回采巷道錨桿支護構件及錨桿關鍵支護參數優化研究

何少帥

（中煤大同能源有限責任公司塔山煤礦，山西 大同 037000）

1 概況

中煤塔山煤礦設計生產能力3.00 Mt/a，3-5#煤層平均厚度15.96 m，采用放頂煤開采工藝。工作面順槽沿煤層底板掘進，順槽巷道存在特厚煤層托頂煤支護難題。3-5#煤層巷道頂板和兩幫屬于全煤，煤體強度普氏系數2～3，圍巖裂隙較為發育，巷道圍巖穩定性較差，巷道支護具有較大難度。

2 支護材料及關鍵支護參數現狀

30515 回風順槽設計寬度為5.2 m，設計高度為4.0 m，斷面20.8 m2。30515 回風順槽鄰近30501工作面采空區，巷道區段煤柱寬10 m，是小煤柱掘進巷道。30515 回風順槽現支護頂錨桿6 根，幫錨桿每側4 根，錨桿規格為Φ22 mm-M24-2400 mm 左旋無縱筋螺紋錨桿，間排距1000 mm×1000 mm，錨桿預緊力矩200 N·m；頂錨索5 根，錨索采用Φ21.8 mm×8300 mm 的預應力鋼絞線，間排距1300 mm×2000 mm，錨索預緊力170 kN。

30515 回風順槽掘進至350 m 里程時開始發生錨桿破斷現象，掘進至800 m 里程時，巷道共計破斷錨桿170 根，并且破斷錨桿頂板和兩幫都有。掘進期間頂板和兩幫位移較大，頂板最大位移300 mm，煤幫最大位移達到500 mm。現有支護材料統計見表1。

表1 現有支護材料統計表

3 現用錨桿力學性能試驗

對現有錨桿支護材料，包括錨桿桿體、桿尾螺紋段、錨桿托板以及錨桿預緊力矩轉化關系進行試驗研究[1-3]。

3.1 錨桿桿體及桿尾螺紋段強度性能檢測

針對現用的錨桿進行試驗，檢測其最主要的幾項力學性能指標，包括桿體及螺紋段的抗拉強度、屈服強度、變形破斷狀態。選取30515 回風順槽在用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，取長度為800 mm 進行試驗。

（1）Φ22-M24-2400 型左旋無縱筋螺紋鋼桿體的屈服強度在363～373 MPa 之間，屈服力在137.1～140.1 kN，抗拉強度在581～582 MPa 之間，破斷力平均為219.48 kN。

（2）Φ22-M24-2400 型左旋無縱筋螺紋鋼桿體尾部螺紋段的屈服力在193.4～199.4 kN 之間，屈服力平均為195.88 kN，破斷力在215.7～218.8 kN 之間，平均為217.35 kN。

3.2 錨桿托板承載力檢測

試驗測試30515 回風順槽現用的拱形托板的承載能力和變形特征，并與新型錨桿托板力學性能做對比分析。選擇現用三組不可調心拱形托板，規格為150 mm×150 mm×10 mm； 采 用JAW-1500kN萬能材料試驗機試驗，對托板進行加載，監測托板變形全過程。

（1）三組規格為150 mm×150 mm×10 mm 錨桿托板的承載力試驗結果分別為216.33 kN、227.4 kN 和228.5 kN，平均為224.1 kN。

（2）三組規格為150 mm×150 mm×10 mm 錨桿托板高度分別為31 mm、30.6 mm 和30.7 mm，平均30.7 mm。

圖1 是高強度拱形可調心錨桿托板及托板加載與位移曲線。新型錨桿托板規格150 mm×150 mm×10 mm，與目前現有托板規格保持一致，但是托板的承載力達到412.6 kN，是目前現有托板平均承載力的1.8 倍，同時托板的拱高達到36 mm，新型錨桿托板的力學性能要優于目前現用的托板。

圖1 新型錨桿托板負荷與位移變化曲線

3.3 錨桿螺母預緊扭矩與預緊力轉化試驗

選擇Φ22-M24-2400 型左旋無縱筋螺紋鋼錨桿桿體、配套螺母以及150 mm×150 mm×10 mm 拱形托板。將錨桿自螺母段截取800 mm 制作試樣，試樣尾部兩側焊接兩個長約100 mm 的錨桿桿體用于對錨桿施加扭矩時固定錨桿。采用扭矩扳手對裝配好的錨桿螺母施加扭矩，扭矩與預緊力的對應關系用錨桿測試計監測，扭矩最大加到500 N·m，每隔50 N·m 讀錨桿測力計讀數一次，根據測力計讀數的變化計算出不同扭矩下錨桿所受軸力的大小。錨桿螺母預緊扭矩與預緊力轉化試驗結果見表2 和圖2。

