煤巷錨桿支護(hù)構(gòu)件失效機制及其優(yōu)化研究

安智強

【摘 要】 針晉華宮礦煤巷掘進(jìn)過程中局部區(qū)域常出現(xiàn)錨桿支護(hù)失效問題，如鐵絲網(wǎng)、鋼帶、托板等零部件的破損或斷裂，不僅多次返修，影響支護(hù)進(jìn)度，還造成支護(hù)成本的增加。本文研究了晉華宮礦錨桿支護(hù)構(gòu)件的破斷特征，分析了構(gòu)件的失效機制，并對其進(jìn)行優(yōu)化。托板由平板狀優(yōu)化為拱形，并配調(diào)心球墊;設(shè)計了可指示鉆孔深度的黃色熒光條;鋼帶中心孔口由圓形變?yōu)閮蓚€半圓狀;金屬網(wǎng)由菱形變?yōu)槎噙吚p繞編織。將這些新的支護(hù)構(gòu)件應(yīng)用后不僅可加快生產(chǎn)進(jìn)度和開機率，還可大幅減少成本，對類似條件下的巷道錨桿支護(hù)起到一定借鑒。

【關(guān)鍵詞】 錨桿支護(hù);構(gòu)件;托板;鋼帶;金屬網(wǎng)

【中圖分類號】 TD353+.6 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）03-0038-04 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1引言

晉華宮礦11#煤層307盤區(qū)西翼皮帶巷、2709巷施工過程中，巷道局部區(qū)域常出現(xiàn)錨桿支護(hù)失效問題，如鐵絲網(wǎng)、鋼帶、托板等零部件的破損或斷裂。導(dǎo)致錨桿支護(hù)返修率較高，存在二次或多次重復(fù)支護(hù)或修護(hù)。不僅支護(hù)材料浪費嚴(yán)重，還影響支護(hù)進(jìn)度，不利于錨桿支護(hù)作業(yè)的安全快速進(jìn)行，對掘進(jìn)進(jìn)度產(chǎn)生重要影響。如果這些局部現(xiàn)象發(fā)生較多，一旦處理不及時，可能會引發(fā)錨桿支護(hù)頂板的整體垮冒事故，其危害性極大。因此，研究煤巷錨桿支護(hù)失效機理及其優(yōu)化具有重要意義。目前煤礦錨桿支護(hù)的研究多集中在錨網(wǎng)索組合方式、錨桿長度與間排距優(yōu)化、錨桿與圍巖的協(xié)同作用等方面，而對錨桿的附屬構(gòu)件（如托板、鋼帶、金屬網(wǎng)等）的研究很少，尤其是各個零部件的損壞機制與優(yōu)化原則。

本文系統(tǒng)研究了晉華宮礦煤巷掘進(jìn)過程中托板、鋼帶、金屬網(wǎng)等支護(hù)構(gòu)件的破斷特征，分析了構(gòu)件的失效機制，并對其進(jìn)行了優(yōu)化。研究結(jié)果的應(yīng)用可加快生產(chǎn)進(jìn)度和掘進(jìn)機的開機率，減少支護(hù)成本，對類似條件下的巷道錨桿支護(hù)起到一定借鑒。

2 錨桿托板破裂機制及其優(yōu)化

2.1 托板破裂機制

錨桿托板的作用主要有兩點：①預(yù)應(yīng)力的提供與擴(kuò)散。對螺母施加扭矩對托板作用后，托板會給錨桿提供主動作用力，也就是預(yù)應(yīng)力;②載荷傳遞作用。圍巖如果變形的話，會將該部分載荷作用到托板，托板會把這種作用力傳遞給錨桿桿體，從而提高錨桿工作阻力，限制圍巖變形。晉華宮礦錨桿托板普遍采用方形帶孔平鋼板，尺寸為110×110mm?，F(xiàn)場應(yīng)用中托板常出現(xiàn)變形、破裂等現(xiàn)象，如圖1所示。這是由于托板形狀和幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理的緣故。錨桿平托板力學(xué)性能較差，不具有調(diào)心能力，托板和調(diào)心墊配合不好，平托板承受偏載和集中載荷作用，常使平托板四周變形翹起、扭曲、破裂甚至壓穿，降低錨桿支護(hù)的整體能力，使錨桿支護(hù)失效。

