取出的現(xiàn)象。但是副桿體采用外表面鍍鋅或不銹鋼材料，并保持光滑，并在外端口設(shè)專用拉鉤，即可完全取出。該型膨脹錨桿安裝工藝簡單，回收便捷，通用性好，整套錨桿件可同時回收復(fù)用，從根本上達(dá)到節(jié)省錨桿、錨固劑等材料，達(dá)到降低成本的目的，改善了臨時支護(hù)工藝的操作流程。
　　支護(hù)參數(shù)的確定
　　1、理論依據(jù)
　　錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的主要理論依據(jù)是錨桿的擠壓組合拱理論。錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)可以把圍巖松動圈以內(nèi)的巖體通過擠壓而組合成拱，在圍巖應(yīng)力的作用下產(chǎn)生整體塑性變形，釋放一部分原始應(yīng)力，最后形成穩(wěn)定的擠壓組合拱，把被動支護(hù)變?yōu)橹鲃又ёo(hù)。
　　錨桿間排距
　　    按組合拱理論，錨桿的長度和間排距與組合拱厚度之間的關(guān)系符合下式，即b=(Ltgα-a)/tgα式中：b為組合拱厚度，m；L為錨桿有效長度，m；α為錨桿在松散巖體中的控制角，(°)；a為錨桿的間排距，m。
　　錨桿的控制角一般按45°計算，這樣對松散體比較安全，因此，上式可簡化為b=L-a；通過對煤層松動圈測試，確定12號煤層組合拱厚度不小于1.2m比較安全，則a=L-b=2-1.2=0.8m,取a=0.6m。
　　 3、超前支護(hù)
　　   從工作面巷頂距煤層垂距2m起，每次向前掘進(jìn)之前，都要首先進(jìn)行超前支護(hù)。超前支護(hù)在工作面巷頂以25～30°仰角打1排縫管錨桿，錨桿間距350～400mm，超前控制頂板不少于1.3m，超前支護(hù)錨桿不少于5根，正頂1根，左右各不少于2根
　　 4、見煤前2m巖石段施工
　　 為防止煤層暴露時由于應(yīng)力集中而冒頂，采用淺打眼、放小炮方法以減少震動破壞。打眼掘進(jìn)深度不超過1.2m，掏槽眼設(shè)在工作面下部。首先對巷道下部進(jìn)行爆破，之后對兩幫打錨桿進(jìn)行控制，接著對上半部淺打眼爆破，這樣可保持巷頂圍巖的完整性。離煤不夠500mm左右的巖石采用風(fēng)鎬刷下。頂煤掘出后及時打臨時支護(hù)錨桿，然后進(jìn)行錨網(wǎng)噴漿永久支護(hù)。掘進(jìn)一炮支護(hù)一炮。
　　煤層段施工
　　從工作面見煤后開始，向前施工時，為了及時控制巷道頂板，保證施工安全，采用上、下分層的施工方法，先施工上分層，從工作面上半部中間開始掘進(jìn)，掘深不超過1.2m，邊掘邊打臨時支護(hù)錨桿。巷頂荒斷面弧線長1.6m左右時，及時掛網(wǎng)打錨桿，由中間向兩側(cè)交替進(jìn)行。上分層掛網(wǎng)打錨桿完畢后，及時噴漿，然后再向前施工上層。上層施工超過下半部兩茬時再施工下分層。見煤初期工作面下半部巖石部分可打眼放炮掘進(jìn)。下層掘進(jìn)時先掘一側(cè)，掘1.2m左右時打錨桿掛網(wǎng)，再掘另一側(cè)。兩側(cè)掘進(jìn)夠1.2m時，進(jìn)行一次噴漿，完成一次永久支護(hù)。上、下層始終保持有1m左右寬的正臺階，以便于施工人員施工。
　　6、見頂板后施工
　　    見12號煤層頂板后，不再打超前支護(hù)的縫管錨桿。由于煤層頂板巖層較穩(wěn)定，巖石部分采用放炮方法施工，工作面下半部的煤層部分仍采用風(fēng)鎬掘進(jìn)。上部爆破后打好臨時支護(hù)錨桿，然后掘下部，掘1.2m時，及時進(jìn)行錨網(wǎng)噴漿永久支護(hù)。
　　三、巷道地質(zhì)條件
　　 試用巷道為-260m～-600m總回風(fēng)巷和-600m配風(fēng)巷。-260m～-600m總回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中，進(jìn)行試用區(qū)段巷道的的主要地質(zhì)情況為：灰～灰黑色中間夾有細(xì)砂巖條帶的砂質(zhì)泥巖；銀灰色、含有紫紅色小花斑的花斑泥巖；灰～灰黑色、中間夾有細(xì)砂巖條帶的砂質(zhì)泥巖；
