锚杆支护组合构件的力学性能与支护效果分析.pdf

第3 5卷第 7期 2 0 1 0年 7月 煤 炭 学 报 J OU RNAL OF C HI NA CO AL S OC I E T Y Vo l _ 3 5 No ． 7 J u l y 2 0 1 0 文章编号 0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 1 0 0 7 1 0 5 7 - 0 9 锚杆支护组合构件的力学性能与支护效果分析 康红普， 吴 拥政， 李 建波 煤炭科学研究总院 开采设计研究分院 ， 北京1 0 0 0 1 3 摘要 对 目前常用的锚杆、 锚 索组合构件形式与力学性能进行 了介绍， 对比了不同组合构件 的抗 拉强度与抗弯刚度， 分析了组合构件在锚杆支护系统中的作用。采用有限元数值模拟方法， 计算了 W 形钢带在受拉、 受弯及受剪状态下的应 力分布与 变形特征。介绍 了组合构件在千米深井巷道、 深部沿空留巷 、 松软破碎 围岩巷道等复杂困难条件 下的成功应用实例 ， 包括巷道地质与生产条件 ， 锚杆支护设计与支护效果。同时， 分析 了组合构件选择不合理 时容易出现的压穿、 撕裂、 过 大弯曲 变形与折断、 扭 曲及各种组合破坏形式。针对不同形式的组合构件， 提 出了防止其破坏的建议。设 计制作 了测力钢带， 在安徽淮南谢一矿的回采巷道 中进行 了钢带受力监测， 初步研究了钢带在锚杆 安装预 紧阶段、 掘进影响与稳定阶段 的受力特征与变化规律。 关键词 锚杆支护； 组合构件 ； 力学性能 ； 支护效果； 钢带； 应力分布 ； 破坏形式； 受力监测 中图分类号 T D 3 5 3 ． 6 文献标志码 A An a l y s i s o n m e c h a n i c a l p e r f o r ma n c e s a n d s u p po r t i n g f un c t i o n o f c o m b i n a t i o n c o mpo ne n t s f o r r o c k bo l t i ng KANG Ho n g p u， WU Yo n g z h e n g ， L I J i a n b o C o a l Mi n i n g a n d D e s i g n B r a n c h ， C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3， C h i na Ab s t r a c t Th e c o mmo n f o r ms a n d me c h a n i c a l p e r f o rm a n c e s o f c o mb i n a t i o n c o mp o n e n t s f o r r o c k b o l t s a n d c a b l e s a t p r e s e n t we r e i n t r o d u c e d， t h e t e n s i l e s t r e n g t h a n d be n d i n g s t i ffn e s s o f v a r i o u s c o mb i n a t i o n c o mpo n e n t s we r e c o mp a r e d， a n d t h e a c t i o n s o f t he c o mb i n a t i o n c o mp o ne n t s o n r o c k bo l t i n g s y s t e m we r e a n a l y z e d． Th e c ha r a c t e ris t i c s o f s t r e s s d i s t ribu t i o n a n d d e f o r ma t i o n o f t he W s t e e l s t rip un d e r t e n s i l e， b e n d i n g a n d s h e a r i n g s t a t e s we r e s i mu l a t