杜儿坪矿锚杆托板结构优化及推广应用

王俊虎，程 蓬，张 剑，彭永良

(1.西山煤电 (集团)有限责任公司杜儿坪矿，山西太原030022;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

锚杆支护材料包括杆体、托板、锚固剂、组合构件、锚索、网等。支护材料在锚杆支护技术中起到至关重要的作用，是充分发挥锚杆支护效果和保证巷道安全的必要前提［1－3］。托板是锚杆支护材料中的关键构件，主要表现在2个方面:一是锚杆对巷道围岩的控制作用由托板作为传递介质把预应力扩散到锚杆周围的煤岩体中，实现锚杆主动、及时支护作用;二是巷道围岩变形或破坏使载荷作用到托板，传递到锚杆杆体，杆体变化的载荷又通过托板扩散到围岩中，进而约束围岩发生更大变形或者破坏，保持巷道围岩的稳定［4］。

托板的力学性能优劣直接决定了巷道支护的最终效果，锚杆托板的力学性能与支护作用与托板的材质、形状、尺寸、加工工艺和受力状态等多种因素有关，对此国内外对锚杆托板展开了大量的研究。煤炭科学研究总院开采设计研究分院提出锚杆支护材料的精细化研究，对锚杆支护的各个构件力学性能展开了详细研究，其中对托板的受力状态、应力分布、变形状况和支护作用等进行了全面研究，分析了锚杆托板在锚杆安装预紧、掘进影响与稳定阶段的受力特征与变化规律［5］。文献 ［6］对金属托板的研究成果及实践表明，拱形托板的力学性能明显优于平托板;拱形托板的拱高、曲率半径等参数显著影响托板的承载能力;托板厚度、底面积大小应与锚杆及围岩条件匹配。另外还有其他学者针对托板的作用机理、不同锚固条件、不同围岩以及不同预应力条件下托板的应力应变特征等方面开展相应的研究［6－9］。

本文针对西山煤电集团杜儿坪矿井下巷道支护现状，采用理论分析、实验室试验对比分析了不同锚杆托板的力学性能优劣，首次在西山矿区开展井下新型锚杆托板及附件工业性试验，取得了较好的支护效果，为下一步在西山矿区全面推广新型锚杆托板奠定了基础。

1 工程背景

杜儿坪煤矿生产能力5Mt/a，近些年随着煤矿开采强度的不断增大，巷道支护难度不断加大，矿压显现比较明显，复杂困难巷道明显增多。如北五盘区62512工作面机轨合一巷以及62513工作面回风巷，巷道压力显现十分明显。62512工作面机轨合一巷在回采阶段巷道明显变形，顶底板移近量大，有些地段高度不足1.8m，且巷道两帮明显位移，两帮鼓包十分明显，锚杆存在多处拉断的现象，巷道多处地段不得不采用加棚补强支护，给工作面正常回采造成了很大的难题。62513工作面回风巷在掘进之后顶底板和两帮发生显著变形，多处钢带被锚杆托板剪穿，造成钢带撕裂失效，同时巷道内大量锚杆发生破断以及螺母撸扣现象，造成支护体失效，巷道在掘进之后短期就需要返修，巷道维护难度很大，对顶板安全管理造成很大的困境。

2 锚杆托板结构优化

2.1 矿方现有托板

目前杜儿坪矿使用2种形式的锚杆托板，均为不可调心的拱形托板。规格为110mm×110mm×10mm的主要用于帮锚杆配套使用;规格为150mm×150mm×14mm的主要用于顶锚杆，W钢带配套使用，托板实物如图1所示。

图1 杜儿坪矿现有锚杆托板规格

现有托板结构设计存在的缺陷主要体现在以下几个方面:托板结构不合理，托板拱高较低，承载能力弱，受力较大时，容易造成托板外翻，引起支护失效;托板孔口直径偏小，锚杆与托板易相互“蹩劲”，容易引起锚杆受到剪、扭、弯等综合应力作用而发生破断;锚杆托板加工不规范、不平整、成弧状，托板四个角与钢带呈点接触，当锚杆受力较大时，托板剪断钢带，造成支护失效;托板的孔口没有倒角，与调心球垫不匹配，托板与螺母呈线性接触，不利于锚杆杆体受力的传递;现有托板无法起到调节锚杆偏心的作用，锚杆安装后容易受到偏载作用，容易造成锚杆螺纹段弯曲破断。

2.2 新型锚杆托板

针对以上问题，杜儿坪矿联合了有关部门，推进改进托板优化。西山支护器材开发公司加工生产了新型高强度拱形锚杆托板，规格为150mm×150mm×10mm，如图2所示，力学性能在原有基础上大幅度增加，更加符合煤矿井下锚杆受力特性。其主要改进有:拱形托板强度大，可吸收一定变形，在锚杆破断前一般不会出现托板脆性破裂或被压成反拱型，始终能够保证锚杆发挥其效能;托板孔口设倒角，能够与调心球垫相匹配，调节锚杆的受力角度，避免或者大大减小锚杆因受到偏载而造成锚杆杆体承受过大的弯曲应力造成尾部破断的现象;托板底部加工平整，与钢带成面接触，预应力传递效果好，不会出现剪切钢带支护失效的现象。

