杜兒坪礦錨桿托板結構優化及推廣應用

王俊虎，程 蓬，張 劍，彭永良

(1.西山煤電 (集團)有限責任公司杜兒坪礦，山西太原030022;2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013)

錨桿支護材料包括桿體、托板、錨固劑、組合構件、錨索、網等。支護材料在錨桿支護技術中起到至關重要的作用，是充分發揮錨桿支護效果和保證巷道安全的必要前提［1－3］。托板是錨桿支護材料中的關鍵構件，主要表現在2個方面:一是錨桿對巷道圍巖的控制作用由托板作為傳遞介質把預應力擴散到錨桿周圍的煤巖體中，實現錨桿主動、及時支護作用;二是巷道圍巖變形或破壞使載荷作用到托板，傳遞到錨桿桿體，桿體變化的載荷又通過托板擴散到圍巖中，進而約束圍巖發生更大變形或者破壞，保持巷道圍巖的穩定［4］。

托板的力學性能優劣直接決定了巷道支護的最終效果，錨桿托板的力學性能與支護作用與托板的材質、形狀、尺寸、加工工藝和受力狀態等多種因素有關，對此國內外對錨桿托板展開了大量的研究。煤炭科學研究總院開采設計研究分院提出錨桿支護材料的精細化研究，對錨桿支護的各個構件力學性能展開了詳細研究，其中對托板的受力狀態、應力分布、變形狀況和支護作用等進行了全面研究，分析了錨桿托板在錨桿安裝預緊、掘進影響與穩定階段的受力特征與變化規律［5］。文獻 ［6］對金屬托板的研究成果及實踐表明，拱形托板的力學性能明顯優于平托板;拱形托板的拱高、曲率半徑等參數顯著影響托板的承載能力;托板厚度、底面積大小應與錨桿及圍巖條件匹配。另外還有其他學者針對托板的作用機理、不同錨固條件、不同圍巖以及不同預應力條件下托板的應力應變特征等方面開展相應的研究［6－9］。

本文針對西山煤電集團杜兒坪礦井下巷道支護現狀，采用理論分析、實驗室試驗對比分析了不同錨桿托板的力學性能優劣，首次在西山礦區開展井下新型錨桿托板及附件工業性試驗，取得了較好的支護效果，為下一步在西山礦區全面推廣新型錨桿托板奠定了基礎。

1 工程背景

杜兒坪煤礦生產能力5Mt/a，近些年隨著煤礦開采強度的不斷增大，巷道支護難度不斷加大，礦壓顯現比較明顯，復雜困難巷道明顯增多。如北五盤區62512工作面機軌合一巷以及62513工作面回風巷，巷道壓力顯現十分明顯。62512工作面機軌合一巷在回采階段巷道明顯變形，頂底板移近量大，有些地段高度不足1.8m，且巷道兩幫明顯位移，兩幫鼓包十分明顯，錨桿存在多處拉斷的現象，巷道多處地段不得不采用加棚補強支護，給工作面正常回采造成了很大的難題。62513工作面回風巷在掘進之后頂底板和兩幫發生顯著變形，多處鋼帶被錨桿托板剪穿，造成鋼帶撕裂失效，同時巷道內大量錨桿發生破斷以及螺母擼扣現象，造成支護體失效，巷道在掘進之后短期就需要返修，巷道維護難度很大，對頂板安全管理造成很大的困境。

2 錨桿托板結構優化

2.1 礦方現有托板

目前杜兒坪礦使用2種形式的錨桿托板，均為不可調心的拱形托板。規格為110mm×110mm×10mm的主要用于幫錨桿配套使用;規格為150mm×150mm×14mm的主要用于頂錨桿，W鋼帶配套使用，托板實物如圖1所示。

圖1 杜兒坪礦現有錨桿托板規格

現有托板結構設計存在的缺陷主要體現在以下幾個方面:托板結構不合理，托板拱高較低，承載能力弱，受力較大時，容易造成托板外翻，引起支護失效;托板孔口直徑偏小，錨桿與托板易相互“蹩勁”，容易引起錨桿受到剪、扭、彎等綜合應力作用而發生破斷;錨桿托板加工不規范、不平整、成弧狀，托板四個角與鋼帶呈點接觸，當錨桿受力較大時，托板剪斷鋼帶，造成支護失效;托板的孔口沒有倒角，與調心球墊不匹配，托板與螺母呈線性接觸，不利于錨桿桿體受力的傳遞;現有托板無法起到調節錨桿偏心的作用，錨桿安裝后容易受到偏載作用，容易造成錨桿螺紋段彎曲破斷。

2.2 新型錨桿托板

針對以上問題，杜兒坪礦聯合了有關部門，推進改進托板優化。西山支護器材開發公司加工生產了新型高強度拱形錨桿托板，規格為150mm×150mm×10mm，如圖2所示，力學性能在原有基礎上大幅度增加，更加符合煤礦井下錨桿受力特性。其主要改進有:拱形托板強度大，可吸收一定變形，在錨桿破斷前一般不會出現托板脆性破裂或被壓成反拱型，始終能夠保證錨桿發揮其效能;托板孔口設倒角，能夠與調心球墊相匹配，調節錨桿的受力角度，避免或者大大減小錨桿因受到偏載而造成錨桿桿體承受過大的彎曲應力造成尾部破斷的現象;托板底部加工平整，與鋼帶成面接觸，預應力傳遞效果好，不會出現剪切鋼帶支護失效的現象。