e d b y me a ns o f t h e fin i t e e l e me n t me t ho d． Th e c a s e s o f t h e c o mb i n a t i o n c o mp o n e n t s s u c c e s s f u l l y a p p l i e d i n c o mp l e x a n d d i ffic u l t c o n di t i o ns we r e i n t r o d u c e d， i n c l u d i n g a n e n t r y i n d e e p c o al mi n e wi t h de p t h o v e r 1 0 0 0 m ， a d e e p g o b s i d e e n t r y r e t a i n i n g， a n e n t r y wi t h s o f t a n d b r o k e n s u r r o u n d i n g r o c k， a n d S O o n． Th e g e o l o g i c a l a n d p r o d u c t i o n c o n d i t i o n s， r o c k b o l t i n g d e s i g n s a n d b o l t i n g e f f e c t s we r e di s c u s s e d． Me a n wh i l e， t he d a ma g e d t y p e s l i a b l e t o t a k e p l a c e for t h e c o mb i na t i o n c o m p o n e n t s ， s u c h a s p r e s s p e n e t r a t i o n b y p l a t e s ， t e a rin g fra c t u r e s ， t o o l a r g e i n f l e c t i o n a n d b r e a k i n g ， t o r s i o n a n d v a r i o u s c o mb i n a t i o n s o f t h e m ， we r e a n a l y z e d wh e n t h e y we r e i rra t i o n a l l y s e l e c t e d． T h e s u g g e s t i o n s we r e p u t f o r wa r d o n d a ma g e p r e v e n t i o n for t h e v a ri o u s c o mb i n a t i o n c o mp o n e n t s ． T h e g a u g e d s t e e l s t r i p s w e r e d e s i g n e d a n d ma n u f a c t u r e d， a n d t h e f o r c e s a l o n g W s t e e l s t rip s we r e mo n i t o r e d i n u n d e r g r o u n d e x t r a c t i o n e n t rie s i n Xi e y i Co a l Mi n e， Hu a i na n c o al mi n i n g d i s t ric t ， An h u i P r o v i n c e ． T he s t r e s s d i s t rib u t i o n f e a t u r e s a n d v a ria t i o n l a ws o n t h e s t e e l s t r i p s i n t h e s t a g e s o f b o l t p r e - t e n s i o n， d r i v i n g a f f e c t a n d s t a b i l i z a