自锁让压式锚杆在应力集中区巷道支护中的应用

霍旭亮

(霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿，山西 吕梁 033100)

1 概述

山西焦煤霍州煤电集团公司店坪煤矿2022巷位于830m水平二采区左翼，施工巷道北部为200工作面，东部为实煤区，南部为204工作面，西部为830m水平大巷，工作面埋藏深度为477m。

2022巷主要用于202工作面回风，巷道设计长度为1700m，巷道断面规格为宽×高=4.5×3.0m。巷道掘进煤层为9#煤层，平均厚度为3.0m，平均倾角3°。9#煤层结构相对复杂，煤层连续稳定性差，煤层内含三层夹矸，主要以泥岩为主，总厚度为0.57m。9#煤层无伪顶，直接顶主要以泥岩与煤混合岩层为主，平均厚度为2.47m；基本顶主要以细砂岩为主，平均厚度为8.9m。2022巷采用机械化掘进施工工艺，截至目前巷道已掘进457m。

地测资料显示，2022巷掘进至450～560m范围揭露六条正断层，断层平均落差为0.9m,平均倾角为48°。在巷道478m南部25m处含有一条X2陷落柱，陷落柱短轴长度为27m，长轴长为42m，柱体内填充物主要以炭质泥岩及碎状砂岩为主。巷道掘进期间受围岩应力及断层群影响，巷道在440～570m范围内形成应力破坏区。巷道掘进至440m处顶板出现破碎、下沉现象，传统螺纹钢锚杆支护后变形严重，锚杆在破碎顶板岩体内锚固效果差，锚杆失效率高达24%，支护效果差。

2 支护设计及问题分析

2.1 原巷道顶板支护设计

（1）2022巷原顶板采用锚杆、锚索以及金属网联合支护。顶板锚杆长度为2.0m，直径为22mm，每排布置5根，锚杆间排距为1.0m，锚杆采用两支MSKC23/35型锚固剂锚固，锚杆预紧力为200N·m，锚固力为98kN，锚杆屈服强度为330MPa，破断力为370kN。

（2）顶板锚索长度为5.0m，直径为17.8mm，每排布置两根，锚索间距×排距=2.0×3.0m；锚杆采用两支MSKC23/35型锚固剂锚固，锚索采用一支MSK23/60型以及一支MSKC23/35型锚固剂锚固，预紧力为210kN，锚固力为320kN。

2.2 问题分析

（1）锚杆支护长度不足。由于施工巷道沿9#煤层顶板平行掘进，巷道直接顶主要以泥岩混合岩层为主，厚度为2.47m，原支护设计中锚杆长度为2.0m，锚杆锚固端位于直接顶与基本顶离层区域内，导致锚杆锚固端位于破碎岩体，无法对松动圈进行加固支护。

（2）锚杆锚固效果差。原支护设计中锚杆与围岩之间主要采用锚固剂进行连接，锚杆的支护效果主要取决于锚固效果，锚固剂可将锚杆与围岩粘结摩擦作用增大，将自由段的拉力传至围岩深处，但是传统锚杆体为螺纹结构，锚杆锚固端以外部分与围岩不具有力的传递及承载作用。

（3）锚杆变形严重。由于传统锚杆锚固后通过螺母将托板、钢带等连接机构进行预紧，连接机构钢性大，直接与顶板接触连接，当顶板发生塑性变形时连接结构不具有让压作用，导致连接机构变形严重。同时锚杆在受力过大或受力不均时锚杆杆体与螺母之间容易出现松动现象，随着锚杆杆体和螺母产生松动，锚杆受剪切应力作用很快失效，岩体随即迅速发生较大规模的变形破坏，最终致使整体支护结构失稳。

3 自锁让压式锚杆应用分析

3.1 自锁让压式锚杆结构及施工

为了提高应力集中区顶板锚杆支护效果及让压效果，降低支护成本费用，保证应力集中区顶板稳定性，决定对应力集中区顶板采用自锁式锚杆进行支护。

（1）2022巷应力集中区顶板采用的自锁式锚杆主要由杆体、自锁机构、让压机构、螺母、垫片等部分组成，如图1所示。为了不降低锚杆屈服强度，杆体采用长度为3.0m、直径为22mm螺纹钢，杆体锚固端长度为1.2m，杆体螺纹端长度为0.1m。

（3）自锁机构主要由连接套、自锁片、推杆、弹簧、螺纹套管等部分组成，螺纹套管与杆体螺纹丝扣连接，螺纹套直径为23mm，每根锚杆共计安装5个自锁机构，安装间距为0.5m。

（4）让压机构主要由锚杆托盘、让压弹簧等部分组成，锚杆托盘为镂空半球形结构，托盘直径为25mm。托板内安装三组让压弹簧，弹簧张拉行程为 0～0.3m。

（5）自锁让压式锚杆安装前应将自锁机构安装在锚杆杆体，然后采用MT-130型锚索钻机在顶板施工支护钻孔，钻孔深度为3.0m，直径为30mm，钻孔垂直顶板布置，每排布置5个钻孔，孔间距为1.0m。

（6）钻孔施工完后对钻孔内依次填装一支MSKC23/35型、一支MSKC23/60型锚固剂以及一根自锁让压式锚杆，锚杆安装锚固必须一次性到位，锚杆锚固后保证外露长度控制在10～100mm范围内。

（7）同一排自锁让压式锚杆安装完成后，在其外露端依次安装一根 “JW”型钢带、让压机构，并采用螺母预紧，预紧力不得低于200N·m。

（8）在安装锚杆时自锁机构处于闭合状态，当顶板来压锚杆受张拉力时，自锁机构中自锁片可与煤帮卡严，当顶板出现下沉、离层时，通过让压机构可实现锚杆与变形岩体耦合让压作用，防止锚杆变形、支护失效现象。

图1 自锁让压式锚杆结构示意图

3.2 实际应用效果

2022巷掘进至460m处对顶板施工自锁让压式锚杆，截至2018年11月13日，巷道已完全通过集中应力破坏区。巷道在应力集中区掘进10d内，顶板塑性变形相对严重，顶板出现下沉现象，最大下沉量为0.19m，在10～18d顶板下沉量逐渐降低，在18d后顶板趋于稳定。

通过对应力集中区顶板自锁让压式锚杆应用效果观察发现，自锁让压式锚杆不仅提高了锚杆锚固效果，解决了传统锚杆锚固效果差、无法实现让压耦合支护等技术难题，在应力区内自锁让压式锚杆失效率降低至4%以下，节约支护成本费用达45万元。

4 结论

（1）与传统注浆、架设工字钢棚等加强支护相比，施工自锁让压式锚杆施工工艺简单，成本费用低，劳动强度小。

（2）与传统螺纹钢锚杆相比，自锁让压式锚杆在屈服强度保持不变的情况下，增加了锚杆长度，从而保证了锚固段位于坚硬岩体内，提高了锚杆锚固效果，降低了锚杆锚固失效率。

（3）自锁让压式锚杆通过安装自锁机构，实现了锚杆与围岩全长应力传递作用，提高了锚杆抗拉强度，增加了锚杆承压作用，避免了因锚固失效导致锚杆整体支护作用失效现象。

（4）在顶板应力作用下，当顶板出现下沉、离层时，自锁让压式锚杆中让压机构处于受压状态，实现了锚杆与变形围岩让压耦合支护作用，降低了锚杆剪切破坏作用，提高了锚杆支护效果。