圖2 150mm×150mm×10mm新型錨桿托板及配件

3 錨桿托板力學性能試驗分析

為了比較上述不同結構托板的力學性能，對西山現有托板和新型錨桿托板進行了托板承載力實驗室試驗以及錨桿預緊力矩轉化效率井下試驗。

3.1 托板承載力

圖3是在試驗室分別選取目前西山礦區普遍使用的圖1(b)所示的規格為150mm×150mm×14mm錨桿托板與圖2所示的規格為150mm×150mm×10mm新型加工的錨桿托板的承載力性能試驗結果，通過圖3(a)和圖3(b)對比可見，西山規格150mm×150mm×14mm，實驗室檢測其承載力約為214kN;而采用圖2規格為150mm×150mm×10mm型錨桿托板實驗室檢測其承載力約412kN。試驗表明，西山礦區現有錨桿托板盡管厚度達到14mm，但承載力卻遠遠小于10mm厚度的新型錨桿托板的承載能力。因此，通過錨桿托板機構優化，一方面可以提高托板力學性能，另一方面還能降低材料消耗成本，達到降本增效的效果。

3.2 錨桿預緊力矩轉化效率

圖3 不同結構的錨桿托板承載力對比

在新型托板井下應用之前，進行了不同托板條件下的井下錨桿預緊力矩轉化效率對比試驗。測試條件為:錨桿規格φ20－M22－2000mm，錨固長度1480mm，托板采用礦方原有托板規格為150mm×150mm×14mm，不使用球形墊圈和減摩墊片;新型托板規格為150mm×150mm×10mm，配合采用球形墊片和1010尼龍墊片，試驗結果如圖4所示。試驗結果表明，采用新型錨桿托板，配合采用球形墊片和1010尼龍墊片能夠在原有托板的基礎上顯著提高錨桿預緊力矩的轉化效率，在相同錨桿預緊力矩條件下，采用新型錨桿托板錨桿軸向預緊力能夠平均提高69.2%，能夠顯著提高錨桿支護系統主動支護效果，提高圍巖穩定性。

圖4 不同托板錨桿預緊力矩與預緊力轉化關系曲線

4 工程應用

為驗證新型錨桿托板井下的適用性，在杜兒坪礦進行了新型錨桿托板的井下工業性試驗。試驗巷道為南九采區3號煤膠帶巷，屬于采區永久大巷，巷道位于上部2號煤層工作面停采線下部的煤柱內，在煤柱集中應力的作用下，巷道兩幫破碎，支護難度較大。但是，隨著新型托板在該巷道的試驗推廣，體現了新型錨桿托板力學性能的優越性，巷道支護最終效果如圖5所示，取得了較好的支護效果，支護構件破壞情況得到明顯改善，節約了大量的支護材料費用。為了進一步擴大試驗巷道條數及新型托板的推廣應用范圍，后續在62711回風巷、73903軌道巷、72910瓦斯預抽巷、南九采區3號煤膠帶巷、62516回風巷、73904膠帶巷等多個掘進工作面陸續開展了新托板的井下推廣和應用。

圖5 巷道支護最終效果

5 結論

(1)對西山煤電集團杜兒坪礦現有錨桿托板分析表明，錨桿托板存在結構不合理、承載力不足、加工工藝差等缺陷，嚴重影響錨桿支護的最終效果。

(2)通過對現有托板及附件的合理優化，在托板的厚度從14mm降為10mm的情況下托板的承載力提高了92.5%，錨桿預緊力在相同預緊力矩情況下提高了70%左右。

(3)井下試驗表明，新型錨桿托板在井下應用效果良好，特別對于復雜困難巷道，支護構件破壞情況明顯改善，體現出良好的適用性，值得下一步大面積的推廣應用。

［1］康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術 ［M］.北京:煤炭工業出版社，2007.

［2］康紅普，吳擁政，李建波.錨桿支護組合構件的力學性能與支護效果分析［J］.煤炭學報，2010，35(7):1057－1065.

［3］康紅普，王金華，林 健.煤礦巷道錨桿支護應用實例分析［J］.巖石力學與工程學報，2010，29(4):649－664.

［4］康紅普，吳建星.錨桿托板的力學性能與支護效果分析［J］.煤炭學報，2012，37(1):8－16.

［5］吳建星.錨桿托板的合理結構與支護效果研究［D］.煤炭科學研究總院，2009.

［6］林 健，康紅普.螺紋鋼樹脂錨桿的研究現狀與趨勢 ［J］.煤礦開采，2009，14(4):1－4.

［7］馬永忠，崔小朝，陶海瑞，等.復合材料錨桿托板的有限元分析與實驗研究［J］.太原科技大學學報，2007，28(4):327－330.

［8］姜鐵明.煤巷錨桿支護構件的作用機制及其在晉城礦區的應用研究［D］.北京:中國礦業大學 (北京)，2008.

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