自鎖讓壓式錨桿在應力集中區(qū)巷道支護中的應用

霍旭亮

(霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦，山西 呂梁 033100)

1 概述

山西焦煤霍州煤電集團公司店坪煤礦2022巷位于830m水平二采區(qū)左翼，施工巷道北部為200工作面，東部為實煤區(qū)，南部為204工作面，西部為830m水平大巷，工作面埋藏深度為477m。

2022巷主要用于202工作面回風，巷道設計長度為1700m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=4.5×3.0m。巷道掘進煤層為9#煤層，平均厚度為3.0m，平均傾角3°。9#煤層結構相對復雜，煤層連續(xù)穩(wěn)定性差，煤層內(nèi)含三層夾矸，主要以泥巖為主，總厚度為0.57m。9#煤層無偽頂，直接頂主要以泥巖與煤混合巖層為主，平均厚度為2.47m；基本頂主要以細砂巖為主，平均厚度為8.9m。2022巷采用機械化掘進施工工藝，截至目前巷道已掘進457m。

地測資料顯示，2022巷掘進至450～560m范圍揭露六條正斷層，斷層平均落差為0.9m,平均傾角為48°。在巷道478m南部25m處含有一條X2陷落柱，陷落柱短軸長度為27m，長軸長為42m，柱體內(nèi)填充物主要以炭質(zhì)泥巖及碎狀砂巖為主。巷道掘進期間受圍巖應力及斷層群影響，巷道在440～570m范圍內(nèi)形成應力破壞區(qū)。巷道掘進至440m處頂板出現(xiàn)破碎、下沉現(xiàn)象，傳統(tǒng)螺紋鋼錨桿支護后變形嚴重，錨桿在破碎頂板巖體內(nèi)錨固效果差，錨桿失效率高達24%，支護效果差。

2 支護設計及問題分析

2.1 原巷道頂板支護設計

（1）2022巷原頂板采用錨桿、錨索以及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。頂板錨桿長度為2.0m，直徑為22mm，每排布置5根，錨桿間排距為1.0m，錨桿采用兩支MSKC23/35型錨固劑錨固，錨桿預緊力為200N·m，錨固力為98kN，錨桿屈服強度為330MPa，破斷力為370kN。

（2）頂板錨索長度為5.0m，直徑為17.8mm，每排布置兩根，錨索間距×排距=2.0×3.0m；錨桿采用兩支MSKC23/35型錨固劑錨固，錨索采用一支MSK23/60型以及一支MSKC23/35型錨固劑錨固，預緊力為210kN，錨固力為320kN。

2.2 問題分析

（1）錨桿支護長度不足。由于施工巷道沿9#煤層頂板平行掘進，巷道直接頂主要以泥巖混合巖層為主，厚度為2.47m，原支護設計中錨桿長度為2.0m，錨桿錨固端位于直接頂與基本頂離層區(qū)域內(nèi)，導致錨桿錨固端位于破碎巖體，無法對松動圈進行加固支護。

（2）錨桿錨固效果差。原支護設計中錨桿與圍巖之間主要采用錨固劑進行連接，錨桿的支護效果主要取決于錨固效果，錨固劑可將錨桿與圍巖粘結摩擦作用增大，將自由段的拉力傳至圍巖深處，但是傳統(tǒng)錨桿體為螺紋結構，錨桿錨固端以外部分與圍巖不具有力的傳遞及承載作用。

（3）錨桿變形嚴重。由于傳統(tǒng)錨桿錨固后通過螺母將托板、鋼帶等連接機構進行預緊，連接機構鋼性大，直接與頂板接觸連接，當頂板發(fā)生塑性變形時連接結構不具有讓壓作用，導致連接機構變形嚴重。同時錨桿在受力過大或受力不均時錨桿桿體與螺母之間容易出現(xiàn)松動現(xiàn)象，隨著錨桿桿體和螺母產(chǎn)生松動，錨桿受剪切應力作用很快失效，巖體隨即迅速發(fā)生較大規(guī)模的變形破壞，最終致使整體支護結構失穩(wěn)。

3 自鎖讓壓式錨桿應用分析

3.1 自鎖讓壓式錨桿結構及施工

為了提高應力集中區(qū)頂板錨桿支護效果及讓壓效果，降低支護成本費用，保證應力集中區(qū)頂板穩(wěn)定性，決定對應力集中區(qū)頂板采用自鎖式錨桿進行支護。