t i o n we r e p r e l i mi n a ril y s t u d i e d． Ke y wo r ds r o c k b o l t i n g； c o mb i n a t i o n c o mp o ne n t ； me c h a n i c al p e rfo rm a n c e s； s u p po r t i n g f u n c t i o n； s t e e l s t rip； s t r e s s d i s t r i b u t i o n ； d a ma g e d for ms ； l o a d mo n i t o ri n g 组合构件是锚杆支护系统的重要组成部分 ， 对提 高锚杆支护整体支护效果、 保持围岩的完整性起关键 作用。早在 2 0世纪 7 0年代 ， 组合锚杆支护技术在美 国、 澳大利亚及前苏联等主要产煤国家得到了广泛应 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 1 9 责任编辑 柴海涛 基金项 目 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 0 8 B A B 3 6 B 0 7 作者简介 康红普 1 9 6 5 一， 男 ， 山西五台人 ， 研究员 ， 博士生导师。T e l 0 1 0 8 4 2 6 3 1 2 5， E ma i l k a n g h p 1 6 3 ． c o m 煤 炭 学 报 2 0 1 0 年第3 5 卷 用。采用的组合构件有各种类型的钢带与钢梁 ， 显著 提高了锚杆支护 的适应性与支护效果。除一般巷道 外 ， 在大断面交叉点、 硐室， 及顶板冒落区也都采用组 合锚杆支护 ， 提高了工程的安全性。 我国 自2 0世纪 8 0年代中期以来 ， 对采准巷道组 合锚杆支护技术进行 了比较 系统的研究 。煤炭科 学研究总院北京开采研究所先后在徐州、 淮南 、 兖州 、 邢台、 铁法 、 晋城、 潞安 、 新汶等矿区进行了多种形式 的组合锚杆支护试验 J 。如 1 9 8 6年在徐州权 台矿回 采巷道中进行了锚梁网组合支护试验 ， 取得 良好的技 术经济效果 ， 促进了后来组合锚杆支护技术的大面积 推广。1 9 9 6 --1 9 9 7年我国引进 了澳大利亚锚杆支护 技术 ， 不仅高强度螺纹钢锚杆并进行加长与全长锚 固、 动态支护设计法、 小孔径树脂锚固预应力锚索等 新技术 、 新材料得到认可， 而且有力地促进 了 w 形钢 带的推广应用 J 。随后 ， 根据 我国煤 矿井 下巷 道的 具体条件， 制订 了我国矿用 W 钢带标准 M T ／ T 8 6 1 2 0 0 0 。进入 2 l世纪以来 ， 随着综采放 顶煤 与一次 采全高等采煤技术的快速发展 ， 以及巷道围岩条件的 不断复杂化 ， 对锚杆支护技术提出更高的要求 。中国 矿业大学研制了新型 的 M形钢带 ， 在井下应用 中取 得了良好的支护效果 J 。有些单位还研制出 兀型 钢带 、 燕式异型钢带等组合构件 。同时， 为 了与高强 度 、 高刚度锚杆支护相匹配 ， W 形钢带 的几何尺寸与 力学性能也不断改进 ， 以适应深部与复杂困难巷道支 护的要求 。 归纳起来 ， 对锚杆支护组合构件的研究主要包括 以下 3方面 1 组合构件形式与材质。研制 出包括钢筋托 梁及多种不同形式钢带 的组合构件 ； 对 W 形钢带、 M 形钢带的几何尺寸与材质进行 了优化设计 ； 对 钢 筋托梁的结构进行了改进 ， 研制出双钢筋托梁 。 2 组合构件的力学性能。采用材料力学 、 弹塑 性力学等理论分析了组合构件在受拉、 受弯等状态下 的应力分布与变形特征 。 。 “ ] ， 对不同形式组合构件 的强度、 刚度等参数进行了对比 。 3 组合构件的支护作用。采用理论分析 、 数值 模拟及井下试验等多种方法 ， 分析了组合构件在锚杆 支护系统中的作用。从改善围岩应力状态 、 控制锚杆 间围岩变形、 提高锚杆整体支护效果及协调锚杆受力 等方面， 研究了组合构件的支护作用 H 。此外 ， 还 提出支护应力场的概念 ， 并将其分为在 围岩中产生的 应力场及在支护体内产生的应力场 。