　　-600m配風(fēng)巷在使用時，該段巷道巖性分別為：砂質(zhì)泥巖，灰～深灰色，薄層狀，致密，性脆，斷口平整；細(xì)砂巖，灰白色，中厚層狀，致密、堅硬，斷口平整；砂質(zhì)泥巖，灰～灰白色，厚層狀，致密，堅硬，斷口平整。
　　四、巖巷開拓掘進(jìn)工作面支護(hù)形式及使用情況分析
　　-260m～-600m總回風(fēng)巷圍巖巖層發(fā)育，局部泥巖遇水迅速軟化，圍巖壓力明顯，支護(hù)形式為U型棚并噴漿，斷面12.2㎡；-600m配風(fēng)巷，圍巖穩(wěn)定，巖性狀況良好，支護(hù)形式為錨噴支護(hù)，斷面12.2㎡；
　　原掛防片網(wǎng)臨時支護(hù)均為樹脂錨桿，規(guī)格:?20mm×2000mm左旋螺紋錨桿，錨固劑為Z2850快速樹脂藥卷，每孔使用量為2支。懸掛防片網(wǎng)使用4組。
　　試用的可重復(fù)使用式膨脹錨桿規(guī)格，副桿體長1m，外徑34mm，主桿體長1.2m，直徑20mm。錐頭最大直徑40mm。入孔深度不小于0.9m。
　　--600m配風(fēng)巷圍巖穩(wěn)定，鉆孔完整性良好，抗拔力平均在10t以上，盡管對該膨脹錨桿做最大負(fù)荷的拉力試驗(yàn)，同一根錨桿在多個眼孔內(nèi)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，最大時測試?yán)?3.25t，螺栓卸除沒有明顯變化，取出后，整體構(gòu)件完好無損，在多次試驗(yàn)及其他多次復(fù)用的膨脹錨桿，安裝、拆卸均很簡捷，但是如果噴漿等未對螺紋進(jìn)行保護(hù)時，卸除時相對會困難些，必須進(jìn)行及時清理方可卸除再次復(fù)用。遇到類似問題尤其是主桿體隨螺絲帽一起轉(zhuǎn)動時，通過增加一個扳手在外露端部對主桿體錨桿進(jìn)行固定后，即可正常卸除。為確保使用簡捷的目的，螺紋在非安裝或拆卸時應(yīng)采取套軟管等方式進(jìn)行保護(hù)。該工作面試用的膨脹錨桿安裝使用簡捷，復(fù)用率高，使用約45天，未出現(xiàn)損毀現(xiàn)象。-260m～-600m總回風(fēng)巷試用時，部分膨脹錨桿不能順利從鉆孔內(nèi)取出，對錐頭最大直徑進(jìn)行縮小處理后得以解決，由于迎頭巖性破碎、松散等原因，支護(hù)時采取增大扭矩的辦法，抗拔力均達(dá)到9t以上，且能正常安裝和完全卸除復(fù)用。
　　五、結(jié)論
　　綜合目前國內(nèi)通用的各種支護(hù)錨桿分析其優(yōu)勢如下：
　　在施工工藝上，巖石鉆孔按照一定尺寸鉆好后，在端部非膨脹的狀況下，輕輕推入鉆孔內(nèi)適當(dāng)位置，采用扳手直接擰緊達(dá)到80N﹒m即可，對鉆孔的質(zhì)量要求不高，只要能夠?qū)㈠^桿推入孔內(nèi)即可。安裝工藝相對目前應(yīng)用極為廣泛的樹脂錨桿，大幅簡化，大部分必要的風(fēng)動工具準(zhǔn)備工作均得以取消，降低勞動強(qiáng)度；相對其它端錨錨桿如新型機(jī)械式可回收端錨錨桿等對眼孔質(zhì)量要求很低，且不需要特殊的專用推拉機(jī)械。
　　從成本管理上，該錨桿因除端部膨脹外，其余全程等徑，鉆孔與鋼管外壁空隙大小不影響錨固件的取出，回收操作簡捷，解決了錨桿回收只限于理論的局限性，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了成功的推廣和應(yīng)用。
　　巖性普氏硬度系數(shù)大于2時，取出非常方便，當(dāng)遇到軟巖和煤體內(nèi)時，采用小錐頭加強(qiáng)型，仍可滿足正常需要。可重復(fù)使用式膨脹錨桿的成功運(yùn)用，為臨時支護(hù)吊掛或短期錨桿支護(hù)巷道提供了參考和借鑒，為解決短暫、頻繁性、高抗拔力吊掛工作提供了一個良好的解決方式。

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