煤礦巷道錨桿支護材料合理化研究分析

王 炎

(山西王家嶺煤業有限公司， 山西 忻州 036600）

針對沿空留巷、小煤柱巷道等復合巷道受采空區、以及回采影響，巷道圍巖受力大，圍巖破壞嚴重，傳統錨網（索）支護對圍巖破壞控制效果差，錨桿支護后在破碎圍巖中出現錨固失效效應機理，導致錨桿支護強度降低，錨桿起不到預期支護效果；所以在對應力區圍巖進行錨桿、錨索進行支護前，必須針對圍巖受力情況，對不同技術參數的錨桿、錨索力學性質進行分析，然后合理選擇相匹配的支護體對變形圍巖進行支護，這有這樣才能對變形圍巖進行有效控制；本文以18105 回風順槽為例，分析了巷道受力情況，并進行設計優化。

王家嶺煤業是晉能集團主力礦井，年生產能力超過400 萬t，埋深超過400 m，煤層厚度6~8 m，為高瓦斯礦井，采用綜采放頂煤開采。由于為解工作面決瓦斯抽放問題和采掘接續問題，工作面采用兩進一回布置方式，其中一條巷道留下復用，作為下一工作面的回風順槽。復用巷道礦壓顯現強烈，支護難度極大，自王家嶺煤業建礦以來一直是困擾礦井的生產技術難題，需要專門研究。本文主要從復用巷道錨桿支護材料合理化方面開展研究，包括支護材料力學性能實驗室檢測，支護材料不足分析，提出王家嶺煤業支護材料改進和引進新型支護材料等具體措施。

1 18105 工作面復用巷道受力影響分析

18103 工作面與18105 工作面為鄰近工作面，在兩個工作面之間布置了18105 回風順槽及18103運輸順槽；18103 工作面回采中18105 回風順槽作為輔助進風巷，18103 工作面回采結束后作為18105工作面回風巷道，18103、18105 工作面回采過程中通過對18105 運輸順槽圍巖變形情況觀察發現，圍巖變形及支護主要存在以下特點：

1）由于18105 運輸順槽埋深大，巷道在開拓延伸中圍巖受力大，當18103 工作面在回采中工作面前后50 m 范圍內分別受同側回采應力、采空區殘余應力作用，導致巷道位于18103 工作面側巷幫破壞嚴重，支護難度大。

2）當18103 工作面回采后，18105 工作面在回采時18105 回風順槽圍巖主要受工作面回采應力，18103 采空區殘余應力破壞作用，巷道在二次動壓作用下，圍巖壓力顯現明顯。

3）由于工作面回采煤層厚度大，巷道預留頂煤厚度達3.0 m，煤層賦層穩定性差，在巷道在多重應力作用下，頂煤穩定性差，頂板出現破碎現象，局部出現冒頂現象，頂板錨桿、錨索支護效果差，難以對巷道頂板進行有效控制維護。

2 原有錨桿支護材料力學性能檢測

2.1 錨桿及其配件力學性能檢測

1）錨桿及其附件主要包括錨桿桿體、螺母和錨桿托板。其力學性能檢測主要按照行業標準在實驗室開展。王家嶺煤業采用直徑22 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，對其力學性能進行拉伸試驗，如表1 所示。

表1 錨桿/錨索桿體拉伸試驗強度參數

2）從表1 可以看出錨桿其屈服強度沒有小于335 MPa 情況出現，說明錨桿材質滿足要求。根據國標MT 146.1—2002 的相關規定錨桿桿體應優先選用屈服強度大于335 MPa 螺紋鋼桿體，桿體的延伸率應不小于15%。而錨桿桿體伸長率均大于32%，錨桿鋼材的延伸率滿足要求。

3）選取王家嶺煤業常用的錨桿托板，進行承載力試驗。托板規格為150 mm×150 mm×8 mm 的拱形托板，試驗時把托盤擺放好后放置在試驗機上準備開始試驗。啟動試驗機直至試樣托盤被壓平，加載速率從0.2 kN/s 提升至1 kN/s，觀察托盤破壞形式，拍照、記錄，如圖1 所示。