研究 了组合 构件对锚杆预应力扩散的作用 ， 指 出钢带是预应 力锚杆支护系统中的重要构件。 本文在分析组合构件力学性能的基础上 ， 采用有 限元数值模拟分析钢带的受力与变形特征。通过井 下实例介绍 ， 分析钢带支护效果 ， 分析存在的问题 ， 提 出改进意见。 1 组合构件形式与力学性能 组合构件可分为3 种 ① 钢带， 按断面形状分为 平钢带、 w 形钢带、 M形钢带及其它形状 的钢带； ② 钢筋托梁 ； ③ 钢梁 ， 主要用于锚索组合。 1 ． 1 对组合构件的要求 1 组合构件应有一定的护表面积、 抗拉强度与 抗弯刚度。 2 组合构件的几何参数 、 力学参数应与锚杆参 数及力学性能相匹配， 从而保证锚杆支护系统的整体 支护作用。 3 经济合理 ， 便于施工。组合构件在满足支护 要求的条件下 ， 应尽量降低成本 ， 有利于井下快速施 工 。 1 ． 2 组合构件的类型与力学性能 1 ． 2 ． 1 钢筋托梁 钢筋托梁由钢筋焊接而成。钢筋直径一般为 1 0～1 6 m m， 托梁宽度为 6 0～1 0 0 l l Cl lT l ， 长度根据需要 确定 。钢筋托梁最大 的优点是加工方便 、 质量小 、 成 本低 、 施工方便。其主要缺点表现 1 焊接加工， 力学性能差 ， 焊接处易开裂； 2 宽度窄 ， 护表面积小， 钢筋与围岩表面为线 接触 ， 导致锚杆不能施加较大 的预紧力 井下数据表 明， 锚杆预紧力矩一般超不过 3 0 0 N m ， 而且不利 于锚杆支护力扩散和作用范围扩大 ； 3 强度低， 均衡锚杆受力的能力差； 4 刚度小， 控制围岩变形的能力差 。 针对钢筋托梁的上述缺点， 有些单位采用双钢筋 焊接托梁， 提高了托梁的力学性能。但总的来说， 钢 筋托梁适合地质条件 比较简单的巷道。 1 ． 2 ． 2 平钢带 平钢带由一定厚度和宽度的钢板制成 ， 截面形状 为矩形 。这种钢带 的主要优点 护表面积较大 ， 有一 定的抗拉强度； 加工简单， 成本较低。其突出的缺点 抗弯刚度小 ， 控制围岩变形的能力较差； 托板容易压 人或压穿钢带， 出现剪切和撕裂破坏， 导致钢带失效。 一 般不建议采用这种钢带。 1 ． 2 ． 3 W 形钢带 w 形钢带是由钢板滚压成形的组合构件。钢板 厚度为 2～ 5 m m， 钢带宽度一般为 1 8 0～ 2 8 0 mm。其 突出的优点 第 7期 康红普等 锚杆支护组合构件的力学性能与支护效果分析 1 护表面积大 ， 有利于锚杆支护力 的扩散 ， 扩 大锚杆作用范围； 2 抗拉强度较高 ， 组合作用强 ； 3 抗弯刚度大 ， 控制锚杆问围岩变形能力强。 这种钢带的主要缺点 当钢带较薄、 巷道压力大 时， 与平钢带类似， 易出现托板压入或压穿钢带 ， 导致 钢带发生剪切和撕裂破坏。但可以通过加厚钢带或 采用其它方法解决这个问题。w 形钢带是适合复杂 困难巷道的组合构件。 1 ． 2 ． 4 M形钢带 M形钢带也是一种性能 比较优越 的组 合构件 ， 这种钢带有以下特点 J 1 抗拉强度大， 抗弯刚度大， 钢材利用率高； 2 钢带向下截面模量远大于向上截面模量。 顶板安装钢带时 ， 向上截面模量小 ， 钢带容易与顶板 紧贴 ； 钢带承受压力时 ， 向下抗弯截面模量大 ， 控制围 岩变形能力强 ； 3 由于翼缘比较高 ， 抗撕裂性能较好。 与 W 形钢带相 比， M形钢带的主要缺点是 护表 面积比较小。M形钢带也是适合复杂困难巷道的组 合构件。 1 ． 2 ． 5 锚索组合构件 常用的锚索组合构件有槽钢 、 扁钢及工字钢、 u 型钢等钢梁。对锚索组合构件的要求与锚杆一样 ， 应 具有一定的护表面积及足够的强度与刚度 。 随着高预应力 、 强力锚索的推广应用 ， 传统 的组 合构件已经不能适应锚索的要求 ， 需研制新的锚索组 合构件。 1 ． 2 ． 6 组合构件力学性能对比 将 w 形钢带、 平钢带与钢筋托梁的抗拉强度与 抗弯刚度进行了对比。 拉断载荷比较 宽度 2 5 0 mm、 厚 2 ． 7 5 M IT I 的 W 形钢带， 其拉断力为 2 8 8 ． 4 k N， 而与其展开宽度及厚 度相等的平钢带的拉断力仅为 2 5 0 ． 8 k N。