图2 150mm×150mm×10mm新型锚杆托板及配件

3 锚杆托板力学性能试验分析

为了比较上述不同结构托板的力学性能，对西山现有托板和新型锚杆托板进行了托板承载力实验室试验以及锚杆预紧力矩转化效率井下试验。

3.1 托板承载力

图3是在试验室分别选取目前西山矿区普遍使用的图1(b)所示的规格为150mm×150mm×14mm锚杆托板与图2所示的规格为150mm×150mm×10mm新型加工的锚杆托板的承载力性能试验结果，通过图3(a)和图3(b)对比可见，西山规格150mm×150mm×14mm，实验室检测其承载力约为214kN;而采用图2规格为150mm×150mm×10mm型锚杆托板实验室检测其承载力约412kN。试验表明，西山矿区现有锚杆托板尽管厚度达到14mm，但承载力却远远小于10mm厚度的新型锚杆托板的承载能力。因此，通过锚杆托板机构优化，一方面可以提高托板力学性能，另一方面还能降低材料消耗成本，达到降本增效的效果。

3.2 锚杆预紧力矩转化效率

图3 不同结构的锚杆托板承载力对比

在新型托板井下应用之前，进行了不同托板条件下的井下锚杆预紧力矩转化效率对比试验。测试条件为:锚杆规格φ20－M22－2000mm，锚固长度1480mm，托板采用矿方原有托板规格为150mm×150mm×14mm，不使用球形垫圈和减摩垫片;新型托板规格为150mm×150mm×10mm，配合采用球形垫片和1010尼龙垫片，试验结果如图4所示。试验结果表明，采用新型锚杆托板，配合采用球形垫片和1010尼龙垫片能够在原有托板的基础上显著提高锚杆预紧力矩的转化效率，在相同锚杆预紧力矩条件下，采用新型锚杆托板锚杆轴向预紧力能够平均提高69.2%，能够显著提高锚杆支护系统主动支护效果，提高围岩稳定性。

图4 不同托板锚杆预紧力矩与预紧力转化关系曲线

4 工程应用

为验证新型锚杆托板井下的适用性，在杜儿坪矿进行了新型锚杆托板的井下工业性试验。试验巷道为南九采区3号煤胶带巷，属于采区永久大巷，巷道位于上部2号煤层工作面停采线下部的煤柱内，在煤柱集中应力的作用下，巷道两帮破碎，支护难度较大。但是，随着新型托板在该巷道的试验推广，体现了新型锚杆托板力学性能的优越性，巷道支护最终效果如图5所示，取得了较好的支护效果，支护构件破坏情况得到明显改善，节约了大量的支护材料费用。为了进一步扩大试验巷道条数及新型托板的推广应用范围，后续在62711回风巷、73903轨道巷、72910瓦斯预抽巷、南九采区3号煤胶带巷、62516回风巷、73904胶带巷等多个掘进工作面陆续开展了新托板的井下推广和应用。

图5 巷道支护最终效果

5 结论

(1)对西山煤电集团杜儿坪矿现有锚杆托板分析表明，锚杆托板存在结构不合理、承载力不足、加工工艺差等缺陷，严重影响锚杆支护的最终效果。

(2)通过对现有托板及附件的合理优化，在托板的厚度从14mm降为10mm的情况下托板的承载力提高了92.5%，锚杆预紧力在相同预紧力矩情况下提高了70%左右。

(3)井下试验表明，新型锚杆托板在井下应用效果良好，特别对于复杂困难巷道，支护构件破坏情况明显改善，体现出良好的适用性，值得下一步大面积的推广应用。

［1］康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术 ［M］.北京:煤炭工业出版社，2007.

［2］康红普，吴拥政，李建波.锚杆支护组合构件的力学性能与支护效果分析［J］.煤炭学报，2010，35(7):1057－1065.

［3］康红普，王金华，林 健.煤矿巷道锚杆支护应用实例分析［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(4):649－664.

［4］康红普，吴建星.锚杆托板的力学性能与支护效果分析［J］.煤炭学报，2012，37(1):8－16.

［5］吴建星.锚杆托板的合理结构与支护效果研究［D］.煤炭科学研究总院，2009.

［6］林 健，康红普.螺纹钢树脂锚杆的研究现状与趋势 ［J］.煤矿开采，2009，14(4):1－4.

［7］马永忠，崔小朝，陶海瑞，等.复合材料锚杆托板的有限元分析与实验研究［J］.太原科技大学学报，2007，28(4):327－330.

［8］姜铁明.煤巷锚杆支护构件的作用机制及其在晋城矿区的应用研究［D］.北京:中国矿业大学 (北京)，2008.

［9］王建智，何唐镛，杨更社.托板对全长锚固锚杆内力的影响［J］.西安矿业学院学报，1989(3):7－12，18.