竇孟華

（山西潞安礦業(yè) （集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西長(zhǎng)治 046204）

雙高強(qiáng)錨桿懸吊單軌吊技術(shù)及應(yīng)用

竇孟華

（山西潞安礦業(yè) （集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西長(zhǎng)治 046204）

為了解決高應(yīng)力破碎圍巖條件下單軌吊懸吊問(wèn)題，針對(duì)具體的應(yīng)用環(huán)境，進(jìn)行圍巖錨固性試驗(yàn)，探討了懸吊結(jié)構(gòu)中錨桿受力狀況，分析了錨桿懸吊技術(shù)的可行性，借助有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算程序FLAC，模擬研究了懸吊載荷對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布和變形影響。結(jié)果表明，懸吊結(jié)構(gòu)對(duì)巷道變形和穩(wěn)定影響極小;根據(jù)S2106工作面兩巷頂板條件，設(shè)計(jì)采用雙高強(qiáng)錨桿進(jìn)行單軌吊懸吊，將懸吊結(jié)構(gòu)安裝在井下巷道中，通過(guò)運(yùn)輸液壓支架檢驗(yàn)其合理性和可靠性，結(jié)果表明該技術(shù)可使工作面支架安裝速度提高50%。

單軌吊;雙高強(qiáng)錨桿;數(shù)值模擬;懸吊結(jié)構(gòu)

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

近兩年來(lái)，潞安礦區(qū)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展十分迅速，取得多項(xiàng)突破性進(jìn)展。解決了綜采開(kāi)采中遇到的巷道支護(hù)難題［1－3］，顯著擴(kuò)大了錨桿支護(hù)使用范圍和使用量，取得巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，使潞安礦區(qū)巷道支護(hù)技術(shù)水平上了一個(gè)新臺(tái)階。余吾煤業(yè)近兩年完成了多條示范巷道支護(hù)工程，特別是在綜采放頂煤工作面沿煤層底板掘進(jìn)的煤頂巷道中第1次采用單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)，由于頂板松軟、破碎，對(duì)單軌吊軌道懸吊帶來(lái)很大困難。盡管潞安礦區(qū)的漳村煤礦、常村煤礦采用過(guò)單軌吊［4－7］，但余吾煤業(yè)由于煤體松軟、破碎，因此，與其他煤礦的懸吊方式差別很大，沒(méi)有較多的經(jīng)驗(yàn)可借鑒。為了有效解決單軌吊軌道和起重懸吊問(wèn)題，提高其安全程度，有利于快速運(yùn)輸和設(shè)備安撤，有必要對(duì)單軌吊和起重懸吊技術(shù)進(jìn)行全面、系統(tǒng)的研究，開(kāi)發(fā)出適合余吾煤業(yè)條件和設(shè)備的懸吊方式。

1 錨桿懸吊單軌吊可行性分析

1.1 圍巖錨固性能分析

在S2106工作面兩巷、南二進(jìn)風(fēng)下山和S2106輔助運(yùn)輸巷均為錨桿支護(hù)巷道，為了使S2106工作面盡早回采，設(shè)計(jì)采用單軌吊來(lái)解決支架的運(yùn)輸問(wèn)題，因此，為驗(yàn)證懸吊錨桿的施工過(guò)程中，對(duì)錨桿的錨固力進(jìn)行了抽檢。其中在S2106工作面兩巷、南二進(jìn)風(fēng)下山各抽檢4組錨桿，對(duì)S2106輔助運(yùn)輸巷錨桿抽檢2組，為保證錨桿不失效及使用要求，根據(jù)巷道中采用直徑22mm，鋼號(hào)335號(hào)的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，破斷載荷為186kN，剪切強(qiáng)度為130 kN，設(shè)計(jì)錨固力抽檢以達(dá)到錨桿屈服載荷為127kN為合格，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1所示。

