霍州煤電錨桿支護材料標(biāo)準(zhǔn)化系列化研究

李建波，熊 巨

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.霍州煤電集團 紫晟煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 031400))

巷道支護理論與技術(shù)

霍州煤電錨桿支護材料標(biāo)準(zhǔn)化系列化研究

李建波1，熊 巨2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.霍州煤電集團 紫晟煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 031400))

在分析錨桿支護材料發(fā)展現(xiàn)狀和霍州煤電集團錨桿支護材料存在不足的基礎(chǔ)上，對霍州煤電集團原有支護材料進行改進，引進屈服強度500MPa級錨桿鋼材，開發(fā)新型錨桿錨索托板，使其與各種錨桿錨索更加匹配，增加球形墊圈和減摩墊圈，提高錨桿預(yù)緊扭矩轉(zhuǎn)化效果，更大限度發(fā)揮錨桿錨索支護作用，實現(xiàn)錨桿錨索和托板等附件的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。在各礦井下應(yīng)用均表明，改進后的支護材料支護效果良好。

錨桿支護材料；標(biāo)準(zhǔn)化；系列化；托板；墊圈

錨桿支護由于大幅度降低工人勞動強度，簡化端頭維護工藝，有利于采煤工作面快速推進等優(yōu)點，成為煤礦巷道支護的首選技術(shù)。我國煤礦錨桿支護技術(shù)經(jīng)歷了低強度、高強度和高預(yù)應(yīng)力錨桿支護等發(fā)展階段，錨桿錨索及其配件等支護材料在錨桿支護技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用。

霍州煤電自2000年大面積推廣應(yīng)用錨桿支護技術(shù)以來，現(xiàn)有支護技術(shù)解決了普通巷道支護問題，但仍存在復(fù)雜困難巷道返修量大、深部煤巷底鼓、單進低和差異化支護少等問題。對比我國在錨桿支護材料領(lǐng)域取得的最新研究成果，霍州煤電支護材料還有很大改進空間。本文在分析霍州煤電錨桿支護材料存在不足的基礎(chǔ)上，提出其改進方向，引進屈服強度500MPa級錨桿鋼材，實現(xiàn)桿體索體材料系列化；開發(fā)新型錨桿錨索托板，使其更加匹配，增加球形墊圈和減摩墊圈，提高錨桿預(yù)緊扭矩轉(zhuǎn)化效果，更大限度發(fā)揮錨桿錨索支護作用，實現(xiàn)錨桿錨索托板和附件等材料的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。

1 霍州煤電錨桿支護材料改進方向

收集原有支護材料，包括錨桿及螺母、錨桿托板、錨索及鎖具、錨索托板和錨固劑等，在實驗室按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對上述材料進行力學(xué)性能測試，結(jié)果表明，錨桿桿體及螺母均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，錨桿托板承載力偏低，直徑15.24mm和17.8mm錨索及鎖具力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，錨固劑性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.1 桿體索體材料改進方向

霍州煤電原有的錨桿桿體材料均為屈服強度335MPa的螺紋鋼，直徑18～22mm，少量礦井使用圓鋼錨桿。錨索材料主要為1×7股直徑為15.24，17.8，18.9和21.6mm鋼絞線。在井下使用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巷道埋深超過600m或受強烈動壓影響時，錨桿錨索破斷時有發(fā)生，可見面對深部復(fù)雜困難條件時，需要提高錨桿錨索強度，況且下一步霍州煤電新建礦井埋深將進一步加大，支護難度進一步增加，引進開發(fā)高強度錨桿錨索材料迫在眉睫。