2.2錨桿托板的改進(jìn)

將錨桿托板形狀由平板狀優(yōu)化為拱形，并配調(diào)心球墊，尺寸：L×B為110×110mm、H為10mm，如圖2所示。拱形托板承載能力顯著提高，與錨桿的強度匹配，可滿足不同錨桿安裝角度的需要，具有良好力學(xué)性能，還可調(diào)心適應(yīng)變形，改善了錨桿受力狀態(tài)，支護(hù)能力充分發(fā)揮。

3錨桿鉆孔深度指示設(shè)計

3.1錨桿長度、鉆孔深度、鉆桿長度的匹配問題

錨桿長度的計算公式為L=L1+L2+L3。式中：L1為錨桿外露長度，一般為0.1～0.15m。對于端頭錨固型錨桿，L1=墊板厚度+螺母厚度+（0.03～0.05）m;L2為錨桿有效長度;L3為錨桿錨固段長度，一般端錨為0.3～0.4m，如圖3（a）所示。

晉華宮礦設(shè)計的錨桿長度為2000mm，11#煤層307盤區(qū)西翼皮帶巷、2709巷錨桿外露長度設(shè)計值為L1=240mm。因此，鉆孔孔深標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為1860mm。晉華宮礦普遍使用錨桿鉆桿為長900mm的短桿配合長1200mm的長桿，鉆桿總長度為2100mm。鉆桿總長度比鉆孔孔深標(biāo)準(zhǔn)值多出240mm（900+1200-1860=240mm），因此，為使鉆孔深度合適，不至于太淺或太深，錨桿鉆機的鉆桿在外露240mm時就應(yīng)及時停鉆，但井下環(huán)境昏暗，光線不好，工人又是仰視鉆桿。因此，工人對鉆孔深度的把握均是經(jīng)驗所為，不太嚴(yán)格，鉆孔深度很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值1860mm，常常出現(xiàn)錨桿鉆孔深度偏大或偏小現(xiàn)象?？咨钇?，致使錨桿外露長度減小，導(dǎo)致螺帽無法擰緊，錨桿初始預(yù)緊力不足;孔深偏小，致使托板無法與頂板緊密接觸，無法控制頂板初始變形與離層，從而影響錨桿主動支護(hù)效果，如圖2（b）所示。

3.2指示錨桿鉆孔深度設(shè)計

結(jié)合井下具體作業(yè)環(huán)境，并且在不更換晉華宮礦鉆孔機械原始配件或部件的條件下，提出了指示鉆孔深度的黃色熒光條的優(yōu)化設(shè)計措施，如圖4所示。即在錨桿鉆機鉆桿末端以上240mm處粘貼環(huán)形的黃色熒光條，該熒光條可以在黑暗的工作環(huán)境中清晰地指示鉆孔深度。

4鋼帶失效機制及其優(yōu)化

4.1鋼帶撕裂特征

鋼帶在錨桿支護(hù)中的作用主要表現(xiàn)在：①向圍巖擴(kuò)散錨桿預(yù)緊力與工作阻力的作用;②護(hù)表與改變圍巖受力狀態(tài)的作用;③將錨桿組合在一起，使錨桿受力均勻化。晉華宮礦在錨桿、托板和鋼帶孔口連接處，常常有鋼帶斷裂、錨桿和托板壓穿鋼帶現(xiàn)象，如圖5所示。鋼帶從發(fā)生撕裂到斷裂，頂板圍巖下沉變形不斷加大，進(jìn)而會使金屬網(wǎng)撕破。錨桿—鋼帶—金屬網(wǎng)失去組合作用，整體支護(hù)能力降低，巷道變形加大，甚至兩錨桿之間的破碎巖石發(fā)生垮落。