与钢筋托 梁的强度相 比可见， 当钢筋的直径 为 2 0 M1T I 时 ， 才与 宽 2 2 0 m m、 厚 2 ． 5 mm的 w 形钢带强度相当。刚度 比较 宽度 2 5 0 m m、 厚 2 ． 7 5 IT I m的 w 形钢带截面惯 性矩为 3 6 3 3 8 M M ， 是同展宽、 同厚度平钢带 的 8 7 ． 4 倍。 W 形钢带的刚度由于断面形状 的改变而得 到很 大提高 ， 有利于承受较大的弯曲载荷。钢筋托梁的抗 弯刚度明显大于平钢带， 但远小于 w 形钢带。例如， 直径为 1 6 IT n T I 钢筋托梁的抗弯刚度是宽 2 8 0 1 T I 1T I 、 厚 3 m m平钢带 的 l 2倍 ， 而仅仅是宽 2 8 0 fi l m、 厚 3 m i l l w 形钢带刚度的 1 5 ． 8 ％。表 1列出等强度和等刚度 3种组合构件 的几何尺寸。 表 1 等强度和等 刚度组合构件的几何尺寸 Ta b l e 1 Ge o me t r i c s i z e s o f c o m b i n a ti o n c o mp o n e n t s wi t l l t h e s a me b r o k e n l o a d a n d s a me s t i ffn e s s 1 ． 3 组合构件的支护作用 组合构件的支护作用主要表现在以下 4方面。 1 锚杆预应力和工作阻力扩散作用。单根锚杆 作用于巷道表面 ， 范围小。组合构件可扩大锚杆作用 范围， 使锚杆预应力与工作阻力扩散到更远的围岩中。 同时， 可使锚杆尾部附近的集中载荷分布趋于均匀。 图 1 为在不考虑原岩应力时， 无钢带与 w 形钢 带组合支护时的锚杆 预应力引起 的应力场分布 距 顶板锚杆 尾 部 0 ． 2 m 高度 水 平 截 面 应 力 分 布 云 图 引。从图中看出 ① 无钢带时 ， 锚杆形成的压应 力区， 无论在锚杆尾部还是中部， 都是彼此独立的。 特别是在顶板表面附近， 压应力区呈 圆形分布 ， 相互 不连接 ， 锚杆之间的压应力很小， 不能有效支护锚杆 间的围岩。② 有钢带时， 锚杆形成 的压应力 区在沿 钢带长度方 向上显著扩大。在顶板表面附近， 压应力 区呈椭圆形分布 ， 彼此相互连接 ， 形成连续 的压应力 带 ， 预应力扩散范围大 ， 能有效支护锚杆间的围岩。 2 支护巷道表 面和改善 围岩应力状态作用。 组合构件对巷道表面提供支护 ， 对锚杆间的围岩提供 压应力 ， 抑制浅部岩层离层、 裂隙张开 ， 保持围岩的完 整性 ； 抑制或减小拉应力 区， 减少 岩层弯曲引起的变 形与拉伸破坏； 使巷道表面从二向受力向三向受力转 1 0 6 0 煤 炭 学 报 2 0 1 0 年第3 5 卷 f a 无钢带 f b 有 钢 带 图 1 锚杆预应力场分布 Fi g ．1 Bo l t i n g p r e t e ns i o n s t r e s s d i s t r i b ut i o n 化 ， 改善围岩应力状态； 对于破碎 围岩 ， 可防止锚杆问 松动岩块掉落。 3 均衡锚杆受力和提高整体支护作用。组合 构件将数根锚杆连接在一起 ， 可均衡锚杆受力 ， 共 同 形成组合支护系统 ， 提高支护系统的整体刚度与支护 能力。 4 减少锚杆预应力损失的作用。锚杆预应力 是影响支护效果的关键 因素 ， 降低锚杆预应力损失非 常重要。预应力损失的影响因素很多 ， 其中围岩蠕变 变形影响较大。护表面积较大、 刚度较高 的组合构 件 ， 可降低锚杆尾部附近 的集 中应力 ， 扩大预应力作 用范围， 减少锚杆预应力的损失 ， 从而提高支护效果。 2 W 形钢带的数值模拟分析 采用 A N S Y S有限元分析软件对钢带的力学性能 及其与托板的相互作用进行 了模拟研究 。 2 ． 1 数值模型 模拟 w 形钢带宽度 2 8 0 lT l m， 钢带厚度 5 m m。 锚杆 孔形 状 中间为矩形 ， 两 端 为半 圆形 ， 宽度 为 4 0 mm， 长度为 1 2 0 mm。采用 s o l i d单元模拟 钢带。 钢材弹性模量为 2 0 0 G P a ， 泊松比为 0 ． 3 。钢带屈服 强度为 2 3 5 M P a ， 拉断强度为 3 8 0 MP a 。 