1.2 錨桿錨索托板改進方向

錨桿錨索托板是支護中不可缺少的構(gòu)件，其具有以下作用：托板通過擠壓圍巖表面提供預(yù)緊力，使圍巖處于三向受力狀態(tài)，明顯改善巷道圍巖受力狀態(tài)；托板受載后將力傳遞給錨桿錨索，增大錨桿錨索工作阻力，限制圍巖節(jié)理面的離層與相對錯動，充分發(fā)揮錨桿錨索對圍巖節(jié)理面的加固作用，提高圍巖的穩(wěn)定性。故對托板有以下要求：應(yīng)有與錨桿錨索相匹配的承載能力；應(yīng)有一定的變形量來適應(yīng)巷道變形；具有一定的調(diào)心功能，調(diào)節(jié)偏心作用；具有一定的護表面積，將預(yù)應(yīng)力擴散至圍巖。

霍州煤電原有錨桿托板有2種規(guī)格，一種直徑為130mm，板厚8mm，拱高29mm，見圖1，承載力120～130kN之間；另一種直徑為100mm，板厚6mm，拱高27mm，承載能力在140～150kN之間。

圖1 原有直徑130mm錨桿托板

依據(jù)檢測結(jié)果，2種托板承載力均不能與現(xiàn)有錨桿完全匹配；對照錨桿托板力學(xué)性能要求，原有托板均不能實現(xiàn)調(diào)心，護表面積也偏小。

霍州煤電原有錨索托板規(guī)格頗多，以各礦自備為主，均為方形平托板，尺寸從250mm×250mm到400mm×400mm不等，厚度從14～20mm不等。平托板承載力低，井下使用過程中易出現(xiàn)翻蓋變形，見圖2。部分托板面積大，厚度大，造成材料浪費，不能實現(xiàn)調(diào)心，托板孔容易切割錨索，導(dǎo)致鋼絲破斷。

圖2 錨索平托板井下變形情況

由上述可見，霍州煤電原有錨桿錨索托板存在明顯不足，需要研發(fā)新型托板，力學(xué)性能與錨桿錨索匹配，不同規(guī)格托板與不同直徑錨桿錨索配套，形成系列化。

1.3 錨桿錨索附件改進方向

錨桿錨索附件主要為球形墊圈和減摩墊圈，與錨桿錨索托板配合使用，霍州煤電原有支護材料中沒有使用這2種構(gòu)件，在研發(fā)新型托板的同時，研發(fā)配套球形墊圈和減摩墊圈。

2 桿體和索體材料系列化研究

2.1 桿體材料系列化研究

錨桿桿體材料向高強度高剛度方向發(fā)展，主要途徑有2個：一是加大錨桿直徑，但受制約與鉆孔直徑和三徑匹配；二是提高錨桿鋼材屈服強度?？紤]霍州煤電實際情況，本次桿體材料系列化主要是引進直徑22mm，屈服強度500MPa級的錨桿鋼材，形成直徑16mm圓鋼、直徑18，20，22mm螺紋鋼和直徑22mm，屈服強度500MPa級錨桿系列，共5類，各礦井在掘進支護時根據(jù)支護難度和礦壓情況選用。按國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料-室溫拉伸實驗方法》(GB/T228-2002)和《鋼筋混凝土用鋼》(GB1499.2-1997)要求，在JAW-1500型電液伺服材料試驗機上對5類桿體材料力學(xué)性能進行了測試，每類錨桿取樣3根，最后對其各參數(shù)取平均值，結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，5類桿體材料各項指標(biāo)均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 5類錨桿力學(xué)性能測試結(jié)果

2.2 索體材料系列化研究

錨索材料同樣采用引進結(jié)構(gòu)為1×7股直徑21.6mm 和1×19股直徑為21.8mm鋼絞線，提升索體材料破斷力和伸長率。最終形成1×7股直徑為15.24，17.8，18.9，21.6mm和1×19股直徑為21.8mm鋼絞線5個系列，由于直徑15.24mm錨索適用范圍有限，已基本不再使用，主要使用的有4類。同樣在JAW-1500型電液伺服材料試驗機上按國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料-室溫拉伸實驗方法》(GB/T228-2002)和《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》(GB/T5224-2003)對4類索體材料力學(xué)性能進行了測試，每類錨索取樣3根，最后對其各參數(shù)取平均值，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，4類索體材料各項指標(biāo)均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 4類錨索力學(xué)性能測試結(jié)果