表1 錨桿拉拔測(cè)試結(jié)果

由表1可以看出，錨桿錨固力全部達(dá)到了要求，施工質(zhì)量較好，為高強(qiáng)錨桿懸吊單軌吊軌道使用奠定了基礎(chǔ)。

1.2 雙強(qiáng)錨桿懸吊結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

煤礦井下單軌吊在運(yùn)輸過(guò)程中，對(duì)懸吊點(diǎn)施加的載荷隨單軌吊距離懸吊點(diǎn)的遠(yuǎn)近而變化。也就是說(shuō)，懸吊點(diǎn)所受的載荷是變化的，屬于動(dòng)載行為。國(guó)內(nèi)不少研究成果認(rèn)為單軌吊在懸吊點(diǎn)引起的載荷變化可以近似服從正弦變化規(guī)律，如圖1。則懸吊點(diǎn)所受載荷可以用下面的公式表示:

式中，P為懸吊點(diǎn)所受載荷，kN;P1為懸吊點(diǎn)所承受的軌道重量引起的載荷，kN;P2為懸吊點(diǎn)所承受的由單軌吊及貨物所引起的最大載荷，kN。

在 （1）式中，當(dāng)單軌吊運(yùn)行至該懸吊點(diǎn)正下方時(shí)，即α=π/2，這時(shí)懸吊點(diǎn)所受載荷最大，即P=P1+P2。當(dāng)單軌吊遠(yuǎn)離該懸吊點(diǎn)時(shí)，即α=－π/ 2，這時(shí)懸吊點(diǎn)所受載荷最小，即P=P1?？紤]單軌吊軌道的重量相對(duì)于單軌吊機(jī)車(chē)和貨物的總重量比值很小，可以忽略，（1）式可簡(jiǎn)化為:

圖1 單軌吊引起的交變應(yīng)力特征

式 （2）是懸吊點(diǎn)所受動(dòng)載的計(jì)算公式，該載荷應(yīng)小于懸吊構(gòu)件所允許的最小載荷［P］，即:

因此，由式（2）和（3）可知，根據(jù)余吾煤業(yè)井下輸送重物要求，預(yù)計(jì)單軌吊服務(wù)期間，承受的最大載荷為液壓支架，最大載荷為320kN，就雙強(qiáng)錨桿懸吊結(jié)構(gòu)理想工作狀態(tài)下而言，最大載荷由4個(gè)節(jié)點(diǎn)承擔(dān)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由2根錨桿承擔(dān)，錨桿與拉鏈之間的夾角為θ，考慮頂板不平因素，θ一般為15～30°，則每根錨桿承受的垂直拉力最大為40kN，水平拉力最大23kN，結(jié)合該條件下圍巖錨桿拉拔試驗(yàn)結(jié)果和錨桿屈服載荷、剪切強(qiáng)度，雙強(qiáng)錨桿懸吊結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足單軌吊懸吊技術(shù)要求。

2 錨桿懸吊對(duì)巷道變形影響分析

為了研究錨桿懸吊對(duì)巷道變形的影響，采用數(shù)值模擬軟件FLAC，根據(jù)S2106回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷圍巖條件，建立數(shù)值模型，對(duì)錨桿分別承受50kN，100kN，150kN和200kN條件下巷道圍巖受力和變形進(jìn)行模擬，圖2為錨桿受力150kN下應(yīng)力分布特征。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知:

（1）隨著錨桿承受載荷的加大，頂板下沉量逐漸增加，懸吊載荷從50kN到150kN時(shí)，巷道頂板幾乎沒(méi)有變形，當(dāng)懸吊載荷為200kN時(shí)，頂板下沉量達(dá)到最大，總的下沉量約5mm。

（2）垂直應(yīng)力在錨桿周?chē)纬梢粋€(gè)環(huán)狀拉伸區(qū)，在錨桿端部形成應(yīng)力集中，靠近頂板表面處拉應(yīng)力最大。在巷道兩幫產(chǎn)生應(yīng)力集中顯現(xiàn)，靠近錨桿側(cè)應(yīng)力集中明顯。從圖2上可以看出，最大應(yīng)力值達(dá)15×104Pa，應(yīng)力值較小。

