球形托盤在巷道支護(hù)中的優(yōu)化應(yīng)用研究

張小宇

（陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713500）

合理的支護(hù)是保證井下巷道穩(wěn)定和安全生產(chǎn)的前提。支護(hù)可分為被動(dòng)支護(hù)和主動(dòng)支護(hù)，主動(dòng)支護(hù)以錨桿（索）支護(hù)為主。錨桿（索）的支護(hù)效果取決于支護(hù)構(gòu)件的壽命，錨桿（索）的支護(hù)失效，一部分由托盤變形引起。托盤變形后，錨桿（索）預(yù)應(yīng)力無(wú)法有效施加，導(dǎo)致其錨固力下降，嚴(yán)重時(shí)甚至引起錨桿（索）桿件的脫離。普通方形托盤變形損害是由于其與螺母接觸處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，四周產(chǎn)生嚴(yán)重翹曲變形。因此，需尋求一種合理的托盤結(jié)構(gòu)對(duì)巷道支護(hù)構(gòu)件中的方形托盤進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程背景

（1）工程概況

40302 運(yùn)輸巷道位于40302 工作面，工作面主采4#煤，煤層埋深約為770～790 m，煤層厚17～35 m。巷道北側(cè)為40304 工作面，南側(cè)為40210 工作面，西側(cè)為中央2#回風(fēng)大巷，東側(cè)緊鄰井田東翼開拓大巷保護(hù)煤柱。巷道長(zhǎng)2 200.6 m，沿煤層中部掘進(jìn)，由于煤層起伏變化較大，部分巷道為巖巷或半煤巖巷。巖巷斷面為直墻半圓拱型，凈寬5500 mm，凈高3950 mm；煤巷斷面為矩形，凈寬5500 mm，凈高3500 mm。

40302 膠帶順槽采用錨網(wǎng)索+W 型鋼帶+槽鋼聯(lián)合支護(hù)，巖巷段采用錨網(wǎng)索支護(hù)。巷道支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 40302 運(yùn)輸巷支護(hù)參數(shù)

（2）工程問(wèn)題

40302 工作面埋深較大，巷道絕大部分頂板為煤層，高地應(yīng)力作用下頂板較破碎。其次，在回采過(guò)程中，特厚煤層將造成工作面前方20 m 范圍內(nèi)的巷道應(yīng)力集中系數(shù)顯著增加。2021 年7 月，巷道掘進(jìn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)頭后方托盤嚴(yán)重變形脫落，嚴(yán)重時(shí)頂板錨桿（索）桿體脫落，巷道支護(hù)失效。

2 巷道托盤支護(hù)受力分析

錨桿（索）網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)是井巷工程中常見的支護(hù)方式，而托盤是影響其錨固效果的重要構(gòu)件。觀察40302 運(yùn)輸巷發(fā)現(xiàn)在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，錨桿（索）支護(hù)結(jié)構(gòu)中托盤先于其他支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形破壞，進(jìn)而引發(fā)支護(hù)設(shè)備的其他構(gòu)件隨之變形，最終造成支護(hù)失效[1-2]。因此，需要對(duì)托盤支護(hù)受力進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

（1）方形托盤受力分析

在組合安裝錨桿（索）時(shí)，對(duì)螺母施加扭矩使托盤對(duì)錨桿提供預(yù)緊力，以實(shí)現(xiàn)巷道圍巖主動(dòng)支護(hù)[3]。如圖1 所示，錨桿（索）預(yù)緊力施加于方型托盤平面，導(dǎo)致應(yīng)力集中分布于托盤中心孔周圍。

圖1 方形托盤受力狀態(tài)圖

由圖1 可知，假設(shè)托盤中心處預(yù)緊力為F，當(dāng)托盤作用于煤巖壁時(shí)，將對(duì)托盤產(chǎn)生反作用力。根據(jù)力的平衡條件F=F'，作用力F與作用點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)，反作用力F'與作用點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)'。由圖1（b）可知，因方形托盤應(yīng)力集中于托盤中心孔區(qū)域，L'＞L，預(yù)緊力F產(chǎn)生的力矩FL＞反作用力產(chǎn)生的力矩F'L'。在方形托盤的四周邊緣部分扭矩較大，導(dǎo)致此區(qū)域托盤易產(chǎn)生翹曲變形。此外，托盤孔口與錨桿接合處孔口較小，應(yīng)力集中達(dá)到一定程度時(shí)，易造成托盤中心孔口撕裂。因此為了避免托盤產(chǎn)生翹曲變形，需要減少托盤四周邊緣的扭矩。

（2）球形托盤受力分析

球形托盤作為一種新型托盤，其結(jié)構(gòu)能有效防止應(yīng)力集中導(dǎo)致托盤邊緣的翹曲變形，其原理可通過(guò)力學(xué)分析解釋。圖2 為球形托盤受力狀態(tài)圖。