圖2 錨桿螺母預緊扭矩與預緊力轉化曲線

錨桿螺母預緊扭矩與預緊力轉化基本呈線性相關的關系，即錨桿預緊力矩越大，錨桿軸向預緊力越大，此時錨桿對巷道圍巖的主動加固越明顯，巷道加固效果越好。從表2 可以看出，隨著錨桿預緊力矩的增加，錨桿軸向預緊力增加的幅度在降低，這一點從錨桿的預緊力矩轉化系數可以明顯地看出。當錨桿預緊力矩小于200 N·m 時，錨桿的預緊力矩轉化系數平均在0.2 左右；隨著錨桿預緊力矩的增加，當錨桿預緊力矩大于400 N·m 時，錨桿的預緊力矩轉化系數降低至0.17，增加幅度在降低。

表2 錨桿螺母預緊扭矩與預緊力轉化試驗數據

3.4 錨桿錨固性能分析

由于3-5#煤層為全煤巷道，錨桿錨固段全部位于煤層之中，其強度和結構有其自身的特殊性，試驗地點位于30515 回風順槽100 m 里程處。通過現場的拉拔試驗表明，采用一根K2360 和一支CK2335 的錨固劑，錨桿的錨固力到達154 kN 以上，滿足錨桿錨固力的要求。

4 錨桿材質及關鍵參數優化

4.1 錨桿桿體強度優化

根據30515 回風順槽錨桿破斷情況，錨桿破斷位置以螺紋段和螺紋段向上0.5～1 m 位置為主。目前回采巷道錨桿牌號335，錨桿桿體破斷力219 kN。優化后，桿體為Φ22 mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋，牌號500，錨桿桿體破斷力不小于310 kN，錨桿桿體強度提升了42%。

4.2 錨桿托盤結構優化

塔山煤礦此前使用的不可調心的拱形托板，托板結構設計存在缺陷。優化后新型托盤托板拱高由20 mm 增加到43 mm，以吸收巷道高應力，增加托盤強度，孔口設倒角，能夠與調心球墊相匹配。

4.3 錨桿構件增加調心球墊及減摩墊片

在托板和螺母之間加入調心球墊和減摩墊片，通過調心球墊的調節作用，在錨桿承受偏心載荷作用時，能夠調節錨桿桿體受力狀態。

減摩墊片能夠大幅度提高錨桿預緊力矩和預緊力之間的轉化效果。根據實驗室試驗，使用不同減摩墊片，相同預緊力矩條件下，轉化成錨桿軸向預緊力差別很大，如圖3 所示。試驗結果表明，不使用減摩墊片錨桿預緊力最低，而使用1010 尼龍墊片錨桿軸向力最大。

圖3 不同減摩墊片錨桿預緊力矩轉化效果對比

4.4 錨桿預緊力提升

目前錨桿預緊力矩200 N·m，其中還有的錨桿預緊力矩達不到200 N·m，此時錨桿預緊力矩轉化效率不足0.2，即錨桿軸向預緊力不到40 kN。根據前述試驗，錨桿的屈服力為140 kN，因此錨桿強度利用率28.5%，沒有充分地發揮出錨桿的強度性能，對巷道圍巖加固作用很低，沒有充分發揮出錨桿支護體系及時主動的核心作用。優化提升后，錨桿預緊力矩增加到400 N·m，錨桿預緊力大于100 kN。

4.5 螺母結構優化

對現有錨桿螺母進行改進優化，采用高強錨桿螺母M22×2.5，螺母與托盤接觸端加大螺母外徑，以增大螺母與托盤接觸面積。螺母外端使用鋼片式快速安裝螺母，并且螺母鋼片脫落預緊力矩不得小于100 N·m，保證錨固劑攪拌均勻。

4.6 錨桿其他構件優化

幫部錨桿增加厚度4 mm、寬度280 mm、長度為450 mm 的W 鋼護板護幫，以補強幫部整體強度。增加了頂部錨桿倍增器和幫部錨桿風動扳手，以增加錨桿預緊力矩。

5 結論

通過對塔山煤礦錨桿桿體、構件及關鍵技術參數進行優化，取得了以下效果：

（1）錨桿構件優化后，錨桿預緊力矩達到400 N·m 時，錨桿預緊力可達到120 kN。

（2）錨桿材質強度提升后，在調心球墊、減摩墊片和W 鋼護板共同作用下，30515 回風順槽后期沒有出現錨桿破斷情況，巷道支護效果得到提升。

（3）增加巷道錨桿支護強度后，幫部增加W鋼護板護幫，巷道幫部圍巖變形量由原平均變形量500 mm 減小到200 mm，頂板淺部離層量由最大離層量300 mm 減小到100 mm 以內，巷道圍巖整體完整性提升。