湖西礦井深部沿空掘巷高強(qiáng)錨桿破斷形式與預(yù)防對(duì)策

黃忠福

(大同煤礦集團(tuán)軒崗煤電有限公司)

高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)被提出后，相繼在新汶、淮南、潞安、晉城、汾西等多個(gè)礦井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示巷道圍巖變形量明顯減小，取得了良好的支護(hù)效果，成功解決了復(fù)雜條件下的多種支護(hù)難題[1-2]。但在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于高強(qiáng)錨桿具有剛度大、性脆、延伸率低等特點(diǎn)，在軸向上無(wú)法隨圍巖變形及時(shí)讓壓或在橫向上受到較大的剪切作用時(shí)，錨桿易發(fā)生破斷，進(jìn)而導(dǎo)致支護(hù)系統(tǒng)破壞，巷道變形加劇[3-4]。本研究針對(duì)西湖礦井3102工作面沿空輸運(yùn)巷道高強(qiáng)度錨桿失效的原理，并結(jié)合井下錨桿破斷與鋼帶變形現(xiàn)狀，討論深部沿空掘巷高強(qiáng)錨桿破斷機(jī)理，進(jìn)而對(duì)預(yù)防井下高強(qiáng)度錨桿破裂的對(duì)策進(jìn)行探討。

1 工程概況

湖西礦井3102工作面沿空運(yùn)輸巷的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 062 m，承擔(dān)3102綜采工作面通風(fēng)、行人、煤炭運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)，服務(wù)年限3 a，3102工作面沿空運(yùn)輸巷與3101工作面軌道巷之間留設(shè)5 m寬小煤柱，屬于沿空掘巷。3102工作面位于二采區(qū)東南部，地面相對(duì)位置在昭陽(yáng)湖內(nèi)的小楊莊正東方向，開(kāi)采煤層為二疊系山西組3上煤層，煤層平均厚約4 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部由于受到地質(zhì)構(gòu)造影響，煤層較薄[5]。該區(qū)主要構(gòu)造為寬緩向斜，煤層走向NE—NW，傾向NW—SW，傾角7°～15°。3上煤層所在的二疊系山西組地層后期遭到剝蝕，而后又沉積了侏羅系地層。該煤層以上的山西組地層由西南向東北逐漸變薄，西南部大巷保護(hù)煤柱附近厚約45 m，東北至設(shè)計(jì)位置時(shí)被完全剝蝕。煤層頂板由下至上巖性依次為泥巖、粉砂巖、砂巖；煤層底板由上至下巖性依次為泥巖、砂巖(表1)。

黃忠福(1963—)，男，副總經(jīng)理，工程師，034114 山西省原平市。

表1 3上煤層頂?shù)装逄卣鱗6]

3102工作面沿空運(yùn)輸巷采用高強(qiáng)錨桿+錨索+鋼帶+金屬網(wǎng)組合支護(hù)方式。頂板采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿，規(guī)格為φ22 mm×2 400 mm；桿體為φ22 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，Q500材質(zhì)；頂板錨桿間距900 mm，排距900 mm；錨索規(guī)格為φ17.8 mm×7 000 mm，分別布置于頂板中部和沿空側(cè)。兩幫采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿，規(guī)格為φ20 mm×2 400 mm；桿體為φ20 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，Q500材質(zhì)；錨桿外端安設(shè)防沖讓壓構(gòu)件；兩幫錨桿間距800 mm，排距900 mm。頂板及兩幫采用鋼帶+金屬網(wǎng)護(hù)表，其規(guī)格可根據(jù)巷道斷面實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

2 錨桿破斷及鋼帶變形情況

根據(jù)對(duì)3102工作面沿空運(yùn)輸巷錨桿破斷現(xiàn)象的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，可知該巷道在掘進(jìn)期間的變形以沿空幫變形為主，頂板及實(shí)體煤幫變形量較小，頂板圍巖完整性較好，巷道表面較平整，兩幫煤體破碎比較明顯。3102工作面沿空運(yùn)輸巷錨桿破斷位置主要位于巷道頂角、幫角處(圖1)。錨桿破斷形態(tài)主要表現(xiàn)為剪斷，斷口齊平、無(wú)明顯徑縮，斷裂位置一般位于錨桿端部與鋼帶接觸的位置(圖2)。在發(fā)生錨桿破斷的附近位置，巷道頂板和幫部鋼帶存在明顯變形現(xiàn)象，其中，幫部鋼帶主要表現(xiàn)為彎曲變形，頂板鋼帶主要表現(xiàn)為折曲變形，具有明顯的受擠壓特征(圖3)。

圖1 錨桿破斷

圖2 錨桿破斷

圖3 鋼帶變形

3 深部沿空掘巷高強(qiáng)錨桿破斷機(jī)理

結(jié)合湖西礦井3102工作面沿空運(yùn)輸巷道的錨桿破斷實(shí)際情況及不同位置錨桿受力的對(duì)比分析，可知一般情況下最易發(fā)生錨桿破斷的位置為巷道的頂角、幫角，破斷形式多為剪斷，斷口位置通常位于錨桿與鋼帶的接觸點(diǎn)附近。特殊情況下，錨桿受拉力作用而產(chǎn)生的破斷現(xiàn)象往往發(fā)生于頂板錨桿[6]，是因?yàn)椋孩儆捎陧敯邋^桿錨固段位于穩(wěn)定巖層中，錨固性能較好，在頂板淺部巖體破壞后產(chǎn)生位移的過(guò)程中，錨桿因懸吊作用產(chǎn)生較大的拉力，而幫部錨桿處于穩(wěn)定性相對(duì)較低的煤體中，力學(xué)性能較差，因此在圍巖破壞產(chǎn)生變形時(shí)易隨煤幫一并向外鼓出，導(dǎo)致錨桿錨固效力降低，從而無(wú)法充分發(fā)揮錨桿的高強(qiáng)度特性；②在鄰近工作面頂板垮落的影響下，易產(chǎn)生局部沖擊載荷，由于壓力大、時(shí)間短，錨桿無(wú)法及時(shí)讓壓，從而導(dǎo)致錨桿崩斷。

