回采巷道錨桿支護(hù)構(gòu)件及錨桿關(guān)鍵支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

何少帥

（中煤大同能源有限責(zé)任公司塔山煤礦，山西 大同 037000）

1 概況

中煤塔山煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3.00 Mt/a，3-5#煤層平均厚度15.96 m，采用放頂煤開(kāi)采工藝。工作面順槽沿煤層底板掘進(jìn)，順槽巷道存在特厚煤層托頂煤支護(hù)難題。3-5#煤層巷道頂板和兩幫屬于全煤，煤體強(qiáng)度普氏系數(shù)2～3，圍巖裂隙較為發(fā)育，巷道圍巖穩(wěn)定性較差，巷道支護(hù)具有較大難度。

2 支護(hù)材料及關(guān)鍵支護(hù)參數(shù)現(xiàn)狀

30515 回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)寬度為5.2 m，設(shè)計(jì)高度為4.0 m，斷面20.8 m2。30515 回風(fēng)順槽鄰近30501工作面采空區(qū)，巷道區(qū)段煤柱寬10 m，是小煤柱掘進(jìn)巷道。30515 回風(fēng)順槽現(xiàn)支護(hù)頂錨桿6 根，幫錨桿每側(cè)4 根，錨桿規(guī)格為Φ22 mm-M24-2400 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋錨桿，間排距1000 mm×1000 mm，錨桿預(yù)緊力矩200 N·m；頂錨索5 根，錨索采用Φ21.8 mm×8300 mm 的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距1300 mm×2000 mm，錨索預(yù)緊力170 kN。

30515 回風(fēng)順槽掘進(jìn)至350 m 里程時(shí)開(kāi)始發(fā)生錨桿破斷現(xiàn)象，掘進(jìn)至800 m 里程時(shí)，巷道共計(jì)破斷錨桿170 根，并且破斷錨桿頂板和兩幫都有。掘進(jìn)期間頂板和兩幫位移較大，頂板最大位移300 mm，煤幫最大位移達(dá)到500 mm。現(xiàn)有支護(hù)材料統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)有支護(hù)材料統(tǒng)計(jì)表

3 現(xiàn)用錨桿力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)現(xiàn)有錨桿支護(hù)材料，包括錨桿桿體、桿尾螺紋段、錨桿托板以及錨桿預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究[1-3]。

3.1 錨桿桿體及桿尾螺紋段強(qiáng)度性能檢測(cè)

針對(duì)現(xiàn)用的錨桿進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)其最主要的幾項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，包括桿體及螺紋段的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、變形破斷狀態(tài)。選取30515 回風(fēng)順槽在用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，取長(zhǎng)度為800 mm 進(jìn)行試驗(yàn)。

（1）Φ22-M24-2400 型左旋無(wú)縱筋螺紋鋼桿體的屈服強(qiáng)度在363～373 MPa 之間，屈服力在137.1～140.1 kN，抗拉強(qiáng)度在581～582 MPa 之間，破斷力平均為219.48 kN。

（2）Φ22-M24-2400 型左旋無(wú)縱筋螺紋鋼桿體尾部螺紋段的屈服力在193.4～199.4 kN 之間，屈服力平均為195.88 kN，破斷力在215.7～218.8 kN 之間，平均為217.35 kN。

3.2 錨桿托板承載力檢測(cè)

試驗(yàn)測(cè)試30515 回風(fēng)順槽現(xiàn)用的拱形托板的承載能力和變形特征，并與新型錨桿托板力學(xué)性能做對(duì)比分析。選擇現(xiàn)用三組不可調(diào)心拱形托板，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm； 采 用JAW-1500kN萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)，對(duì)托板進(jìn)行加載，監(jiān)測(cè)托板變形全過(guò)程。

（1）三組規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm 錨桿托板的承載力試驗(yàn)結(jié)果分別為216.33 kN、227.4 kN 和228.5 kN，平均為224.1 kN。

（2）三組規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm 錨桿托板高度分別為31 mm、30.6 mm 和30.7 mm，平均30.7 mm。

圖1 是高強(qiáng)度拱形可調(diào)心錨桿托板及托板加載與位移曲線。新型錨桿托板規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm，與目前現(xiàn)有托板規(guī)格保持一致，但是托板的承載力達(dá)到412.6 kN，是目前現(xiàn)有托板平均承載力的1.8 倍，同時(shí)托板的拱高達(dá)到36 mm，新型錨桿托板的力學(xué)性能要優(yōu)于目前現(xiàn)用的托板。

圖1 新型錨桿托板負(fù)荷與位移變化曲線

3.3 錨桿螺母預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化試驗(yàn)

選擇Φ22-M24-2400 型左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿桿體、配套螺母以及150 mm×150 mm×10 mm 拱形托板。將錨桿自螺母段截取800 mm 制作試樣，試樣尾部?jī)蓚?cè)焊接兩個(gè)長(zhǎng)約100 mm 的錨桿桿體用于對(duì)錨桿施加扭矩時(shí)固定錨桿。采用扭矩扳手對(duì)裝配好的錨桿螺母施加扭矩，扭矩與預(yù)緊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系用錨桿測(cè)試計(jì)監(jiān)測(cè)，扭矩最大加到500 N·m，每隔50 N·m 讀錨桿測(cè)力計(jì)讀數(shù)一次，根據(jù)測(cè)力計(jì)讀數(shù)的變化計(jì)算出不同扭矩下錨桿所受軸力的大小。錨桿螺母預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2 和圖2。