1 受拉模拟。取长度 1 i n 、 宽度为 2 8 0 m m的 W形钢带， 两端受 1 0 0 MP a的拉应力 ， 分析孔周的应 力集中情况。 2 单 跨 受 弯 模 拟。取 钢 带 长 度 1 I 1 1 ， 受 1 4 k N ／ m的均布载荷， 分别模拟两端简支和两端 固支 时钢带的应力分布。 3 多跨受弯模拟 。取 钢带长度 为 3 ． 5 n l ， 受 2 8 k N ／ m的均布载荷 ， 支座为托板 ， 托板间距为 1 n l 。 托板材料与钢带相 同， 托板为方形， 尺寸为 1 5 0 mmx 1 5 0 l l l m， 厚度 1 0 mm， 起拱半径为 6 O m m。 4 受剪模拟。基本模型同多跨受弯模拟 ， 但钢 带取两跨， 钢带两端托板固定， 钢带受 5 6 k N ／ m的均 布载荷， 中间托板受 5 0 k N的集中载荷 ， 模拟托板作 用下钢带的受剪情况。 2 ． 2 模拟结果及分析 w 形钢带在不同受力状态下的应力分布如图 2 所示 。 e 多跨 ⋯ f 剪切 图2 W钢带在不同受力状态下的应力分布 单位 MP a F i g ． 2 S t r e s s d i s t r i b u t i o n o n W s t e e l s t r i p wi t h d i f f e r e n t b e a tin g f o r c e s t a t e s 图 2 a 为 w 形钢带在拉伸状态下的应力分布。 在沿拉伸方向上 ， 即孔的长轴方 向， 出现了明显的应 力降低 区， 而在垂直方 向上 ， 出现明显 的应力集 中现 象 ， 特别是在直线与圆弧的交界处 ， 集 中应力最大 ， 容 易出现撕裂破坏。 图 2 b 为 w 形钢带两端简支时受向下均布荷 载的应力分布。钢带两压槽承受拉力 ， 由于受拉面积 较小 ， 两槽受力较大。受压部分面积较大， 上表面受 力较小 ， 下表面离中性层较近， 受力更小。 图2 c 为 w 形钢带两端固支 时受 向下均布荷 载时的应力分布 ， 图 2 d 为跨 中应力分布。两压槽 依然是受力较大的地方。钢带两端受力也比较大， 且 两压槽受的压力较大。钢带跨 中截面受力 比简支受 弯时小。 他 6 。 ⋯ 蛳 6 2一 一 一 一 一 一 一 ●■■| 謦 0 量 ■l 2 3 O 9 “ 一一● 9 7 5 4 2 “ 嘭 第7期 康红普等 锚杆支护组合构件的力学性能与支护效果分析 1 0 6 1 图 2 e 为多跨钢带受弯时的应力分布。钢带跨 中部分与简支受弯时应力分布特点类似 ， 而托板作用 处则应力集中较明显 。钢带上表面在托板作用处和 孔 口部位应力集 中明显。托板可视为一局部弹性支 座 ， 钢带两压槽受压力 ， 上表面受拉力 。最大应力 出 现在托板边缘钢带的压槽处 ， 此时的应力状况和钢带 的截面形状、 托板的形状和刚度都有关系。 抗剪性能对 W 形钢带尤为重要 ， 井下 W 形钢带 的破坏 很多是 由托板撕裂 或压穿 钢带 导致 的。图 2 f 为钢带受剪时的剪应力分布。可见 ， 托板周 围有 较大的应力集中， 最大应力产生在托板作用处， 应力 集 中部位主要为托板的四角处， 这主要与托板的形状 相关 。 图 3给出了钢带受弯 时的变形。可见钢带跨 中 挠度最大 ， 两端或在托板作用处挠度最小 。 一蕊 ■ 图 3 W 钢带 的变形分布 单位 mm F i g ．3 De f o r ma t i o n di s t r i b ut i o n o f W s t e e l s t rip 3 组合构件的井下应用与支护效果 组合构件已经广泛应用于煤矿井下各类巷道 ， 取 得较好的支护效果 。但是 ， 如果组合构件设计或 应用不当， 会出现不同类 型的破坏 现象 ， 严重影响巷 道支护效果 。 3 ． 1 钢筋托梁在大断面煤巷支护中的应用 潞安常村煤矿一胶带运输大巷为煤层大巷 ， 沿 3 号煤层顶板掘进。煤层厚度 6 i n ， 直接顶为泥岩与粉 砂岩 ， 老顶为 中砂岩 。巷道埋深为 4 0 0 m左右。巷道 宽 5 in， 高 3 ． 1 in。 采用数值模拟计算结合 已有经验 ， 提出巷道支护 初始设计 钢筋托梁组合锚杆支护， 并进行锚索补强。 