（3）錨桿懸吊結(jié)構(gòu)引起的應(yīng)力影響范圍小，應(yīng)力值小，不會(huì)引起巷道變形，不影響巷道穩(wěn)定。

圖2 巷道圍巖垂直應(yīng)力分布

3 雙強(qiáng)錨桿懸吊技術(shù)應(yīng)用

3.1 工程概況

S2106工作面位于南二采區(qū)，地面標(biāo)高931.2～964.8m，工作面標(biāo)高443.6～485.2m，東側(cè)為S2105工作面，已經(jīng)回采完畢，西有S2107設(shè)計(jì)工作面，北面為實(shí)體煤，南接南二采區(qū)2號(hào)回風(fēng)下山、膠帶下山 （均已掘）。S2106工作面開(kāi)采煤層主要為3號(hào)煤層，該煤層整體為一單斜構(gòu)造，賦存比較穩(wěn)定，東北方向高，西南方向低，煤層局部含0～0.25m泥巖夾矸，鉆孔煤層結(jié)構(gòu)顯示，煤層厚度為4.83～5.95m，平均厚度為5.35m。結(jié)構(gòu)為4.4（0.25）0.7。由北向南，煤層傾角－8～3°，平均－2°。S2106工作面地質(zhì)柱狀如表2所示。三維地震資料顯示，S2106工作面回采區(qū)域內(nèi)不發(fā)育落差超過(guò)3.5m的斷層和直徑超過(guò)20m的陷落柱，斷層附近3號(hào)煤層頂?shù)装寮懊后w可能較為破碎。地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示，最大水平主應(yīng)力最大為9.15MPa，最小水平主應(yīng)力為4.97MPa，最小為2.74MPa;垂直主應(yīng)力最大為11.45MPa，3號(hào)煤地應(yīng)力水平屬于低地應(yīng)力區(qū)。

3.2 雙高強(qiáng)錨桿懸吊單軌吊方案

針對(duì)余吾煤業(yè)S2106工作面兩巷圍巖情況，保證單軌吊懸吊效果，設(shè)計(jì)采用2根高強(qiáng)錨桿進(jìn)行單軌吊懸吊。具體方案如下:采用2根φ22mm左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，鋼號(hào)為 335號(hào)，長(zhǎng)2600mm，端部螺紋為M24，螺紋長(zhǎng)150mm，配合工字鋼小橫梁懸吊;采用3支樹(shù)脂錨固劑錨固，1支K2335和2支Z2360，錨固長(zhǎng)度約1500mm;采用11號(hào)礦工鋼作為小橫梁，長(zhǎng)度為1000mm，中間700mm間距割2個(gè)長(zhǎng)孔，配合厚度為10mm的小鋼墊板和標(biāo)準(zhǔn)螺母;工字鋼構(gòu)件每隔3m安裝1根。雙高強(qiáng)錨桿懸吊單軌吊軌道裝置如圖3所示。

圖3 雙強(qiáng)錨桿懸吊單軌吊軌道裝置

3.3 施工工藝

首先在巷道頂板確定出單軌吊方向和錨桿的位置，采用 φ28mm的鉆頭，打設(shè)孔深為 2400± 30mm;錨桿孔鉆好后，為保證錨干錨固效果，向孔中裝入3支錨固劑，要充分?jǐn)嚢?，等待直至完全凝?錨桿打設(shè)后，將工字鋼小梁套在2根錨桿上，工字鋼小梁和頂板之間預(yù)留70mm間隙，然后上墊板、螺母，預(yù)緊到預(yù)定位置;嚴(yán)格控制小梁布置間距，允許誤差為±50mm;當(dāng)巷道頂板嚴(yán)重不平時(shí)，可適當(dāng)改變2根錨桿位置，盡量使2根錨桿的外露部分等長(zhǎng)，以利于工字鋼小梁的安裝;確實(shí)無(wú)法找到合適的錨桿位置時(shí)，打錨索進(jìn)行懸吊;施工時(shí)要確保錨桿安裝質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)不合格錨桿 （特別是攪拌過(guò)程中），應(yīng)立即進(jìn)行補(bǔ)打，嚴(yán)禁拖到下一班進(jìn)行補(bǔ)打。

