湖西礦井深部沿空掘巷高強錨桿破斷形式與預防對策

黃忠福

(大同煤礦集團軒崗煤電有限公司)

高強預應力錨桿支護技術被提出后，相繼在新汶、淮南、潞安、晉城、汾西等多個礦井進行了現場試驗，試驗結果顯示巷道圍巖變形量明顯減小，取得了良好的支護效果，成功解決了復雜條件下的多種支護難題[1-2]。但在工程應用中發現，由于高強錨桿具有剛度大、性脆、延伸率低等特點，在軸向上無法隨圍巖變形及時讓壓或在橫向上受到較大的剪切作用時，錨桿易發生破斷，進而導致支護系統破壞，巷道變形加劇[3-4]。本研究針對西湖礦井3102工作面沿空輸運巷道高強度錨桿失效的原理，并結合井下錨桿破斷與鋼帶變形現狀，討論深部沿空掘巷高強錨桿破斷機理，進而對預防井下高強度錨桿破裂的對策進行探討。

1 工程概況

湖西礦井3102工作面沿空運輸巷的設計長度為1 062 m，承擔3102綜采工作面通風、行人、煤炭運輸等任務，服務年限3 a，3102工作面沿空運輸巷與3101工作面軌道巷之間留設5 m寬小煤柱，屬于沿空掘巷。3102工作面位于二采區東南部，地面相對位置在昭陽湖內的小楊莊正東方向，開采煤層為二疊系山西組3上煤層，煤層平均厚約4 m，結構簡單，局部由于受到地質構造影響，煤層較薄[5]。該區主要構造為寬緩向斜，煤層走向NE—NW，傾向NW—SW，傾角7°～15°。3上煤層所在的二疊系山西組地層后期遭到剝蝕，而后又沉積了侏羅系地層。該煤層以上的山西組地層由西南向東北逐漸變薄，西南部大巷保護煤柱附近厚約45 m，東北至設計位置時被完全剝蝕。煤層頂板由下至上巖性依次為泥巖、粉砂巖、砂巖；煤層底板由上至下巖性依次為泥巖、砂巖(表1)。

黃忠福(1963—)，男，副總經理，工程師，034114 山西省原平市。

表1 3上煤層頂底板特征[6]

3102工作面沿空運輸巷采用高強錨桿+錨索+鋼帶+金屬網組合支護方式。頂板采用高強預應力錨桿，規格為φ22 mm×2 400 mm；桿體為φ22 mm左旋無縱筋螺紋鋼，Q500材質；頂板錨桿間距900 mm，排距900 mm；錨索規格為φ17.8 mm×7 000 mm，分別布置于頂板中部和沿空側。兩幫采用高強預應力錨桿，規格為φ20 mm×2 400 mm；桿體為φ20 mm左旋無縱筋螺紋鋼，Q500材質；錨桿外端安設防沖讓壓構件；兩幫錨桿間距800 mm，排距900 mm。頂板及兩幫采用鋼帶+金屬網護表，其規格可根據巷道斷面實際情況進行調整。

2 錨桿破斷及鋼帶變形情況

根據對3102工作面沿空運輸巷錨桿破斷現象的現場調查，可知該巷道在掘進期間的變形以沿空幫變形為主，頂板及實體煤幫變形量較小，頂板圍巖完整性較好，巷道表面較平整，兩幫煤體破碎比較明顯。3102工作面沿空運輸巷錨桿破斷位置主要位于巷道頂角、幫角處(圖1)。錨桿破斷形態主要表現為剪斷，斷口齊平、無明顯徑縮，斷裂位置一般位于錨桿端部與鋼帶接觸的位置(圖2)。在發生錨桿破斷的附近位置，巷道頂板和幫部鋼帶存在明顯變形現象，其中，幫部鋼帶主要表現為彎曲變形，頂板鋼帶主要表現為折曲變形，具有明顯的受擠壓特征(圖3)。

