煤巷锚杆支护构件失效机制及其优化研究

安智强

【摘 要】 针晋华宫矿煤巷掘进过程中局部区域常出现锚杆支护失效问题，如铁丝网、钢带、托板等零部件的破损或断裂，不仅多次返修，影响支护进度，还造成支护成本的增加。本文研究了晋华宫矿锚杆支护构件的破断特征，分析了构件的失效机制，并对其进行优化。托板由平板状优化为拱形，并配调心球垫;设计了可指示钻孔深度的黄色荧光条;钢带中心孔口由圆形变为两个半圆状;金属网由菱形变为多边缠绕编织。将这些新的支护构件应用后不仅可加快生产进度和开机率，还可大幅减少成本，对类似条件下的巷道锚杆支护起到一定借鉴。

【关键词】 锚杆支护;构件;托板;钢带;金属网

【中图分类号】 TD353+.6 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）03-0038-04 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1引言

晋华宫矿11#煤层307盘区西翼皮带巷、2709巷施工过程中，巷道局部区域常出现锚杆支护失效问题，如铁丝网、钢带、托板等零部件的破损或断裂。导致锚杆支护返修率较高，存在二次或多次重复支护或修护。不仅支护材料浪费严重，还影响支护进度，不利于锚杆支护作业的安全快速进行，对掘进进度产生重要影响。如果这些局部现象发生较多，一旦处理不及时，可能会引发锚杆支护顶板的整体垮冒事故，其危害性极大。因此，研究煤巷锚杆支护失效机理及其优化具有重要意义。目前煤矿锚杆支护的研究多集中在锚网索组合方式、锚杆长度与间排距优化、锚杆与围岩的协同作用等方面，而对锚杆的附属构件（如托板、钢带、金属网等）的研究很少，尤其是各个零部件的损坏机制与优化原则。

本文系统研究了晋华宫矿煤巷掘进过程中托板、钢带、金属网等支护构件的破断特征，分析了构件的失效机制，并对其进行了优化。研究结果的应用可加快生产进度和掘进机的开机率，减少支护成本，对类似条件下的巷道锚杆支护起到一定借鉴。

2 锚杆托板破裂机制及其优化

2.1 托板破裂机制

锚杆托板的作用主要有两点：①预应力的提供与扩散。对螺母施加扭矩对托板作用后，托板会给锚杆提供主动作用力，也就是预应力;②载荷传递作用。圍岩如果变形的话，会将该部分载荷作用到托板，托板会把这种作用力传递给锚杆杆体，从而提高锚杆工作阻力，限制围岩变形。晋华宫矿锚杆托板普遍采用方形带孔平钢板，尺寸为110×110mm。现场应用中托板常出现变形、破裂等现象，如图1所示。这是由于托板形状和几何结构设计不合理的缘故。锚杆平托板力学性能较差，不具有调心能力，托板和调心垫配合不好，平托板承受偏载和集中载荷作用，常使平托板四周变形翘起、扭曲、破裂甚至压穿，降低锚杆支护的整体能力，使锚杆支护失效。

2.2锚杆托板的改进

将锚杆托板形状由平板状优化为拱形，并配调心球垫，尺寸：L×B为110×110mm、H为10mm，如图2所示。拱形托板承载能力显著提高，与锚杆的强度匹配，可满足不同锚杆安装角度的需要，具有良好力学性能，还可调心适应变形，改善了锚杆受力状态，支护能力充分发挥。

3锚杆钻孔深度指示设计

3.1锚杆长度、钻孔深度、钻杆长度的匹配问题

锚杆长度的计算公式为L=L1+L2+L3。式中：L1为锚杆外露长度，一般为0.1～0.15m。对于端头锚固型锚杆，L1=垫板厚度+螺母厚度+（0.03～0.05）m;L2为锚杆有效长度;L3为锚杆锚固段长度，一般端锚为0.3～0.4m，如图3（a）所示。