圖2 球形托盤受力狀態(tài)圖

如圖2（b）所示，在作用力和反作用力不改變的前提下，空心半球殼的特殊結(jié)構(gòu)使作用力作用于O 點(diǎn)，轉(zhuǎn)移了受力位置，增大了作用力與作用點(diǎn)之間的力臂，進(jìn)而增加了作用力力矩。同時(shí)，由于反作用力的力臂減少，反作用力的力矩隨之減少。因此球形托盤平面部分的邊緣區(qū)域扭矩較小，不容易產(chǎn)生翹曲變形，同時(shí)緩解了集中應(yīng)力對(duì)孔口處的撕裂作用。因此，球形托盤結(jié)構(gòu)能有效提高托盤的承載能力，保證錨桿（索）的錨固效果。

球形托盤搭配使用球形墊片，球形墊片的球面結(jié)構(gòu)與球形托盤孔口相適應(yīng)，增大了受力面積，錨桿錨索承載力得到了提升。另外，球形墊片還具有很好的調(diào)心作用，在受到偏載作用時(shí)，能夠及時(shí)調(diào)節(jié)錨桿的受力方向，有效避免桿體損壞[4]。

3 工程應(yīng)用

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)：球形托盤特殊的球形結(jié)構(gòu)緩解了孔口處的應(yīng)力集中，減少了托盤平面部分邊緣的扭矩，減少了此處產(chǎn)生翹曲變形的風(fēng)險(xiǎn)[5]。因此，40302 運(yùn)輸巷在支護(hù)過(guò)程中應(yīng)選用高強(qiáng)球形錨索托盤，并配套使用球形墊片。

3.1 支護(hù)優(yōu)化方案

40302 運(yùn)輸巷采用高強(qiáng)球形托盤替換原方形托盤。其中頂部支護(hù)錨桿托盤的規(guī)格尺寸由原先的100 mm×100 mm×10 mm 替換為150 mm×150 mm×12 mm，錨索托盤的規(guī)格尺寸由原先的120 mm×120 mm×10 mm 替 換 為200 mm×200 mm×15 mm。幫部支護(hù)錨桿托盤的規(guī)格尺寸由原先的100 mm×100 mm×10 mm 替換為150 mm×150 mm×12 mm，錨索托盤的規(guī)格尺寸由原先的120 mm×120 mm×10 mm 替 換 為150 mm×150 mm×12 mm。

3.2 優(yōu)化應(yīng)用效果

為準(zhǔn)確驗(yàn)證球形托盤在巷道支護(hù)優(yōu)化的合理性，從球形托盤的損壞情況和錨桿（索）的承載性能兩方面檢測(cè)高強(qiáng)球形托盤在巷道支護(hù)中的應(yīng)用效果[5]。

（1）在采用了球形托盤支護(hù)的40302 運(yùn)輸順槽段，每間隔200 m 隨機(jī)抽取5 個(gè)錨桿（索）托盤觀察其損壞情況。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果顯示，更換為球形托盤后，隨機(jī)抽取的45 個(gè)托盤中，僅有2 個(gè)托盤存在脫落情況，且托盤并未變形，可能存在工人操作失誤。托盤的損壞率為4.4%，較優(yōu)化前的方形托盤大面積損壞情況，優(yōu)化后得到明顯改善。

（2）為進(jìn)一步驗(yàn)證球形托盤對(duì)支護(hù)效果的優(yōu)化性能，在采用了球形托盤支護(hù)的40302 運(yùn)輸巷中，選取1000～1800 m 段進(jìn)行錨桿（索）破壞性現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)，每隔200 m，隨機(jī)抽取托盤未產(chǎn)生破壞的3 根錨桿和2 根錨索，通過(guò)LDZ-400 型礦用錨桿拉拔儀對(duì)錨桿的錨固力進(jìn)行測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，12 根錨桿的錨固力均超過(guò)80 kN，8 根錨索的錨固力均達(dá)到260 kN，滿足巷道支護(hù)強(qiáng)度要求。說(shuō)明高強(qiáng)度球形托盤對(duì)于提高錨桿（索）的支護(hù)性能有明顯的促進(jìn)作用。

4 結(jié)論

（1）方形托盤由于孔口處的應(yīng)力集中，易在托盤邊緣處產(chǎn)生翹曲變形。

（2）相比普通方形托盤，球形托盤的結(jié)構(gòu)能降低托盤邊緣處的扭矩，減緩?fù)斜P邊緣處的翹曲變形。

（3）采用高強(qiáng)球形托盤優(yōu)化支護(hù)后，40302 運(yùn)輸巷托盤破壞情況得到明顯改善，且支護(hù)性能明顯提高。