圖1 錨桿破斷

圖2 錨桿破斷

圖3 鋼帶變形

3 深部沿空掘巷高強錨桿破斷機理

結合湖西礦井3102工作面沿空運輸巷道的錨桿破斷實際情況及不同位置錨桿受力的對比分析，可知一般情況下最易發生錨桿破斷的位置為巷道的頂角、幫角，破斷形式多為剪斷，斷口位置通常位于錨桿與鋼帶的接觸點附近。特殊情況下，錨桿受拉力作用而產生的破斷現象往往發生于頂板錨桿[6]，是因為：①由于頂板錨桿錨固段位于穩定巖層中，錨固性能較好，在頂板淺部巖體破壞后產生位移的過程中，錨桿因懸吊作用產生較大的拉力，而幫部錨桿處于穩定性相對較低的煤體中，力學性能較差，因此在圍巖破壞產生變形時易隨煤幫一并向外鼓出，導致錨桿錨固效力降低，從而無法充分發揮錨桿的高強度特性；②在鄰近工作面頂板垮落的影響下，易產生局部沖擊載荷，由于壓力大、時間短，錨桿無法及時讓壓，從而導致錨桿崩斷。

4 深部沿空掘巷高強錨桿破斷預防對策

深部沿空掘巷高強錨桿破斷導致錨桿支護的巷道存在巨大的安全隱患，不僅浪費了大量的金屬材料，降低了錨桿利用率，而且容易因局部錨桿失效而引發整個支護系統發生失穩。

(1)改善錨桿受力環境。錨桿產生破斷的原因較多，但本質上都是由于圍巖變形引發了一系列變形不協調、局部應力集中以及強度、剛度不耦合等現象，進而導致錨桿受力不均勻，最終引發錨桿破斷。因此，只有設計合理的支護參數，提高圍巖的整體支護強度，并通過合理設計讓壓參數，才能有效預防錨桿破斷并取得良好的支護效果。

(2)減小錨桿端部受力。很多情況下，由于圍巖性質、動壓等因素的存在，僅靠加強支護強度無法將圍巖變形控制在理想范圍內，如此則需要采取其他措施來減小錨桿受力。鋼帶對錨桿的剪切作用是引發錨桿破斷的最主要因素。因此，為減小鋼帶對錨桿的剪切力，可采用鋼帶托盤替代鋼帶來對支護方式進行改進。根據礦井實際條件，可使用鋼帶托盤完全代替鋼帶，也可以僅在受力較大的關鍵部位采用。使用鋼帶托盤進行支護后，巷道幫部煤體外鼓時，鋼帶托盤可以隨錨桿端部一同運動，使錨桿桿體受到的剪切作用力顯著降低，從而可以有效預防錨桿破斷現象的發生。

(3)提高桿體端頭強度。我國傳統的錨桿螺紋加工工藝需要進行剝皮、滾絲，加工后的錨桿端部螺紋內徑比桿體的公稱直徑縮小10%～13%，截面積縮小20%～22%[7-10]。錨桿的極限強度取決于整根錨桿的最低強度，尤其是錨桿端部通常與鋼帶接觸，當受到來自鋼帶的剪切力時，易發生破斷，而錨桿在該位置發生破斷時的破斷載荷通常達不到錨桿材料的屈服載荷，即采用傳統工藝加工的錨桿無法充分發揮高強錨桿材料的強度特性，造成了強度的極大浪費。因此，為充分利用高強錨桿的強度優勢，應對錨桿的受力較集中部位進行特殊處理，如在錨桿尾部螺紋段可以通過加熱后墩粗的方法首先提高錨桿尾部的強度，然后進行滾絲加工出螺紋。該方法能夠增大錨桿尾部螺紋內徑，無論在抗拉還是在抗剪方面，均能夠有效確保錨桿強度，從而防止錨桿發生破斷。

5 結 論

(1)深部沿空掘巷掘進期間的變形以沿空幫為主，頂板及實體煤幫變形較小，其中，頂板圍巖完整性較好，巷道表面較平整，兩幫煤體破碎比較明顯。

(2)深部沿空掘巷高強錨桿的破斷位置主要位于巷道頂角、幫角處，錨桿斷口齊平、無明顯徑縮。沿空掘巷頂板和兩幫鋼帶具有明顯的變形現象，其中，兩幫鋼帶主要表現為彎曲變形，頂板鋼帶主要表現為折曲變形。

(3)深部沿空掘巷高強錨桿產生破斷的主要原因為拉力過大導致錨桿崩斷、鋼帶變形擠壓錨桿引發錨桿破斷以及錨桿變形擠壓鋼帶引發錨桿破斷。采用改善錨桿受力環境、減小錨桿端部受力以及提高桿體尾部強度等措施有助于預防錨桿發生破斷。

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