煤礦小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索破斷原因分析及對策

石　垚，林　健，王正勝，楊景賀

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部,北京100013;2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計研究分院,北京100013)

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煤礦小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索破斷原因分析及對策

石垚1,2，林健1,2，王正勝1,2，楊景賀1,2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部,北京100013;2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計研究分院,北京100013)

[摘要]針對復(fù)雜困難條件下煤礦巷道支護錨索普遍存在的破斷問題，通過實驗室試驗和現(xiàn)場巷道頂板煤巖層變形規(guī)律驗證了錨索破斷的原因，并提出了針對性解決措施。研究結(jié)果表明，井下錨索破斷主要有2種形式：錨索鎖具附近破斷和錨索中部破斷。錨索鎖具附近破斷的原因主要是錨索工作過程中與巷道巖面垂線夾角過大造成錨索受到拉-彎-剪復(fù)合應(yīng)力作用所致；錨索中部破斷主要是由于頂板巖層強烈錯動導(dǎo)致錨索在受到較大拉應(yīng)力情況下受巖層彎曲錯動剪切所致。針對錨索的不同破壞形式，建議采取垂直巖面布置錨索、選擇延伸率較大和屈服強度比較低的1×19股錨索、減小錨索長度、增加錨桿錨索預(yù)緊力的方法來解決錨索破斷問題。

[關(guān)鍵詞]錨索；破斷；原因分析；對策

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.025

[引用格式]石垚，林健，王正勝，等.煤礦小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索破斷原因分析及對策[J].煤礦開采，2015，20(5)：93-96.

錨桿錨索支護技術(shù)作為煤礦巷道支護的一種主要形式，在國內(nèi)外煤礦巷道支護中得到廣泛應(yīng)用。隨著我國煤礦開采深度的增加、開采區(qū)域的不斷擴展、地質(zhì)條件的不斷復(fù)雜化，錨索的使用數(shù)量呈逐年劇增趨勢，甚至有些巷道采用全錨索支護形式[1-3]。盡管錨索在復(fù)雜困難巷道(如高應(yīng)力巷道、軟巖巷道、沿空留巷、小煤柱護巷、受多次動壓影響巷道等)支護中發(fā)揮了重要作用，甚至在某種程度上成為困難巷道不可或缺的支護方式，但在困難巷道錨索的使用過程中均出現(xiàn)了不同程度的錨索破斷問題，造成巷道圍巖的急劇變形和破壞，嚴(yán)重的還造成人身傷亡事故。

國內(nèi)一些學(xué)者和工程技術(shù)人員對錨索破斷問題進行了一些研究和探討。張占春等[4]分析了綜放煤巷頂板錨索破斷機理，提出適當(dāng)增大錨索強度、支護密度、施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力及開發(fā)延伸率較大的新型高強度錨索來解決錨索破斷問題；王強[5]指出頂板淋水、滲水對錨桿錨索支護效果造成了較大的影響，尋找合理的錨索防銹技術(shù)，可有效解決錨索破斷問題。何炳銀[6]指出錨索破斷的原因主要為錨索的制造質(zhì)量存在缺陷、錨索的工作方式不當(dāng)、頂板離層或斷裂使錨索產(chǎn)生剪切破壞，提出通過提高錨索的制造質(zhì)量、增加錨索的讓壓性、適當(dāng)延遲張緊錨索、適當(dāng)釋放頂巖層內(nèi)的彈性變形來解決錨索破斷問題。馬運香[7]分析了深部巷道錨索破斷的原因，指出錨索破斷的位置主要在錨索孔口處和頂板離層處，提出通過施工垂直巖面的錨索和增大錨索直徑來解決錨索破斷問題。公佩暖等[8]指出錨索破斷主要是鋼絞線各股鋼筋受力不均造成各個擊破，提出通過在錨索鋼托板與大托板或鋼托梁之間加木墊板、滯后安裝錨索、合理布置錨索位置來解決錨索破斷問題。高習(xí)海[9]指出復(fù)合頂板巷道支護中出現(xiàn)斷錨索現(xiàn)象的主要原因是錨桿支護作用沒有得到發(fā)揮，巷道頂板載荷由錨索承擔(dān)，在沖擊壓力作用下錨索斷裂，提出通過合理設(shè)計支護參數(shù)來解決錨索破斷問題。賈進亞等[10]提出在斷層附近通過增加錨桿錨索直徑和長度，提高其預(yù)緊力，增加支護強度來解決錨桿錨索破斷問題。

本文針對煤礦現(xiàn)場錨索破斷的2種主要形式，通過實驗室試驗和現(xiàn)場巷道頂板煤巖層變形規(guī)律驗證錨索破斷的原因，并提出針對性的解決措施。

1現(xiàn)場錨索破斷情況調(diào)查

通過對山西潞安、晉城等礦區(qū)現(xiàn)場大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巷道錨桿(索)支護中錨索破斷主要有2種形式：鎖具附近錨索破斷和錨索中部破斷。典型破斷形態(tài)如圖1所示。

