錨網支護巷道錨索斷裂原因及控制措施

徐惠超

（山西焦煤汾西礦業水峪煤礦， 山西 呂梁 032300）

1 工程概況

61116工作面西北距旺家垣村470m（村莊保安煤柱），東距賀南溝430m。該工作面北為61114工作面，南為61118工作面，東為7003工作面，西鄰六采區大巷。本工作面在太原組10號、11號煤層下分層中掘進，煤層平均厚度7.77m，平均傾角5°，由于傾角小于8°，屬于近水平煤層。巷道直接頂為泥巖，厚度為0.8m，其特征為性脆易碎、節理發育；巷道老底為砂質頁巖，厚度為4.5m，其性質為灰白色、較硬。設計巷道斷面形狀為矩形，參數為4.5m×3.0m。61116材料巷采用鋼帶、錨桿、錨索、菱形網聯合支護。頂板錨桿的參數為Φ22-M24-2 400左旋無縱筋螺紋鋼，間距為800mm，每排的距離為1 000mm，扭矩大小210 N·m，錨固力大小100 kN。頂板上鋼帶的參數為4 200mm×275mm×3mm。而鋼帶兩端的兩根頂錨桿為角錨桿，呈75°傾角，其余的錨桿都與頂板相互垂直放置，并以矩形形狀進行安置。頂板錨桿的安裝是通過鋼帶與托盤一起實現的。幫錨桿的參數為Φ16×1 800mm，材料及形狀為圓鋼形狀的錨桿，兩幫每排各施三根錨桿，錨桿的相互距離為900mm，每排間的相互距離1 000mm，其中最上排錨桿距頂板500mm，均垂直巷幫，并以矩形進行安置，扭矩的大小值150 N·m，錨固力的大小值50 kN[1-3]。錨桿通過300mm×275mm×3mm的鋼帶和托盤相互作用實現安裝。錨索的參數為Φ21.6mm×5000mm。沿巷道挖掘的方向上每間隔2m安放一組，一組3根，第一排分別布置在距巷道兩幫各1.5m處，第二排布置在巷道中心線處，間距2.0m。錨索的預緊力要求140 kN，均垂直頂板布置。

2 頂錨索斷裂原因分析

目前，工作面錨索斷裂主要發生在相鄰工作面的回采過程中，破斷區域位于61116材料巷510～610m處，錨索發生剪切斷裂，其中具體的斷裂情況為：45°傾角斷裂，斷口較光滑；0°傾角斷裂，斷口不平整；斷裂位置分布在距尾端1.0～1.5m處。

2.1 頂板層間距小使錨索承載能力差

根據太沙基理論可知，冒落拱高度的計算結果為5.7m，如果在頂板上方的5.7m處不加支撐保護，就有可能發生冒落；由于巷道位于9號煤采空區下，在510～610m下的頂板層間距為5.3～6.1m，平均值為5.6m，層間距的值較小，其承載能力差，巷道冒落后極易溝通上覆9號煤采空區[4-5]。

2.2 受物理因數的影響頂板巖層離層遭到破壞

510～610m范圍內的直接底是厚度1.6m的鋁質泥巖，性質軟、遇水膨脹。由于鋁質泥巖比較軟弱，從而會降低頂板巖層的整體彈性模量，容易受地應力的影響，頂板巖層的彈性能量很容易堆積起來，且隨著時間的流逝，彈性能量堆積值越來越大，但巷道底板主要是砂質頁巖，厚度為4.5m，硬度較大，難以發生底鼓而釋放能量，此時由于兩個相鄰的開采面之間壓力的存在，便會使堆積起來的彈性能得到釋放，從而使頂板巖層離層和破壞，最終導致錨索損壞。

2.3 錨桿支護作用得不到充分發揮使錨索承受頂板巖層的大部分壓力

頂錨桿大多是采取與頂板垂直且呈矩形的方式布置，由于巷道冒落拱高度5.7m，再加上泥巖的軟弱性質，造成頂錨桿的錨固力差，支護系統中組合梁的作用得不到充分發揮（頂錨桿的作用僅僅是淺表層的銷釘懸吊），所以，全體支護系統的關鍵作用僅僅是錨索的懸掛作用，錨索承受了頂板巖層的大部分壓力，很容易斷裂。

2.4 受周圍環境的影響錨索強度降低

由于巷道的標高不高，所以510～610m的范圍為積水區，導致頂板有積水的存在，而積水的存在首先造成巷道頂板的強度下降、整體的穩定性能下降，然后使得頂錨索在較長的時間下受到積水的侵蝕，使得錨索出現生銹的情況，從而導致鋼絞線的強度下降，最終的影響是造成錨索強度小于設計承載力，進而導致支護的效果變差；另外，10號、11號煤層中含有較高的硫及其他危害化學元素，硫、硫酸及由硫衍生出的其他化合物會腐蝕錨索表面，造成錨索表面產生微小裂紋，從而使得錨索強度降低，支護效果變差。

2.5 受頂板活動及壓力的影響錨索受到衍生剪切力和頂板巖層壓力的作用

層面附近會因巷道頂板下沉而發生位移與形變。由于壓力的作用，故當61116材料巷的錨索力小于頂板的重力時，頂板巖層內將發生離層或斷裂。頂板巖層在動壓力的反復作用下將發生彎曲轉動、層間錯動，從而產生剪切力。此時，錨索受到了兩種力的影響，即頂板巖層發生離層或斷裂時產生的壓力以及衍生出來的剪切力。而錨索之所以會發生斷裂，最主要的原因就是受到衍生剪切力的作用，還有一部分原因是頂板巖層的壓力。

3 控制措施

1）增加錨索的設計預緊力，增大頂板巖層之間的壓力，增加頂板巖層之間的摩擦系數，通過充分發揮組合梁的作用，發揮巖體自承能力，降低頂板巖層之間的錯動程度，避免錨索因剪切力而發生斷裂。

2）當在近水平煤層使用錨索進行支護時，應盡量使錨索與頂板的角度為90°；當煤層的平均傾角過大時或受到掘進變坡施工的限制時，若錨索不可能與頂板布置成90°，應盡量保證角度小于15°。

3）加強掘進工作面的頂板管理，如遇到頂板破碎，主動支護困難時，及時使用被動支護控制頂板。依照錨索巷道頂板巖性的探測結果，對支護參數不斷修正，保證錨固端能夠充分伸入到穩定巖層的深部。加大對頂板離層管理的力度，每隔50m安裝一組頂板離層指示儀，安排專人負責每天觀測，發現問題及時整改。當發生錨索托盤變形而錨桿托盤不變形的情況時，說明錨桿對離層點已經不發生作用，但錨索仍在發揮作用，此時應該通過補設錨索或架棚來進行加強支護。當錨桿與錨索托盤都不發生變形而頂板有明顯下沉時，錨索對離層點的作用也不在范圍之內，錨索對頂板下沉已不起作用，此時需要采取必要的加強支護措施[6-8]。

4）設置緩沖裝置，對動壓力進行補償。動壓力是加速錨索斷裂的因素，要盡量避免或者對其進行補償。在動壓力較大較強烈的范圍內，設置動壓力補償裝置，實現對動壓力的卸荷或者減小動壓力。還可安裝木板、橡膠、泡沫等可起緩沖作用的物質。

4 結語

錨索斷裂發生的最主要原因就是受到衍生剪切力的作用，還有一部分原因是頂板巖層的壓力。為了減小錨索斷裂的幾率，可以在設計時提高錨索的設計預緊力，盡量將錨索與頂板垂直布置，以充分發揮錨索支護的組合作用。