巷道支護工作中球形托盤的優化應用研究

張 嘉

（晉能控股煤業集團大西莊煤業大同有限公司，山西大同037000）

使井下巷道生產比較安全與穩定的前提條件就是支護是比較合理的。將支護劃分成2種支護，分別是主動支護、被動支護。前者最主要的支護就是錨桿（索）支護。支護構件所具有的壽命決定了錨桿(索)所存在的支護成效。該支護的效果失效的原因之一就是有變形發生在托盤中。在托盤發生變形之后，就不能有效地對錨桿(索)預應力進行施加，就降低了其錨固了，若嚴重程度比較高時，就會有脫離狀況發生在錨桿(索)桿件中。因為螺母和普通的方形托盤所接觸并有應力集中產生，所以，就有變形損害發生在普通的方形托盤，有較為嚴重的翹曲變形發生在四周。所以，需要找尋的托盤結構一定是合理的，有利于優化其支護的構件。

1 概述工程的背景

1.1 簡述工程的狀況

在40302工作面中有其運輸巷道，其主要對4#煤層進行開采，4#煤層的厚度與埋深分別是17～35m、770～790m。該巷道的東、南、西、北分別與井田東翼所開拓的大巷的保護煤柱、40210工作面、中間的2#回風大巷、40304 工作面。巷道的總長度是2200.6m，掘進方向與煤層的中間位置的方向相同，因為煤層變化的比較大，局部巷道主要為半煤巖巷或者巖巷。半圓拱形、矩形分別是巖巷、煤巷的斷面所具有的形狀，對應的凈寬分別是5500mm、5500mm，對應的凈高分別是3950mm、3500mm。

將槽鋼+W 型鋼帶+錨網索聯合支護使用到40302膠帶順槽中，將錨網索支護使用到巖巷段。表1 就是40302運輸巷支護參數。

表1 40302運輸巷支護參數

1.2 簡述工程中的問題

該工作面有比較大的埋深，煤層即為其頂板，由于高地應力對頂板的不斷作用，而導致破碎發生；當回采時，距離工作面之前的20m 區域中巷道應力集中的系數會由于特厚的煤層而增加。在2021 年7 月份，當巷道掘進時，得知托盤有脫離變形發生，且托盤是在掘進頭之后，若比較嚴重，那么就會有脫落發生在頂板的錨桿桿體中，降低了巷道支護的效果[1]。

2 分析巷道托盤支護的受力

存在于井巷內的支護就是錨桿(索)網聯合支護，對其錨固的成效有很大影響的構件就是托盤。對40302 運輸巷進行觀察得知，當巷道掘進時，最先有變形破壞發生的托盤安裝于錨桿(索)支護的結構內，由于托盤的變形而導致變形也發生在別的構件中，然后使支護的效果喪失。所以，要分析其受力狀況，還要將有關優化方案提出來。

2.1 分析方形托盤的受力

當錨桿(索)進行安裝時，把扭矩直接施加到螺母上，進而將預緊力提供給錨桿，使主動支護巷道圍巖得以實現。圖1就是方形托盤受力狀態圖，在方形托盤的表面上施加錨桿(索)預緊力，這就造成在托盤中心孔的四周分布著應力集中。

圖1 方形托盤受力狀態圖

從圖1 能夠發現，若托盤中間的預緊力是F，在托盤對煤巖壁進行作用時，就會有反作用力F′產生于托盤。按照F=F′，F、F′距離作用點的間距分別用L、L′來表示。從圖1（b）中發現，由于在托盤中心孔四周分布著其應力集中，在L′比L大時，就會有力矩從F與力F′中產生，對應力矩分別用FL、F′L′進行表示，并進行比較，得知FL比F′L′大。當方形托盤邊緣有比較大的扭矩時，就會有翹曲變形發生在該區域中。除此之外，由于錨桿和托盤的孔口的接合不大，若應力集中為其承受的最大值時，就導致有撕裂出現在托盤中心的孔口處，所以，將托盤附近邊緣所產生的扭矩減少，就能防止翹曲變形發生在托盤中。