圖1　錨索破斷基本形態(tài)

錨索鎖具附近的索體破斷斷口比較有規(guī)律，索體整體斷裂面一般呈35～50°斜口，各股鋼絲斷裂斜口方向一致，一般呈脆性斷裂，頸縮現(xiàn)象不明顯，斷口距索具內(nèi)端面0～20mm；錨索中部各股鋼絲破斷長短不一，一般呈劈裂狀，無明顯頸縮現(xiàn)象，破斷位置深淺不一，淺部破斷錨索可彈射落地，深部破斷錨索僅表現(xiàn)為回彈，錨索托板脫離巖面。

2實驗室試驗

為驗證錨索破斷原因，在實驗室進行了錨索的偏斜拉伸試驗和常規(guī)拉伸試驗。

2.1　錨索偏斜拉伸試驗

煤礦井下錨索受斜拉破壞主要是由于錨索在安裝時巷道表面不平、設(shè)計中存在傾斜布置的錨索或圍巖變形造成圍巖表面彎曲鼓出，造成錨索承載期間在鎖具附近受斜拉破斷，這種工況明顯不同于橋梁和其他行業(yè)斜拉索和其他一般用途鋼絞線。因此，根據(jù)煤礦支護現(xiàn)場實際，采用自行設(shè)計研發(fā)的礦用錨索偏斜拉伸試驗臺進行錨索偏斜拉伸試驗，實驗裝置見圖2。試驗分別對目前較為常用的1×19股公稱直徑21.8mm，1×7股公稱直徑15.2mm和1×7股公稱直徑17.8mm的3種錨索進行了不同角度的偏斜拉伸試驗。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。其中偏斜拉伸系數(shù)為錨索在試驗機上常規(guī)拉伸載荷平均值與偏斜拉伸平均載荷的差值與常規(guī)拉伸載荷平均值的百分比。

圖2　礦用錨索偏斜拉伸試驗臺

從表1中可以看出，偏斜拉伸時隨著偏斜角度的不斷增大，錨索的破斷載荷呈逐漸降低趨勢。當(dāng)偏斜角度大于15°時，1×7股鋼絞線錨索的破斷載荷急劇下降，出現(xiàn)明顯的拐點；在偏斜角度大于20°時，1×19股鋼絞線出現(xiàn)明顯的拐點，但破斷載荷與1×7股鋼絞線相比下降幅度不太明顯。3種錨索偏斜拉伸系數(shù)如圖3所示。因此，煤礦錨索在使用過程中1×7股鋼絞線應(yīng)盡量保證角度不大于15°，1×19股錨索應(yīng)盡量保證角度不大于20°。

圖3　3種錨索偏斜拉伸系數(shù)曲線

偏斜拉伸錨索破斷斷口形狀見圖4。該試驗斷口形狀和煤礦井下鎖具附近錨索破斷形態(tài)完全一致，充分驗證了煤礦井下錨索此種破斷形式完全是由錨索工作過程中和巖面角度過大造成的拉-彎-剪復(fù)合破壞形式。

表1　三種規(guī)格鋼絞線偏斜拉伸試驗結(jié)果

圖4　錨索偏斜拉伸破斷圖片

2.2　錨索常規(guī)拉伸試驗

錨索常規(guī)拉伸試驗的目的主要是和煤礦井下錨索破斷的端口進行比較，分析錨索在圍巖深部破斷的原因。常規(guī)拉伸試驗采用JAW-1500kN型電液伺服萬能試驗機配合錨索索體專用夾具進行。常規(guī)錨索拉伸試驗錨索破斷斷口形式如圖5所示。

圖5　錨索常規(guī)拉伸破壞斷口形態(tài)

從圖5可以看出，錨索常規(guī)拉伸試驗破斷的錨索斷口一般各股鋼絲破斷比較整齊，各股鋼絲端口均有明顯的頸縮現(xiàn)象。這一現(xiàn)象和煤礦井下錨索破斷斷口(圖1(b)所示)有明顯的區(qū)別，說明煤礦井下錨索中部破斷的原因不單純是拉伸破壞所致。

3煤礦井下錨索變形形態(tài)