锚杆为直径 2 2 mm的螺纹钢， 顶板锚杆长度 2 ． 4 in， 帮锚杆长度 2 in， 树脂加长锚 固； 顶板钢筋托梁采用 6 1 8 m m的圆钢 ， 宽度 1 5 0 Bin， 长度 4 ． 8 in； 帮钢筋托 梁采用 4 , 1 4 mm的圆钢 ， 宽度 1 0 0 inin， 长度 2 ． 7 in。 采用菱形金属网护表。锚杆排距 7 0 0 m I n ， 间距 7 5 0～ 8 0 0 m m。顶板锚索直径 l 5 ． 2 4 m m， 长度为 6 ． 3 in， 树脂 与注浆联合锚固。锚索组合构件为 1 2号槽钢， 长度 3 in 。每排2 根锚索， 间距为2 in， 排距2 ． 1 in 。 井下巷道支护状况如图 4所示。在矿压监测期 间， 顶板下沉量为 6 8 mm， 两帮移近量为 2 2 6 mm。锚 固区内顶板离层值为 1 9 mm， 顶板 7 in范围内岩层总 离层值也只有 2 5 inn。巷道支护状况良好。可见 ， 在 巷道 围岩条件相对简单的情况下 ， 钢筋托梁组合支护 能够有效控制围岩变形 ， 同时支护成本也比较低。 图 4 钢筋托梁组合锚杆支护煤层大巷状况 Fi g ． 4 S t a t e o f c o a l ma i n e n t r y b o l t e d wi t h a b ut t i n g b e a m ma d e f r o m s t e e l b a r s 3 ． 2 W 钢带在煤层上山群支护中的应用 潞安常村煤矿 S 6采 区共有 5条采 区上山， 除胶 带上山外， 其余4条上山全部沿 3 号煤层顶板掘进。 3号煤层厚度平均 6 ． 2 3 in， 直接顶为砂质泥岩 ， 老顶 为中砂岩。上山埋深为 4 0 0 in左右。上山宽度 5 I n ， 高 3 ． 5 in。 s 6 2号 回风上 山支护形式 w 钢带组合 、 全长预 应力锚 固强力锚杆与锚索组合支护系统。锚杆为直 径 2 2 I B m 的强力锚 杆， 顶板与煤 帮锚 杆长度 均为 2 ． 4 in， 树脂全长锚 固； 顶板 采用 w 钢带护顶 ， 宽度 2 8 0 inm， 厚度 4 m m， 长度 4 ． 8 in； 采用钢筋托梁与 w 钢护板组合护表构件护帮 ， 钢护板宽度 2 8 0 mm， 长度 4 5 0 m m。采用金属网护表。锚杆排距 9 0 0 m m， 间距 9 0 0 m m。顶板锚索采用三花布置， 每两排锚杆打 3 根锚索 ， 锚 索直径 2 2 m m， 长度 6 ． 3 in， 树脂加 长锚 固。间距为 2 in， 排距 9 0 0 m m。 W 钢带组合在井下巷道支护状况如图 5所示。 在矿压监测期间， 顶底板移近量为 2 0 m m， 两帮移近 量为 9 4 m m， 比原支护方式降低 了7 0 ％左右 ； 锚固区 内顶板基本无离层 ， 巷道支护状况 良好。 图5 w钢带组合锚杆支护煤层上山状况 F i g ． 5 St a t e o f c o a l r i s e e nt r y b o l t e d wi t h W s t e e l s t r i p 1 0 6 2 煤 炭 学 报 2 0 1 0 年第3 5 卷 3 ． 3 w钢带在千米深井煤巷支护中的应用 新汶协庄煤矿 1 2 0 2 E运输巷沿二煤顶板掘进 ， 煤层平均厚度 2 ． 4 m。直接顶为砂质 页岩。巷道埋 深 1 1 5 0～1 2 0 0 m， 属于典型的千米深井高地应力巷 道。巷道断面为倒梯形 ， 宽 3 ． 7 m， 中高 3 m。 巷道支护形式 w 钢带组合 、 高预应力强力锚杆 支护。锚杆直径 2 5 m m， 长度 2 ． 4 m， 树脂加长锚固。 w 钢带厚度 5 m m， 宽 2 8 0 m m。采用金属网护表。锚 杆排距 1 ． 0 m， 间距 8 0 0～ 1 1 0 0 mm。 采用该种支护方式以后 ， 围岩变形量比原锚杆支 护巷道降低 6 7 ％ ～8 0 ％， 顶板离层降低 9 5 ％。巷道 支护状况如图 6所示 ， 围岩完整 、 稳定 。可见 ， W 钢 带组合、 高预应力强力锚杆是一种比较适合深部巷道 的有效支护方式。 