錨網支護巷道錨索斷裂原因分析及對策

摘 要：錨桿（索）支護作為一種經濟有效的采準巷道支護方式，在煤礦巷道中已得到廣泛應用，但由于煤礦井下地質條件的復雜性和多變性，斷錨、斷索現象時有發生，對安全生產及人員生命構成威脅。本文以井工二礦21113工作面主運巷為例，通過分析施工巷道斷錨、斷索原因，提出了有針對性的控制對策，確保了巷道圍巖得到穩定控制。

關鍵詞：錨索斷裂；錨網支護；原因分析

1 工程概況

平朔井工二礦21113主運巷沿11煤底板布置，11煤屬石炭系太原組煤，煤厚平均3.7m，傾角平均2.5°，屬近水平煤層。巷道設計為矩形斷面，規格5.0×3.5（寬×高）=17.5m2，布置于9煤層采空區下。巷道直接頂為厚度1.5m的砂質泥巖，直接頂上方有一層0.6～0.9m厚的10煤；巷道底板以細砂巖為主，平均厚7.49m。

巷道原支護采用錨索網聯合支護形式，錨索為Φ17.8mm×5500mm的鋼絞線（1×7股），垂直頂板布置，間排距1800mm×2000mm，每排3根；錨桿為Φ22mm×2400mm的左旋螺紋鋼，垂直頂板，間排距900mm×1000mm，每排6根；網片為鋼筋焊接方格網，規格3000mm×1300mm；配合4800mm×80mm×10mm的鋼筋鋼帶護頂。

2 頂錨索斷裂情況及原因分析

2.1 頂錨索斷裂情況

21113主運巷與正在回采的相鄰21109工作面主運巷之間留有15m寬護巷煤柱，錨索斷裂發生在相鄰工作面回采期間，破斷區域位于21113主運巷410～510m，斷裂形式為角錨索剪斷，4股鋼絞線斷口與橫截面約成45°夾角，斷口比較光滑，3股鋼絞線斷口與橫截面水平，斷口凹凸不平；錨索斷裂位置為尾端1～1.5m處破斷。

2.2 錨索破斷原因分析

1）頂板層間距：近水平煤層按照太沙基理論計算巷道開挖后形成的冒落拱高度H=0.25～0.55（B+Hi）=4.67m，即巷道頂板上方4.67m范圍內頂板不及時支護，可能發生冒落；巷道布置在9煤采空區下，410-510m區間頂板層間距4.3～5.1m，平均4.6m，層間距薄、承載能力差，巷道冒落后極易溝通上覆9煤采空區。

2）圍巖物理力學性質：410-510m區間直接頂為厚度1.5m的砂質泥巖，強度低、遇水極易膨脹，且直接頂上方1m有一層0.6～0.9m厚的10煤薄煤層；受兩層厚度不大的軟弱巖層影響，頂板巖層整體彈性模量低，在地應力作用下，巖層內極易積聚彈性能量，隨時間增長，儲存能增大，而巷道底板為硬度較大的細砂巖，難以發生底鼓釋放能量，在相鄰面采動壓力作用下，極易釋放變形能導致頂板巖層離層和破壞，頂板壓力會越來越大，直至錨索破壞。

3）錨桿支護作用：頂錨桿垂直頂板布置，由于巷道冒落拱高度4.67m，加上頂板巖層存在兩層軟弱夾層，使得頂錨桿錨固力差，支護體系中組合梁作用不明顯（頂錨桿僅發揮淺表層的銷釘懸吊作用），因此，整個支護體系主要發揮了錨索的懸吊作用，錨索承受大部分頂板巖層壓力。

4）使用環境方面：410～510m區間由于巷道標高較低為積水區，靜態頂板積水的存在，一方面使得巷道頂板強度降低、自身穩定性變差；另一方面頂錨索長時間受上覆9煤采空區積水侵泡，導致錨索生銹、鋼絞線強度降低，或與樹脂藥卷接觸使藥卷失效，使得錨索達不到設計承載力，影響支護質量；另外，10、11煤層硫分較高，硫及硫化物侵入錨索細微裂痕后將使得錨索強度降低，支護能力下降。

5）頂板活動及壓力影響：巷道頂板下沉時，會在其層面內發生移動和變形，如錨桿間距的縮短、頂板鋼帶的彎曲、頂板巖層的臺階下沉與錯動等現象。21113主運巷受采動壓力影響，錨索錨固力難以控制頂板下沉時，頂板巖層內將發生離層或斷裂，在動壓作用下，頂板巖層將發生彎曲轉動、層間錯動等活動，產生剪切作用。此時，錨索將受彈塑性變形能釋放壓力及頂板巖層剪切作用的雙重影響，錨索斷裂不僅由頂板壓力所致，還有相當一部分是被頂板活動時引起的剪切作用所致。

3 防范措施的提出

1）錨索支護設計時，近水平煤層中掘進巷道應盡量使錨索垂直頂板布置，當煤層傾角變大時或滿足掘進變坡施工需要導致不能垂直頂板布置錨索時，應盡量保證施工角度在15°以內。

2）加大錨索預緊力，增加頂板巖層界面的擠壓力和摩擦力，充分發揮錨桿支護的組合梁作用，提高巖體自身承載力，降低頂板巖層之間的錯動程度，防止強烈剪切力作用于錨索使其斷裂。

3）增加錨索托盤泄壓裝置，充分讓壓。在受動壓影響劇烈的區域，進行錨索補強支護時，增設泄壓裝置，即在錨索托盤和頂板間增設緩沖層，采動壓力達到緩沖層時衰減，避免強烈動壓直接作用于錨索。對于受采動壓力影響較小區域巷道錨索補強支護時，在錨索托盤和頂板之間安設50mm厚的木板形成泄壓緩沖墊層。

4）加強頂板離層管理，對于錨網支護巷道出現的頂板破碎、壓力大的地點，及時進行架設工字鋼棚輔助加強支護。對巷道高冒區兩端、中部及巷道擴寬處均采用錨索配合W鋼帶加強支護。

4 結論

1）錨網支護巷道錨索破斷容易導致巷道變形甚至出現冒頂事故，研究錨索破斷原因及防止對策具有重要的現實意義。

2）錨索斷裂不僅由頂板壓力所致，還有相當一部分是被頂板活動時引起的剪切作用所致。錨網支護巷道施工時應盡量提高錨桿（索）的預緊力，近水平煤層巷道按設計要求盡量垂直頂板布置，充分發揮錨桿的組合梁作用，不能依靠錨索的懸吊作用，應充分發揮支護體系的整體效應。

3）井下地質條件復雜多變，發現錨桿、錨索支護斷裂后，及時分析破斷原因，制定針對性的防范措施，消除錨網支護巷道頂板隱患，保證礦井安全生產。

參考文獻：

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[3] 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.

作者簡介：

張立海（1964-），男，河北故城人，高級工程師，碩士，畢業于河北煤炭建筑工程學院采礦工程專業，從事生產技術管理工作。