4.2鋼帶撕裂機制及其優(yōu)化設(shè)計

晉華宮礦原設(shè)計鋼帶為W鋼帶配圓形孔口，優(yōu)點：①護(hù)表面積大，有利于錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散和作用范圍擴(kuò)大;②剛度大，抗彎性能好，控制圍巖變形能力強。不足之處：孔口為圓形，且設(shè)計直徑d值偏小，鋼帶撓度的可調(diào)范圍小，對圍巖的變形適應(yīng)性差，對頂板變形的強硬控制性太強，容易引起孔口處應(yīng)力集中。鋼帶孔口與錨桿和托板的匹配性差，常常發(fā)生托板壓入或壓穿鋼帶、錨桿在鋼帶孔口處剪切或撕裂鋼帶的現(xiàn)象。

合理的鋼帶孔口應(yīng)該能夠適應(yīng)頂板發(fā)生的部分微小變形。鋼帶孔口重新設(shè)計如下圖6所示：孔口兩側(cè)為兩個半圓，孔徑Φ25mm，中間為長方形，孔口總長度40mm。與圓形孔相比，這種孔口活動性能好，更能適應(yīng)頂板圍巖的微小下沉變形，與錨桿靈活匹配性良好，可以防止鋼帶被錨桿撕裂，使鋼帶的作用充分發(fā)揮。

5破碎頂板金屬網(wǎng)優(yōu)化

錨桿支護(hù)中金屬網(wǎng)的作用主要有：①防止非錨固區(qū)域的破碎巖塊掉落;②壓緊圍巖，從而提供一定的主動支護(hù)力，并將鋼帶之間連接為一個整體;③對破碎巖塊起到支撐作用，使其聚集在一起，從而改善碎裂巖塊的殘余強度。晉華宮礦原來的金屬網(wǎng)采用的是菱形網(wǎng)編織技術(shù)，如圖7（a）所示。菱形網(wǎng)具有柔性好、連接方便等優(yōu)點，但其整體結(jié)合性能差，一旦有一根鋼絲破斷，其周圍的金屬網(wǎng)不斷被撐大，錨桿間網(wǎng)兜加大，網(wǎng)被撕破，從而導(dǎo)致金屬網(wǎng)失效。如此繼續(xù)發(fā)展可使圍巖由淺部至深部逐漸破壞、失穩(wěn)，引起局部或大面積的冒頂事故。

改進(jìn)后的金屬網(wǎng)采用多邊纏繞編織技術(shù)，如圖7（b）所示，鋼絲之間不僅多次纏繞，而且每次纏繞的匝數(shù)為3匝。因此，各條鋼絲之間的整體結(jié)合性很強，一根鋼絲破斷對整體的影響很小，其周圍的金屬網(wǎng)仍具有承載能力，可以托住已碎裂的巖石，防止破碎頂板垮冒。

6結(jié)論

針對晉華宮礦煤巷掘進(jìn)過程中局部區(qū)域常出現(xiàn)錨桿支護(hù)失效問題，本文研究了晉華宮礦錨桿支護(hù)構(gòu)件的破斷特征，分析了構(gòu)件的失效機制，并對其進(jìn)行優(yōu)化，具體為：托板由平板狀優(yōu)化為拱形，并配調(diào)心球墊;設(shè)計了可指示鉆孔深度的黃色熒光條;鋼帶中心孔口由圓形變?yōu)閮蓚€半圓狀;金屬網(wǎng)由菱形變?yōu)槎噙吚p繞編織。將這些新的支護(hù)構(gòu)件應(yīng)用后不僅可加快生產(chǎn)進(jìn)度和開機率，還可大幅減少成本，對類似條件下的巷道錨桿支護(hù)起到一定借鑒。

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