晋华宫矿设计的锚杆长度为2000mm，11#煤层307盘区西翼皮带巷、2709巷锚杆外露长度设计值为L1=240mm。因此，钻孔孔深标准值应为1860mm。晋华宫矿普遍使用锚杆钻杆为长900mm的短杆配合长1200mm的长杆，钻杆总长度为2100mm。钻杆总长度比钻孔孔深标准值多出240mm（900+1200-1860=240mm），因此，为使钻孔深度合适，不至于太浅或太深，锚杆钻机的钻杆在外露240mm时就应及时停钻，但井下环境昏暗，光线不好，工人又是仰视钻杆。因此，工人对钻孔深度的把握均是经验所为，不太严格，钻孔深度很难达到标准值1860mm，常常出现锚杆钻孔深度偏大或偏小现象。孔深偏大，致使锚杆外露长度减小，导致螺帽无法拧紧，锚杆初始预紧力不足;孔深偏小，致使托板无法与顶板紧密接触，无法控制顶板初始变形与离层，从而影响锚杆主动支护效果，如图2（b）所示。

3.2指示锚杆钻孔深度设计

结合井下具体作业环境，并且在不更换晋华宫矿钻孔机械原始配件或部件的条件下，提出了指示钻孔深度的黄色荧光条的优化设计措施，如图4所示。即在锚杆钻机钻杆末端以上240mm处粘贴环形的黄色荧光条，该荧光条可以在黑暗的工作环境中清晰地指示钻孔深度。

4钢带失效机制及其优化

4.1钢带撕裂特征

钢带在锚杆支护中的作用主要表现在：①向围岩扩散锚杆预紧力与工作阻力的作用;②护表与改变围岩受力状态的作用;③将锚杆组合在一起，使锚杆受力均匀化。晋华宫矿在锚杆、托板和钢带孔口连接处，常常有钢带断裂、锚杆和托板压穿钢带现象，如图5所示。钢带从发生撕裂到断裂，顶板围岩下沉变形不断加大，进而会使金属网撕破。锚杆—钢带—金属网失去组合作用，整体支护能力降低，巷道变形加大，甚至两锚杆之间的破碎岩石发生垮落。

4.2钢带撕裂机制及其优化设计

晋华宫矿原设计钢带为W钢带配圆形孔口，优点：①护表面积大，有利于锚杆预应力扩散和作用范围扩大;②刚度大，抗弯性能好，控制围岩变形能力强。不足之处：孔口为圆形，且设计直径d值偏小，钢带挠度的可调范围小，对围岩的变形适应性差，对顶板变形的强硬控制性太强，容易引起孔口处应力集中。钢带孔口与锚杆和托板的匹配性差，常常发生托板压入或压穿钢带、锚杆在钢带孔口处剪切或撕裂钢带的现象。

合理的钢带孔口应该能够适应顶板发生的部分微小变形。钢带孔口重新设计如下图6所示：孔口两侧为两个半圆，孔径Φ25mm，中间为长方形，孔口总长度40mm。与圆形孔相比，这种孔口活动性能好，更能适应顶板围岩的微小下沉变形，与锚杆灵活匹配性良好，可以防止钢带被锚杆撕裂，使钢带的作用充分发挥。

5破碎顶板金属网优化

锚杆支护中金属网的作用主要有：①防止非锚固区域的破碎岩块掉落;②压紧围岩，从而提供一定的主动支护力，并将钢带之间连接为一个整体;③对破碎岩块起到支撑作用，使其聚集在一起，从而改善碎裂岩块的残余强度。晋华宫矿原来的金属网采用的是菱形网编织技术，如图7（a）所示。菱形网具有柔性好、连接方便等优点，但其整体结合性能差，一旦有一根钢丝破断，其周围的金属网不断被撑大，锚杆间网兜加大，网被撕破，从而导致金属网失效。如此继续发展可使围岩由浅部至深部逐渐破坏、失稳，引起局部或大面积的冒顶事故。

改进后的金属网采用多边缠绕编织技术，如图7（b）所示，钢丝之间不仅多次缠绕，而且每次缠绕的匝数为3匝。因此，各条钢丝之间的整体结合性很强，一根钢丝破断对整体的影响很小，其周围的金属网仍具有承载能力，可以托住已碎裂的岩石，防止破碎顶板垮冒。

6结论

针对晋华宫矿煤巷掘进过程中局部区域常出现锚杆支护失效问题，本文研究了晋华宫矿锚杆支护构件的破断特征，分析了构件的失效机制，并对其进行优化，具体为：托板由平板状优化为拱形，并配调心球垫;设计了可指示钻孔深度的黄色荧光条;钢带中心孔口由圆形变为两个半圆状;金属网由菱形变为多边缠绕编织。将这些新的支护构件应用后不仅可加快生产进度和开机率，还可大幅减少成本，对类似条件下的巷道锚杆支护起到一定借鉴。

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