應力區巷道自鎖讓壓式錨桿應用分析

武文軍

（大同煤礦集團同安煤業有限責任公司， 山西 呂梁 033500）

1 巷道概況

大同煤礦集團同安煤業有限責任公司行人巷道西接行人石門及行人聯絡巷開口，其坐標為：X=4228 995.259，Y=563 081.868，Z=1 013.756，該巷北部30 m為4號層軌道大巷（未掘），南部、東部為實體區。開口位置南側7 m下伏9號層采空區。開口位置北側水平距離30 m有4號層采空區[1]。

巷道設計長度為1 200 m，巷道斷面規格為寬×高=5.0 m×4.0 m，巷道掘進煤層為山西組4號煤層，煤層平均厚度為7.56 m，施工巷道沿4號煤層底板平行掘進，預留頂煤厚度為3.56 m。

行人巷道采用綜合機械化掘進工藝，巷道掘進至620～690 m段共計揭露四條正斷層，斷層最大落差為1.4 m，最小落差為0.5 m，受斷層群影響巷道在620～690 m范圍內頂板破碎相對嚴重，局部區域出現冒落現象[2]。

2 行人巷道原支護設計及問題分析

2.1 原支護設計

行人巷道原頂板主要采用錨桿鋼帶進行聯合支護，頂板錨桿每排布置6根，錨桿間排距為1.0 m，錨桿垂直頂板布置，錨桿采用長度為2.5 m，直徑為22 mm左旋無縱筋螺紋剛錨桿，采用加長錨固方式，錨固長度為0.95 m。

2.2 問題分析

2.2.1 使用錨桿支護長度不足

由于該工作面沿侏羅紀煤3-5號層平行掘進，而且巷道頂板的煤質大多為泥巖，煤質比較松軟，直接頂的厚度為2.5 m，該巷使用長度為2 m的錨索，因此施工人員在頂板打入錨桿后，錨固端正好位于直接頂與基本頂離層間，造成直接頂與基本頂離層間的破碎巖體不能對錨桿產生有效支護[3]。

2.2.2 錨桿錨固效果差

傳統的支護方式是采用錨固劑對錨桿與圍巖進行連接，因此錨固效果越好，錨桿的支護能力越強，錨固劑能夠增大圍巖與錨桿的摩擦力，同時使錨桿自由段的拉力傳遞到圍巖深處，由于傳統錨桿大多數采用螺紋結構，螺紋結構不能有效地將自由段的拉力傳遞到圍巖深處。

2.2.3 錨桿變形嚴重

傳統的錨桿主要是將托板、鋼帶與螺母連接來對頂板進行支護，這種緊固方式雖然鋼性較大，且能夠與頂板之間連接，但當頂板來壓發生變形時，這種緊固方式不能讓壓力分解而是直接作用在連接機構，造成錨桿變形。除此之外，當頂板變形嚴重時，錨桿桿體與螺母會由于受力不均而發生松動，當這種松動現象嚴重后，錨桿會在頂板剪切應力的作用下逐漸失效，錨桿對頂板的支護由于達不到要求，頂板巖體隨即發生變形，造成整個區域的支護失效[4-5]。

3 自鎖讓壓式錨桿結構原理

自鎖讓壓式錨桿是礦井最新使用的一種支護方式，該種錨桿不僅能夠在壓力較大的頂板區域有很好的支護與讓壓效果，而且自鎖讓壓式錨桿的制作成本較低，在頂板較破碎的巷道中起到了很好的支護效果。

自鎖讓壓式錨桿主要由以下部件組成：桿體、自鎖機構、讓壓機構、螺母、墊片。為了能夠增加錨桿的屈服強度，設計人員使用的螺紋鋼長度與直徑分別為3 m×2 mm，錨桿錨固端長度與螺紋端長度分別為1.2 m和0.1 m。自鎖機構主要由以下部件組成：連接套、自鎖片、推桿、彈簧、螺紋套管。為了能夠增加支護效果，設計人員在每根錨桿上加裝5個自鎖機構，自鎖機構間的間距為0.3 m，如下頁圖1所示。讓壓機構主要由以下部件組成：錨桿托盤、讓壓彈簧。錨桿托盤設計成直徑為25 mm鏤空半球形，同時在托板內加裝讓壓彈簧。

圖1 人行巷道頂板破碎區自鎖讓壓式錨桿結構剖面圖

4 自鎖讓壓式錨桿優點

1）與傳統的支護工藝相比，自鎖讓壓式錨桿不僅結構簡單、生產成本較低，而且后期能夠減少工作人員勞動強度。

2）與傳統的螺紋鋼錨桿支護工藝相比，新型支護錨桿能夠在相同屈服強度下增長錨桿長度，使得錨桿的錨固段能夠深深插入堅硬煤壁中，降低錨桿的失效率。

3）與傳統的支護工藝相比，自鎖機構能夠使錨桿外露部分的拉力全部傳遞到錨固段，增加了錨桿對頂板的支護強度，防止頂板離層現象的發生。

4）自鎖讓壓式錨桿能夠在頂板破碎嚴重或離層時使讓壓機構處于受壓狀態，由于錨桿能夠在頂板變形時發生讓壓耦合，從而降低頂板對錨桿的剪切，大大降低錨桿的失效率。

5 自鎖式讓壓式錨桿的應用

自鎖讓壓式錨桿在施工前，首先工作人員要使用錨索鉆機在巷道頂板施工鉆孔，鉆孔深度與直徑分別為3.5 m和0.03 m，之后在錨桿桿體上安裝自鎖機構，工作人員要在每排施工5個鉆孔，孔與孔之間的距離為1.2 m，且鉆孔與頂板要保持垂直。

之后施工人員要在每個鉆孔內依次加裝35型、60型錨固劑及自鎖讓壓式錨桿，施工人員在錨固錨桿時必須一次到位，否則支護效果會大大下降，安裝完成后自鎖讓壓式錨桿外露長度不得大于0.1 m。

當每排5個鉆孔全部安裝后，施工人員在自鎖讓壓式錨桿的外露端加裝“JW”型鋼帶機讓壓機構，之后用螺母進行固定，每根螺母的預緊力要大于150 N·m。

錨桿安裝完畢后自鎖機構為閉合狀態，且機構中安裝的自鎖片能夠緊緊鑲嵌于頂板煤壁內。一旦頂板發生破碎或變形，讓壓機構能夠使錨桿對變形頂板產生耦合讓壓效果，這樣就避免錨桿變形或失效。

6 自鎖式讓壓錨桿的應用效果

在人行巷道掘進至640 m處，對頂板施工了自鎖式讓壓錨桿，截止2019年11月巷道已掘進至700 m處，通過對應力區破碎帶頂板施工的自鎖式錨桿進行觀察分析發現，在破碎頂板區域掘進的20 d內，頂板破碎變形情況比較嚴重，部分頂板出現下沉，在破碎頂板區域掘進的30 d內，頂板下沉現象得到緩解，30 d后頂板下沉基本得到控制。使用這種支護錨桿不僅能夠使破碎頂板的變形現象得到緩解，還解決了傳統的支護錨桿無法讓壓耦合的現象；巷道采用自鎖式讓壓錨桿后，錨桿失效率由原來的8%降低為2%，全年可節約支護成本費用達42萬元，保證了破碎頂板穩定性，取得了顯著應用成效。