巷道锚索破断机理及弹射防护措施研究

摘要

由于煤矿井下地质条件变化无常，同一巷道中的围岩会产生不同的岩性变化，同一个支护理论、同一种支护设计不能解决千变万化的地质条件所对应的巷道支护。对于不同地质条件下的巷道，对支护技术的要求是各不相同的。就回采顺槽而言，在回采时，围岩会产生较大的变形，大变形压力作用下的锚索在支护时，超过其所能承受的极限强度而发生破断现象。大变形致使巷道发生严重的变形，造成巷道支护困难、成本高、锚杆锚索返修率高等不良后果，不能正常的安全生产。同时在锚索发生断裂时，若果其断裂外部的索体没有被周围的煤体或者岩体所充分夹持住，并且在极大大的轴向拉力作用下，会以非常大的速度弹射出来，使人员设备受到了极大的威胁。我国煤矿井下出现锚索拉断弹射现象屡见不鲜，其中工人受伤事件也不在少数，也造成严重的社会影响。出于对井下工作人员生命安全的负责，有必要对此缺陷进行充分的分析研究，找出问题发生的原因，寻求科学的、有效的解决方案。从力学的角度来看，锚索破断大致有两种情况：剪切破坏；轴向破坏。具体阐述为锚索的剪切破坏是由于锚索周围锚固体沿锚索切向的变形引起了剪切力，若其切向所受应力超过所能承受的极限抗剪强度时，锚索破断。锚索的轴向破断是由于在锚索轴向受力大于其抗拉强度所致，锚索安装时的轴向力可视为施加在锚索上的预紧力，在工作面在受到采动的影响，采场围岩常常发生剧烈的松动和破碎，一般情况下变形量都相当大，尤其是横向变形，这势必将导致锚索所承受的轴向力在短时间内快速增加，当达到其临界抗拉强度，即会发生轴向受拉破断。其破坏的机理可以从三个因素考虑:第一，巷道的地质构造;第二，对锚索施加的预紧力;第三，锚索自身的结构。锚索在发生破断时，如果未被煤岩体充分夹持，会以非常大的速度弹射出来，使人员设备受到了极大的威胁，很有可能会发生人伤事件，会产生很严重的后果。对锚索破断的研究以及如何防止破断后弹射有很大社会意义的。
　　本文以长治三元南耀小常煤业有限公司30211工作面为工程背景，对该工作面3号煤巷道锚索破断弹射问题进行分析研究并提出了可行的防护措施。通过实地考察巷道变形情况，现场观测锚索破断情况，通过理论分析锚索破断机理，并用FLAC3D数值模拟巷道回采时产生的变形与锚索的受力情况，分析了锚索在回采时断裂的过程，最终研究得出了30211工作面顺槽问题的原因。对锚索破断后弹射现象的机理做出了解释，结合目前一些行之有效的技术路径，给出锚索破断弹射的防护措施，形成了一套较完整有效的锚索破断弹射防护体系，并针对30211工作面的情况提出了相应的解决方法。本研究成果将为其它相似条件下工作面锚索破断修复提供一定的理论基础和参考价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究意义

1．2 锚杆锚索支护技术国内外研究发展现状

1．3 问题的提出及主要研究内容

第二章 锚索断裂力学分析与破断机理研究

2．1 锚索断裂力学分析

2．1．1 锚索的剪切破坏

2．1．2 锚索的轴向破坏

2．2 锚索破断机理研究

2．2．1 地质构造因素

2．2．2 锚索预紧力因素

2．2．3 锚索结构因素

2．3 本章小结

第三章 30211工作面概况及锚索破断情况概述

3．1 三元南耀小常煤业30211工作面概况

3．1．1 30211工作面位置

3．1．2 30211工作面采煤工艺

3．2 三元南耀小常煤业井田地质

3．2．1 地理概况

3．2．2 地质特征

3．3 30211工作面巷道的锚索破断情况

3．4 30211工作面运巷原支护方案及参数设计

3．5 本章小结

第四章 30211工作面巷道锚索破断原因分析

4．1 30211工作面顶板窥视情况

4．1．1 钻孔位置

4．1．2 窥视结果及分析

4．2 30211工作面在回采时巷道受到影响数值模拟分析

4．2．1 FLAC3D数值模拟软件简介

4．2．2 综放工作面巷道回采模型建立

4．2．3 数值模拟方案

4．2．4 结果分析

4．3 30211工作面巷道锚索破断原因分析

4．3．1 外因

4．3．2 内因

4．4 本章小结

第五章 锚索破断弹射机理分析及防护措施研究

5．1 锚索破断弹射形式分析

5．2 锚索破断弹射机理分析

5．2．1 锚索破断时轴向受力分析

5．2．2 锚索周围锚固体的摩擦力计算

5．2．3 锚固体及托盘恢复时的势能计算

5．3 30211工作面运巷锚索破断弹射速度计算

5．3．1 帮锚索弹射速度计算

5．3．2 顶锚索弹射速度计算

5．4 防止锚索破断弹射的技术路径

5．4．1 减小锚索预紧力

5．4．2 增大锚索力学参数

5．4．3 改善锚索结构配件

5．5 本章小结

第六章 锚索破断后防弹射保护措施

6．1 主动防止锚索断裂弹射措施

6．1．1 管帽法

6．1．2 钢管护套法

6．1．3 锚索头护套

6．1．4 锚索断裂防射保护装置

6．1．5 锚杆(索)脱落防护架

6．2 被动防止锚索断裂弹射措施

6．2．1 外露杆体安全防护装置

6．2．2 矿用锚索杆安全护套

6．3 本章小结

第七章 30211工作面锚索破断弹射解决方案

7．1 30211工作面运巷补强支护方案及参数

7．1．1 项板支护参数

7．1．2 两帮支护参数

7．1．3 支护材料及技术特征

7．2 30211工作面锚索防弹射措施方案

7．3 本章小结

第八章 结论

8．1 主要结论

8．2 展望

参考文献

致谢

附录1 攻读学位期间发表论文

附录2 攻读硕士期间参加的科研项目