3 錨桿錨索托板標(biāo)準(zhǔn)化系列化研究

3.1 新型錨桿托板研究

按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《樹脂錨桿-第2部分：金屬桿體及其附件》(MT146.2-2011)中5.3條“托板承載力應(yīng)不小于與之配套桿體屈服力標(biāo)準(zhǔn)值的1.3倍”之強制性要求，5類錨桿其配套托板承載力如表3所示。

表3 5類錨桿配套托板最低承載力要求

原有錨桿托板承載力無法與所有類型錨桿相配套。而且，原有托板孔窩無法實現(xiàn)調(diào)心，護表面積偏小，需要開發(fā)系列新型托板，經(jīng)過調(diào)研分析，最終確定新型托板方案：尺寸均為150mm×150mm，拱形結(jié)構(gòu)，板厚分別為6，8和10mm，改變孔窩形狀，添加配套調(diào)心球墊和減摩墊圈。3種托板實物照片見圖3。

圖3 新型錨桿托板(從左至右依次為6，8，10mm厚)

按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《樹脂錨桿-第2部分：金屬桿體及其附件》(MT146.2-2011)要求，對3種新型托板各選3塊進行了承載力檢測，其尺寸規(guī)格、平均承載力和配套錨桿見表4。

表4 3種錨桿托板承載力檢測結(jié)果

3.2 新型錨索托板研究

按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《礦用錨索》(MT/T942-2005)要求，錨索托板承載應(yīng)不低于索體破斷力的0.9倍。霍州煤電原有錨索均為平托板，承載力低，井下使用中經(jīng)常出現(xiàn)翻蓋變形，為此開發(fā)了新型錨索托板。結(jié)合霍州煤電4種常用的錨索，確定新型托板方案：尺寸均為300mm×300mm，拱形結(jié)構(gòu)，板厚分別為12，14和16mm，改變孔窩形狀，添加配套調(diào)心球墊。3種托板實物照片見圖4。

圖4 新型錨索托板(從左至右依次為12，14，16mm厚)

按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《礦用錨索》(MT/T942-2005)要求，對3種新型托板各選3塊進行了承載力檢測，其平均承載力和配套錨索見表5。

表5 3種錨索托板承載力檢測結(jié)果

4 錨桿錨索附件

4.1 球形墊圈

研制開發(fā)新型錨桿錨索托板時，即考慮孔窩與球墊相配套，井下使用時添加調(diào)心球墊有助于桿體索體盡量處于受拉狀態(tài)，避免桿體索體尾部受彎受剪。

4.2 減摩墊圈作用現(xiàn)場研究

減摩墊圈主要作用為提高錨桿預(yù)緊扭矩與桿體預(yù)緊力間轉(zhuǎn)化系數(shù)，實驗室研究表明，1010尼龍是減摩墊圈理想的材料。新型托板研制出來以后，在回坡底礦井下進行了頂板錨桿預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化試驗，設(shè)置了2種方案：錨桿與球墊間無減摩墊圈；錨桿與球墊間加1010尼龍減摩墊圈。試驗中采用錨桿測力計測量錨桿受力，采用扭矩扳手對錨桿螺母施加預(yù)緊扭矩，大小級別為100，150，200，300N·m，試驗結(jié)果見圖5。

圖5 頂板錨桿扭矩轉(zhuǎn)化試驗

從圖5可以得出以下結(jié)論：

(1)未加減摩墊圈錨桿預(yù)緊力也隨著預(yù)緊扭矩的增大而增長，預(yù)緊扭矩100～150N·m范圍，錨桿預(yù)緊力介于12.67～14.67kN之間。當(dāng)預(yù)緊扭矩增大到200～300N·m，錨桿預(yù)緊力19.56～47.11kN，由200N·m增加到300N·m，錨桿預(yù)緊力增大2.4倍。