4 深部沿空掘巷高強(qiáng)錨桿破斷預(yù)防對(duì)策

深部沿空掘巷高強(qiáng)錨桿破斷導(dǎo)致錨桿支護(hù)的巷道存在巨大的安全隱患，不僅浪費(fèi)了大量的金屬材料，降低了錨桿利用率，而且容易因局部錨桿失效而引發(fā)整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)。

(1)改善錨桿受力環(huán)境。錨桿產(chǎn)生破斷的原因較多，但本質(zhì)上都是由于圍巖變形引發(fā)了一系列變形不協(xié)調(diào)、局部應(yīng)力集中以及強(qiáng)度、剛度不耦合等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致錨桿受力不均勻，最終引發(fā)錨桿破斷。因此，只有設(shè)計(jì)合理的支護(hù)參數(shù)，提高圍巖的整體支護(hù)強(qiáng)度，并通過(guò)合理設(shè)計(jì)讓壓參數(shù)，才能有效預(yù)防錨桿破斷并取得良好的支護(hù)效果。

(2)減小錨桿端部受力。很多情況下，由于圍巖性質(zhì)、動(dòng)壓等因素的存在，僅靠加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度無(wú)法將圍巖變形控制在理想范圍內(nèi)，如此則需要采取其他措施來(lái)減小錨桿受力。鋼帶對(duì)錨桿的剪切作用是引發(fā)錨桿破斷的最主要因素。因此，為減小鋼帶對(duì)錨桿的剪切力，可采用鋼帶托盤(pán)替代鋼帶來(lái)對(duì)支護(hù)方式進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)礦井實(shí)際條件，可使用鋼帶托盤(pán)完全代替鋼帶，也可以?xún)H在受力較大的關(guān)鍵部位采用。使用鋼帶托盤(pán)進(jìn)行支護(hù)后，巷道幫部煤體外鼓時(shí)，鋼帶托盤(pán)可以隨錨桿端部一同運(yùn)動(dòng)，使錨桿桿體受到的剪切作用力顯著降低，從而可以有效預(yù)防錨桿破斷現(xiàn)象的發(fā)生。

(3)提高桿體端頭強(qiáng)度。我國(guó)傳統(tǒng)的錨桿螺紋加工工藝需要進(jìn)行剝皮、滾絲，加工后的錨桿端部螺紋內(nèi)徑比桿體的公稱(chēng)直徑縮小10%～13%，截面積縮小20%～22%[7-10]。錨桿的極限強(qiáng)度取決于整根錨桿的最低強(qiáng)度，尤其是錨桿端部通常與鋼帶接觸，當(dāng)受到來(lái)自鋼帶的剪切力時(shí)，易發(fā)生破斷，而錨桿在該位置發(fā)生破斷時(shí)的破斷載荷通常達(dá)不到錨桿材料的屈服載荷，即采用傳統(tǒng)工藝加工的錨桿無(wú)法充分發(fā)揮高強(qiáng)錨桿材料的強(qiáng)度特性，造成了強(qiáng)度的極大浪費(fèi)。因此，為充分利用高強(qiáng)錨桿的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，應(yīng)對(duì)錨桿的受力較集中部位進(jìn)行特殊處理，如在錨桿尾部螺紋段可以通過(guò)加熱后墩粗的方法首先提高錨桿尾部的強(qiáng)度，然后進(jìn)行滾絲加工出螺紋。該方法能夠增大錨桿尾部螺紋內(nèi)徑，無(wú)論在抗拉還是在抗剪方面，均能夠有效確保錨桿強(qiáng)度，從而防止錨桿發(fā)生破斷。

5 結(jié) 論

(1)深部沿空掘巷掘進(jìn)期間的變形以沿空幫為主，頂板及實(shí)體煤幫變形較小，其中，頂板圍巖完整性較好，巷道表面較平整，兩幫煤體破碎比較明顯。

(2)深部沿空掘巷高強(qiáng)錨桿的破斷位置主要位于巷道頂角、幫角處，錨桿斷口齊平、無(wú)明顯徑縮。沿空掘巷頂板和兩幫鋼帶具有明顯的變形現(xiàn)象，其中，兩幫鋼帶主要表現(xiàn)為彎曲變形，頂板鋼帶主要表現(xiàn)為折曲變形。

(3)深部沿空掘巷高強(qiáng)錨桿產(chǎn)生破斷的主要原因?yàn)槔^(guò)大導(dǎo)致錨桿崩斷、鋼帶變形擠壓錨桿引發(fā)錨桿破斷以及錨桿變形擠壓鋼帶引發(fā)錨桿破斷。采用改善錨桿受力環(huán)境、減小錨桿端部受力以及提高桿體尾部強(qiáng)度等措施有助于預(yù)防錨桿發(fā)生破斷。

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