4 應(yīng)用效果分析

S2106運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷全部采用雙高強(qiáng)錨桿懸吊單軌吊軌道技術(shù)，為了檢驗(yàn)該懸吊結(jié)構(gòu)的合理性，對(duì)單軌吊懸吊最重載荷 （液壓支架）過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)，并分析單軌吊對(duì)工作面支架安裝速度的影響。

4.1 技術(shù)效果

在單軌吊吊運(yùn)工作面液壓支架時(shí)進(jìn)行測(cè)試（液壓支架是單軌吊吊運(yùn)的最重的物體），在正常勻速運(yùn)行、剎車(chē)、啟動(dòng)、起吊和落架時(shí)采用GYS－ 300型剛體應(yīng)變儀對(duì)單根錨桿受力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 單軌吊運(yùn)行中單根錨桿受力狀況

從表3中可以看出，單軌吊懸吊支架時(shí)，在正常行駛時(shí)最大載荷為 32.1kN，靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)為31.4kN，剎車(chē)時(shí)的載荷最大為32.1kN。該測(cè)量值為綜采工作面的端頭支架，其實(shí)際重量約為320kN。單軌吊的起吊點(diǎn)為8個(gè)，從上表數(shù)據(jù)分析，其在同一地點(diǎn)懸吊單軌吊的2根錨桿承受最大外力加起來(lái)為64.2kN。在進(jìn)行錨桿懸吊時(shí)，考慮到吊鏈在工字鋼小梁最不利的位置 （即吊鏈緊貼著一根錨桿），整個(gè)最大重量均集中在一根錨桿上，其最大載荷為64.2kN，而采用高強(qiáng)錨桿屈服載荷為127kN，可見(jiàn)雙強(qiáng)錨桿懸吊結(jié)構(gòu)完全滿(mǎn)足余吾煤業(yè)井下要求。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

2010年7月23日，S2106工作面回風(fēng)巷單軌吊開(kāi)始正式運(yùn)行，截止2010年9月10日工作面支架安裝完畢，每班安裝3組支架，共用一個(gè)半月，工作面共安裝了166組支架，未采用單軌吊之前，每班安裝2組支架，速度提高了約50%。在安裝運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生一次墜車(chē)事故。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)S2106工作面兩巷錨桿錨固力檢測(cè)和錨桿懸吊結(jié)構(gòu)受力分析，結(jié)合錨桿抗拉、抗剪強(qiáng)度可知，確定錨桿支護(hù)巷道實(shí)施雙強(qiáng)錨桿懸吊單軌吊具有可行性。

（2）分析錨桿懸吊對(duì)巷道變形影響可知，錨桿懸吊結(jié)構(gòu)引起的應(yīng)力影響范圍小，應(yīng)力值小，不會(huì)引起巷道變形，不影響巷道穩(wěn)定。

（3）針對(duì)井下具體狀況，提出采用雙高強(qiáng)錨桿懸吊單軌吊技術(shù)，設(shè)計(jì)雙高強(qiáng)錨桿懸吊結(jié)構(gòu)和施工工藝，并在S2106工作面兩巷進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)。

該懸吊技術(shù)將工作面支架安裝速度提高了50%，且運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生墜車(chē)事故。

［1］康紅普.煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)研究與實(shí)踐［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（21）:3959－3964.

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TD353.6

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1006-6225（2011）05-0054-03

2011－06－07

竇孟華 （1963－），男，山西武鄉(xiāng)人，博士，高級(jí)工程師，現(xiàn)任山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司人力綜合部部長(zhǎng)。

［責(zé)任編輯:姜鵬飛］