（1）2022巷應力集中區(qū)頂板采用的自鎖式錨桿主要由桿體、自鎖機構、讓壓機構、螺母、墊片等部分組成，如圖1所示。為了不降低錨桿屈服強度，桿體采用長度為3.0m、直徑為22mm螺紋鋼，桿體錨固端長度為1.2m，桿體螺紋端長度為0.1m。

（3）自鎖機構主要由連接套、自鎖片、推桿、彈簧、螺紋套管等部分組成，螺紋套管與桿體螺紋絲扣連接，螺紋套直徑為23mm，每根錨桿共計安裝5個自鎖機構，安裝間距為0.5m。

（4）讓壓機構主要由錨桿托盤、讓壓彈簧等部分組成，錨桿托盤為鏤空半球形結構，托盤直徑為25mm。托板內(nèi)安裝三組讓壓彈簧，彈簧張拉行程為 0～0.3m。

（5）自鎖讓壓式錨桿安裝前應將自鎖機構安裝在錨桿桿體，然后采用MT-130型錨索鉆機在頂板施工支護鉆孔，鉆孔深度為3.0m，直徑為30mm，鉆孔垂直頂板布置，每排布置5個鉆孔，孔間距為1.0m。

（6）鉆孔施工完后對鉆孔內(nèi)依次填裝一支MSKC23/35型、一支MSKC23/60型錨固劑以及一根自鎖讓壓式錨桿，錨桿安裝錨固必須一次性到位，錨桿錨固后保證外露長度控制在10～100mm范圍內(nèi)。

（7）同一排自鎖讓壓式錨桿安裝完成后，在其外露端依次安裝一根 “JW”型鋼帶、讓壓機構，并采用螺母預緊，預緊力不得低于200N·m。

（8）在安裝錨桿時自鎖機構處于閉合狀態(tài)，當頂板來壓錨桿受張拉力時，自鎖機構中自鎖片可與煤幫卡嚴，當頂板出現(xiàn)下沉、離層時，通過讓壓機構可實現(xiàn)錨桿與變形巖體耦合讓壓作用，防止錨桿變形、支護失效現(xiàn)象。

圖1 自鎖讓壓式錨桿結構示意圖

3.2 實際應用效果

2022巷掘進至460m處對頂板施工自鎖讓壓式錨桿，截至2018年11月13日，巷道已完全通過集中應力破壞區(qū)。巷道在應力集中區(qū)掘進10d內(nèi)，頂板塑性變形相對嚴重，頂板出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，最大下沉量為0.19m，在10～18d頂板下沉量逐漸降低，在18d后頂板趨于穩(wěn)定。

通過對應力集中區(qū)頂板自鎖讓壓式錨桿應用效果觀察發(fā)現(xiàn)，自鎖讓壓式錨桿不僅提高了錨桿錨固效果，解決了傳統(tǒng)錨桿錨固效果差、無法實現(xiàn)讓壓耦合支護等技術難題，在應力區(qū)內(nèi)自鎖讓壓式錨桿失效率降低至4%以下，節(jié)約支護成本費用達45萬元。

4 結論

（1）與傳統(tǒng)注漿、架設工字鋼棚等加強支護相比，施工自鎖讓壓式錨桿施工工藝簡單，成本費用低，勞動強度小。

（2）與傳統(tǒng)螺紋鋼錨桿相比，自鎖讓壓式錨桿在屈服強度保持不變的情況下，增加了錨桿長度，從而保證了錨固段位于堅硬巖體內(nèi)，提高了錨桿錨固效果，降低了錨桿錨固失效率。

（3）自鎖讓壓式錨桿通過安裝自鎖機構，實現(xiàn)了錨桿與圍巖全長應力傳遞作用，提高了錨桿抗拉強度，增加了錨桿承壓作用，避免了因錨固失效導致錨桿整體支護作用失效現(xiàn)象。

（4）在頂板應力作用下，當頂板出現(xiàn)下沉、離層時，自鎖讓壓式錨桿中讓壓機構處于受壓狀態(tài)，實現(xiàn)了錨桿與變形圍巖讓壓耦合支護作用，降低了錨桿剪切破壞作用，提高了錨桿支護效果。