(2)球墊上加1010尼龍減摩墊圈，錨桿預(yù)緊力也隨扭矩增大而增長。預(yù)緊扭矩在100～150N·m范圍，錨桿預(yù)緊力介于16.85～28.17kN之間。隨著扭矩增大到200～300N·m，錨桿預(yù)緊力在41.45～67.77kN，與未加減摩墊圈相比相同扭矩下錨桿獲得的預(yù)緊力約增加20kN?？梢姕p摩墊圈明顯提高桿體預(yù)緊力。

5 新型支護材料井下應(yīng)用

標(biāo)準(zhǔn)化系列化支護材料研制成功后，在霍州煤電11座礦井推廣應(yīng)用，各礦根據(jù)自身地質(zhì)條件和礦壓顯現(xiàn)情況，選擇相應(yīng)的錨桿錨索和配套構(gòu)件。實踐表明，標(biāo)準(zhǔn)化系列化支護材料力學(xué)性能更加匹配，避免了原有支護材料容易發(fā)生變形的缺點，更有助于錨桿錨索預(yù)緊力施加，支護效果更好。

6 結(jié) 論

(1)在分析錨桿錨索支護材料發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的基礎(chǔ)上，對霍州煤電原有支護材料進行力學(xué)性能檢測，結(jié)合霍州煤電各礦井實際，提出錨桿錨索支護材料改進方向：桿體索體向高強度方向發(fā)展，形成系列化；研制開發(fā)新型錨桿錨索托板，使其承載力與相應(yīng)錨桿錨索相配套，形成系列化；添加球形墊圈和減摩墊圈，改善錨桿錨索受力狀態(tài)，提高錨桿預(yù)緊力。

(2)引進屈服強度500MPa級錨桿和1×19股直徑21.8mm錨索，減少深部、強烈動壓等情況下錨桿錨索破斷情況。

(3)研制開發(fā)新型錨桿托板，共3種規(guī)格，改變托板結(jié)構(gòu)，提高承載力，加大護表面積，改變孔窩形狀，添加球形墊圈和減摩墊圈，3種托板與不同直徑錨桿配套使用，形成系列。

(4)研制開發(fā)新型錨索拱形托板，共3種規(guī)格，提高承載力，不再使用易變形且浪費材料的平托板，改變孔窩形狀，添加球形墊圈，3種托板與不同直徑錨索配套使用，形成系列。

(5)引進開發(fā)的新型支護材料在11座礦井推廣應(yīng)用，由于各構(gòu)件力學(xué)性能更匹配現(xiàn)場使用效果良好。

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[責(zé)任編輯：姜鵬飛]

StudyofStandardizationandSerializationofAnchoringSupportMaterialofHuozhouCoalPower

LI Jian-bo1，XIONG Ju2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Huozhou Coal Power( Group) Zisheng Coal Co.，Ltd., Linfen 031400, China)

Based on the problems of anchoring support material of Huozhou coal power group and development state were analyzed，the original anchoring support material of Huozhou coal power group were improved，the rock bolt steel that yield strength is 500MPa was used in field，and new type rock bolt and anchor plate was developed，and it could be matched with all kinds of rock bolt and anchor，spherical washer and antifriction washer also used in field，and translation effects of rock bolt pretension torsion moment was improved also，and supporting results of rock bolt and anchor was utilized largely，standardization and serialization of rock bolt，anchor and plate were realized，the field test showed that supporting results of improvement support material was favourable.

anchoring bolt support material；standardization；serialization；layer board；washer

TD353.6

A

1006-6225(2017)05-0041-04

2016-10-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.010

國家重點研發(fā)計劃(2017YFC0603003)

李建波(1981-)，男，江西瑞昌人，助理研究員，從事煤礦錨桿支護技術(shù)研究和推廣應(yīng)用工作。

李建波，熊 巨.霍州煤電錨桿支護材料標(biāo)準(zhǔn)化系列化研究[J].煤礦開采，2017，22(5)：41-44.