圖1 錨桿托板承載力- 變形曲線

由圖1 可見，托板的承載能力在155 kN 到165 kN 之間（第一個拐點），托板的承載能力與直徑22 m的屈服強度335 MPa 錨桿不配套。錨桿托板還需要增加調心球墊和減摩墊片，不配套調心球墊和減摩墊片，預緊扭矩與預緊力轉化系數低，當錨桿與巷道圍巖表面不垂直時，容易被托板口卡住，錨桿受復合應力嚴重，導致錨桿不能充分發揮原有的支護作用。

2.2 錨索及其配件力學性能檢測

1）錨索及其配件包括錨索索體、鎖具和錨索托板，索體力學性能測試采用方法同錨桿。王家嶺煤業原采用1×7 股直徑21.6 mm 錨索，其力學性能和變形參數如表2 所示。從表2 可知，其力學性能和延伸率符合規范要求。

表2 錨索試件拉伸變形參數

2）鎖具承載力系數試驗主要是檢驗鎖具強度與錨索抗拉強度是否匹配，鎖具與錨索組合抗拉時的各參數是否滿足國標要求。鎖具的靜載錨固性能同時滿足效率系數大于0.95，鎖具、索體組合構件達到極限拉力時的總應變大于2.0%的要求，錨索鎖具滿足錨索承載力的要求。

3）18105 回風順槽原有錨索托板為方形平托版，無法進行承載力試驗，從井下使用變形情況來看，平托板極易翻蓋變形，喪失承載力，降低支護效果。

2.3 試驗總結分析

分析錨桿支護材料測試結果，結合井下實際應用情況，18105 回風順槽原有支護材料主要存在以下不足：

1）錨桿桿體和螺母能滿足要求，但錨桿托板需要改進，需要提高承載力；托板球窩需要改進，增加調心球墊和減摩墊圈，改善桿尾受力狀態，提高錨桿預緊扭矩轉化效率。

2）錨索托板同樣需要改進，改用拱形托板，使托板承載力與錨索相匹配，增加調心球墊。

3 18105 回風順槽支護優化改進

3.1 支護改進設計

1）金屬錨桿保持為直徑22 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，改變托板結構，規格為150 mm×150 mm×8 mm，厚度不小于8 mm，托板高度不小于34 mm，承載力與桿體匹配；添加調心球墊和減摩墊圈。

2）錨索多樣化，頂錨索采用1×19 股直徑21.8 mm錨索，幫錨索采用1×7 股直徑17.8 mm 錨索，動壓巷道加固采用1×19 股直徑28.6 mm 大錨索；棄用錨索平托版，改用拱形方托板，長寬尺寸為300 mm×300 mm，厚度分別為12、14、20 mm，托板高度分別不小于58、60、64 mm；添加調心球墊。

3）為減少巷道頂煤的破壞，錨桿組合構件仍采用鋼筋托梁，錨索組合構件采用W 鋼帶，與W 鋼帶配套使用的錨索采用W 形錨索托板。

4）二次動壓巷道兩幫均采用金屬錨桿，不用玻璃鋼錨桿；埋深超過450 m 的靜壓順槽回采幫同樣采用金屬錨桿，不用玻璃鋼錨桿，減少錨桿破斷現象。

3.2 應用效果分析

截止2019 年2 月14 日18103 工作面已回采到位，18105 輔助運輸順槽正掘進施工階段，為了降低巷道二次動壓影響，決定對18105 輔助運輸順槽支護進行優化，通過后期工作面回采對比分析發現,18105 輔助運輸順槽與18105 回風順槽相比，18105、18104 工作面在回采中對18108 輔助運輸順槽影響小，控制了二次動壓對巷道圍巖變形影響，頂板最大下沉量控制在0.12 m，兩幫最大移進量控制在0.35 m 以下，未發生大面積頂板破碎、煤壁片幫現象，保證了回采巷道圍巖穩定性。

4 結語

根據18105 回風順槽二次動壓影響情況，通過采用力學性能測試對動壓巷道圍巖支護可靠性進行分析，并在原有支護材料不足以及現有的地質生產條件的基礎上，對支護材料進行改進，通過改進后的支護材料，在受動壓影響的18105 輔運順槽進行推廣使用，實踐證明，改進后的支護材料，大幅改善支護支護效果，保證了礦井的安全生產。