图6 W钢带组合锚杆支护千米深井巷道状况 F i g ． 6 S t a t e o f e n t r y b o l t e d w i t h W s t e e l s t ri p i n d e e p c o a l mi n e wi t h de p t h o v e r 1 0 0 0 m 3 ． 4 W 钢带在深部沿空留巷支护中的应用 淮南谢一煤矿 5 1 2 1 B 1 0工作面开采 1 0号层煤。 煤层平均厚度 1 ． 4 m， 煤层直接顶为泥质砂岩与细砂 岩。回风巷进行沿空留巷， 巷道埋深为 7 0 0 m左右。 巷道断面为倒梯形 ， 宽度 5 ． 0 m， 中高 2 ． 8 13 1 。 回风巷巷内基本支护采用 W 钢带组合 、 强力锚 杆与锚索支护。锚杆直径 2 2 mm， 长度 2 ． 4 m， 树脂 加长锚固。w 钢带厚 4 m m， 宽 2 8 0 m m， 长 4 ． 8 m。 锚杆排距 1 0 0 0 mm， 间距 9 0 0～1 0 0 0 m m。锚索直径 2 2 I n m， 长度 6 ． 3 m。每 2 ． 0 m安装 2根。 巷道掘进到稳定期 问， 顶底板移近量为 4 1 m m， 两帮移近量为 1 4 9 m m； 顶板总离层仅为 8 m m。巷道 支护状况良好 图 7 。 在工作面采过后进行 了膏体材料巷旁充填。留 巷期间巷道 围岩 变形不 大， 围岩与充填体稳定 。w 钢带组合、 高预应力强力锚杆与锚索是一种适合深部 沿空留巷基本支护的有效方式。 3 ． 5 组合锚索在松软煤层大断面巷道支护中的应用 晋城赵庄煤矿 目前开采 3号煤层 ， 煤层平均厚度 4 ． 5 m。煤层松软破碎 、 强度低。顶板 以泥岩为主， 层 理发育、 易风化。由于采用一次采全高开采方法 ， 回 图 7 w 钢带组合锚杆支护深部沿空 留巷状况 F i g ． 7 S t a t e o f d e e p g o b s i d e e n t r y b o l t e d w i t h W s t e e l s t ri p 采巷道高度大 。工作 面运输巷断面呈矩形 ， 宽度为 5 m， 高度 4 ． 2 m， 属于典型的松软煤层、 超高、 特大断 面巷道。 工作面运输巷顶板采用全锚索组合支护。锚索 直径 2 2 fi l m， 长度 5 ． 4 m， 树脂加长锚固， 预紧力不小 于 2 5 0 k N。组 合构件采用 1 4 b槽钢 ， 长度 2 ． 2 1 13 。 锚索排距 1 ． 5 m， 间距 1 ． 5 Ill ， 每排4根锚索。采用钢 筋网护顶。煤帮采用强力锚杆与锚索联合支护。 顶板采用全锚索支护后 ， 支护状况如图 8所示。 巷道顶板和两帮变形得到有效控制 ， 尤其是顶板几乎 为零离层 ， 下沉量很小 ， 最大不到 4 5 m i l l 。顶板变形 的有效控制使得顶板压力向煤帮深部转移， 降低了煤 帮压力 ， 也有效控制了煤帮变形。两帮移近量不超过 3 0 0 m m， 比原支护方式降低 8 5 ％左右。巷道基本不 需要维修就能满足生产要求 ， 避免 了以往巷道多次维 修的被动局面。同时， 放大 了锚索间排距 ， 减少 了锚 索长度 ， 有利于提高成巷速度 。 图 8 顶板组合锚索支护状况 F i g ． 8 R o o f b o l t e d s t a t e wi t h c a b l e b o l t s a n d c h a n n e l b e a ms 3 ． 6组合构件在应用中存在的问题与改进建议 3 ． 6 ． 1 钢筋托梁 钢筋托梁在井下应用中主要存在以下问题 1 钢筋托梁在焊接处容易开裂， 特别在焊接质 量较差的情况下尤为如此。 2 钢筋托梁在巷道围岩变形较大的情况下， 出 现钢筋破断现象 。 3 由于锚杆间围岩变形大 ， 导致钢筋托梁弯曲 变形很大 ， 甚至出现弯曲破断。 第7期 康红普等 锚杆支护组合构件的力学性能与支护效果分析 4 钢筋托梁在长度方向上出现扭曲。 5 在锚杆受力较大的情况下 ， 锚杆附近的托梁 部分压入煤岩体。 为了解决上述问题 ， 提出以下建议 1 适当增加钢筋的直径与托梁的宽度， 提高钢 筋托梁的强度与刚度。 2