圖2 錨桿螺母預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化曲線

錨桿螺母預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化基本呈線性相關(guān)的關(guān)系，即錨桿預(yù)緊力矩越大，錨桿軸向預(yù)緊力越大，此時(shí)錨桿對(duì)巷道圍巖的主動(dòng)加固越明顯，巷道加固效果越好。從表2 可以看出，隨著錨桿預(yù)緊力矩的增加，錨桿軸向預(yù)緊力增加的幅度在降低，這一點(diǎn)從錨桿的預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化系數(shù)可以明顯地看出。當(dāng)錨桿預(yù)緊力矩小于200 N·m 時(shí)，錨桿的預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化系數(shù)平均在0.2 左右；隨著錨桿預(yù)緊力矩的增加，當(dāng)錨桿預(yù)緊力矩大于400 N·m 時(shí)，錨桿的預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化系數(shù)降低至0.17，增加幅度在降低。

表2 錨桿螺母預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.4 錨桿錨固性能分析

由于3-5#煤層為全煤巷道，錨桿錨固段全部位于煤層之中，其強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)有其自身的特殊性，試驗(yàn)地點(diǎn)位于30515 回風(fēng)順槽100 m 里程處。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的拉拔試驗(yàn)表明，采用一根K2360 和一支CK2335 的錨固劑，錨桿的錨固力到達(dá)154 kN 以上，滿足錨桿錨固力的要求。

4 錨桿材質(zhì)及關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

4.1 錨桿桿體強(qiáng)度優(yōu)化

根據(jù)30515 回風(fēng)順槽錨桿破斷情況，錨桿破斷位置以螺紋段和螺紋段向上0.5～1 m 位置為主。目前回采巷道錨桿牌號(hào)335，錨桿桿體破斷力219 kN。優(yōu)化后，桿體為Φ22 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，牌號(hào)500，錨桿桿體破斷力不小于310 kN，錨桿桿體強(qiáng)度提升了42%。

4.2 錨桿托盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化

塔山煤礦此前使用的不可調(diào)心的拱形托板，托板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷。優(yōu)化后新型托盤托板拱高由20 mm 增加到43 mm，以吸收巷道高應(yīng)力，增加托盤強(qiáng)度，孔口設(shè)倒角，能夠與調(diào)心球墊相匹配。

4.3 錨桿構(gòu)件增加調(diào)心球墊及減摩墊片

在托板和螺母之間加入調(diào)心球墊和減摩墊片，通過(guò)調(diào)心球墊的調(diào)節(jié)作用，在錨桿承受偏心載荷作用時(shí)，能夠調(diào)節(jié)錨桿桿體受力狀態(tài)。

減摩墊片能夠大幅度提高錨桿預(yù)緊力矩和預(yù)緊力之間的轉(zhuǎn)化效果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，使用不同減摩墊片，相同預(yù)緊力矩條件下，轉(zhuǎn)化成錨桿軸向預(yù)緊力差別很大，如圖3 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，不使用減摩墊片錨桿預(yù)緊力最低，而使用1010 尼龍墊片錨桿軸向力最大。

圖3 不同減摩墊片錨桿預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化效果對(duì)比

4.4 錨桿預(yù)緊力提升

目前錨桿預(yù)緊力矩200 N·m，其中還有的錨桿預(yù)緊力矩達(dá)不到200 N·m，此時(shí)錨桿預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化效率不足0.2，即錨桿軸向預(yù)緊力不到40 kN。根據(jù)前述試驗(yàn)，錨桿的屈服力為140 kN，因此錨桿強(qiáng)度利用率28.5%，沒(méi)有充分地發(fā)揮出錨桿的強(qiáng)度性能，對(duì)巷道圍巖加固作用很低，沒(méi)有充分發(fā)揮出錨桿支護(hù)體系及時(shí)主動(dòng)的核心作用。優(yōu)化提升后，錨桿預(yù)緊力矩增加到400 N·m，錨桿預(yù)緊力大于100 kN。

4.5 螺母結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)現(xiàn)有錨桿螺母進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，采用高強(qiáng)錨桿螺母M22×2.5，螺母與托盤接觸端加大螺母外徑，以增大螺母與托盤接觸面積。螺母外端使用鋼片式快速安裝螺母，并且螺母鋼片脫落預(yù)緊力矩不得小于100 N·m，保證錨固劑攪拌均勻。

4.6 錨桿其他構(gòu)件優(yōu)化

幫部錨桿增加厚度4 mm、寬度280 mm、長(zhǎng)度為450 mm 的W 鋼護(hù)板護(hù)幫，以補(bǔ)強(qiáng)幫部整體強(qiáng)度。增加了頂部錨桿倍增器和幫部錨桿風(fēng)動(dòng)扳手，以增加錨桿預(yù)緊力矩。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)塔山煤礦錨桿桿體、構(gòu)件及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，取得了以下效果：

（1）錨桿構(gòu)件優(yōu)化后，錨桿預(yù)緊力矩達(dá)到400 N·m 時(shí)，錨桿預(yù)緊力可達(dá)到120 kN。

（2）錨桿材質(zhì)強(qiáng)度提升后，在調(diào)心球墊、減摩墊片和W 鋼護(hù)板共同作用下，30515 回風(fēng)順槽后期沒(méi)有出現(xiàn)錨桿破斷情況，巷道支護(hù)效果得到提升。

（3）增加巷道錨桿支護(hù)強(qiáng)度后，幫部增加W鋼護(hù)板護(hù)幫，巷道幫部圍巖變形量由原平均變形量500 mm 減小到200 mm，頂板淺部離層量由最大離層量300 mm 減小到100 mm 以內(nèi)，巷道圍巖整體完整性提升。