2.2 分析球形托盤的受力

在托盤中，最新型的就是球形托盤，球形托盤的結構可以有效避免應力集中造成托盤四周邊緣有翹曲變形發生。如圖2所示。

圖2 球形托盤受力狀態圖

從圖2(b)中得知，當F、F′為定值時，因為空心半球殼具有的結構比較特殊，那么就將O點當作作用點，將受力點進行了轉移，將力臂增加了，那么FL增加了。于此同時，因為減少了F′力臂，那么其力矩也就減少了。還將孔口位置被應力集中所產生的撕裂降低。所以，該結構可以很好地將托盤所具有的承載能力提高，提高了其錨固效果。

把球形墊片在球形托盤中進行使用，而且球形托盤上的孔口和球形墊片上面的球面結構是相互適應的，這樣就把受力面積增加了，就提升了錨桿錨索的承載能力。除此之外，調心也是球形墊片所具有的作用，當有偏載作用到球形墊片時，可以馬上對其受力方向進行調節，可以防止損壞桿體[2]。

3 應用

經過上面的分析得知：因為球形托盤的球形結構比較特殊，有比較特殊的結構，能夠降低孔口位置的集中應力，還可以降低托盤外表邊緣所產生的扭矩，進而使翹曲變形發生的幾率降低。所以，可以將高強球形錨索托盤和球形墊片使用到該運輸巷的支護，且球形墊片和高強球形錨索托盤是配套的。

3.1 支護方案的優化

在該運輸巷內，之前的方形托盤被高強球形托盤所取代。而且，頂部支護錨桿托盤用150mm×150mm×12mm 規格取代之前的100mm×100mm×10mm 的規格，錨索托盤用200mm×200mm×15mm 規格取代之前的120mm×120mm×10mm 規格，幫部支護錨桿托盤用150mm×150mm×12mm 規格取代之前的100mm×100mm×10mm規格，錨索托盤用150mm×150mm×12mm規格取代之前的120mm×120mm×10mm規格。

3.2 應用效果的優化

由于要對巷道支護用球形托盤來進行優化所具有的合理性進行驗證，自錨桿（索）所具有的承載能力與球形托盤發生損壞的情況來檢測巷道支護中使用高強球形托盤的效果。

（1）在其順槽中，會選取球形托盤來進行支護，在有200m距離的錨桿(索)托盤中，任意選5個，來對錨桿(索)托盤的損壞狀況進行觀察。通過現場調研的最終結果發現，在用球形托盤進行取代之后，在托盤內任意選取45個，在這45個中有脫離狀況的托盤只有2個，并且這2個托盤沒有發生變形，這也許有失誤發生在操作中。計算得知，有4.4%的托盤發生了破壞，在優化之后，降低了損壞率。

（2）由于要對球形托盤優化支護的效果進行驗證，將球形托盤支護使用到40302 運輸巷，選擇1000～1800m 段來對試驗錨桿(索)破壞性的拉拔，間隔是200m，在這200m 中任意選擇的托盤中，沒有破壞的錨桿與錨索分別是3 根、2 根，可以使用LDZ-400 型礦用錨桿拉拔儀來測試其錨固力。從測試的最終結果發現，錨桿錨固力都在80kN以上，且錨桿數量是12根，錨索錨固力都在260kN 左右，且錨索數量是8 根，使巷道支護強度方面的要求得以滿足。

4 結束語

（1）因為應力集中于方形托盤孔口位置，那么托盤四周邊緣就會有翹曲變形發生。

（2）與普通的方形托盤相對比，由于球形托盤有比較特殊的結構，那么使托盤四周邊緣位置所產生的扭矩降低了，還將托盤四周邊緣位置的翹曲變形降低了。

（3）當優化選取高強球形托盤之后，可以降低托盤損壞的幾率，提高了支護性能。