為進一步了解煤礦井下錨索中部破斷的原因，需要分析錨索在實際工作中的變形和受力規(guī)律，但是由于錨索長度一般較長和組成錨索的鋼絞線是相對柔性的材料，即便從煤礦井下取出完整的錨索也不能很好地再現(xiàn)工作狀態(tài)中錨索的變形和受力特征，所以在典型的大變形巷道中選擇與錨索具有相似工作條件的頂板錨桿進行取樣，來反應(yīng)錨索的變形和受力特征。圖6為晉城長平煤礦41072巷在大變形擴巷時取得的頂板錨桿形態(tài)，錨桿的排列順序和煤礦井下巷道支護順序一致。從圖中可以看出[11]，頂角錨桿在直接頂和煤層分界面附近出現(xiàn)明顯剪切彎曲變形；中部錨桿在直接頂和煤層分界面附近出現(xiàn)輕微剪切彎曲變形，整體彎曲變形不明顯；頂角靠里第2根錨桿在直接頂和煤層分界面附近出現(xiàn)明顯剪切彎曲變形，其夾矸面下部桿體產(chǎn)生連續(xù)彎曲變形。層理面上下巖層的橫向錯動使錨桿桿體在層理面附近產(chǎn)生明顯剪切彎曲變形，并使錨桿受到集中剪切載荷作用；巖層彎曲失穩(wěn)致使巖層沿桿體長度橫向位移連續(xù)變化，使桿體在較大范圍產(chǎn)生連續(xù)的彎曲變形，但不會使桿體受到剪切作用。

圖6　煤礦井下大變形巷道頂板錨桿變形形態(tài)

從以上分析可以得出，錨索中部破斷的原因主要是由于巷道頂板各巖層錯動導(dǎo)致錨索在受較大拉應(yīng)力的條件下，同時受到巖層錯動的剪切作用所致，由于巖層的剛度較小，不會出現(xiàn)鋼對鋼的脆性剪切，而是軟弱的煤巖體對剛度較大的鋼絞線的軟剪切，表現(xiàn)形式為錨索破斷后附近斷口呈現(xiàn)彎曲和劈裂現(xiàn)象。由于錨索剪切試驗臺制作困難，體型較大，故本次未進行實驗室錨索軟剪切試驗。

4錨索破斷的應(yīng)對措施

針對錨索破斷的具體情況，建議采取以下方法避免錨索破斷：

(1)巷道錨索支護設(shè)計時，盡量使錨索垂直巖面布置。由于巖層傾角較大或其他原因不能垂直巖面布置錨索時，1×7股鋼絞線應(yīng)盡量保證角度不大于15°，1×19股錨索應(yīng)盡量保證角度不大于20°。

(2)盡量采用延伸率較大和屈服強度比較低的1×19股錨索。

()加大錨桿、錨索預(yù)緊力，增加頂板巖層界面的正應(yīng)力和摩擦力，盡量減輕頂板巖層錯動程度，防止錨索在巖層面受到強烈剪切而發(fā)生破斷。

5結(jié)論

(1)煤礦井下錨索破斷是目前困難巷道普遍存在的一種現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道變形較大甚至出現(xiàn)冒頂事故，嚴(yán)重的還可能造成人身傷亡事故。研究錨索破斷原因及防止對策具有普遍的現(xiàn)實意義和緊迫性。

(2)現(xiàn)場調(diào)查和研究表明，井下錨索破斷主要有2種形式：錨索鎖具附近破斷和錨索中部破斷。錨索鎖具附近破斷的原因主要是錨索工作過程中與巷道巖面垂線夾角過大造成錨索受到拉-彎-剪復(fù)合應(yīng)力作用所致；錨索中部破斷主要是由于頂板巖層強烈錯動導(dǎo)致錨索在受到較大拉應(yīng)力情況下受巖層彎曲錯動的剪切所致。

(3)針對錨索的不同破壞形式，建議采取垂直巖面布置錨索、選擇延伸率較大和屈服強度比較低的1×19股錨索、減小錨索長度、增加錨桿錨索預(yù)緊力的方法來解決錨索破斷問題。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

Cause Analysis and Countermeasures of Small Diameter Pre-stress Anchored Cable Breakage in Coalmine

SHI Yao1，2，LIN Jian1,2，WANG Zheng-sheng1,2，YANG Jing-he1,2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.,Beijing 100013，China； 2.Coal Mining & Designing Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

Abstract：In order to solve breakage problem of anchored cable generally occurred in roadway with complex and difficult conditions，applying laboratory experiment and field observation of roof deformation，breakage cause of anchored cable was obtained and countermeasures was put forward. Results showed that there were 2 positions of anchored cable breakage: one was near lockset and the other was at middle part of anchored cable. The first position breakage was resulted from tension-bend-shear combined stress which was caused by large angle of anchored cable and vertical line of rock-face. The second position breakage was resulted from large tension stress which was caused by rock strata strong dislocating. For different breakage，following countermeasure was put forward including arranging anchored cables which were vertical to rock-face，applying 1×19 anchored cable with large ductility and low yield strength ratio，reducing anchored cable length and adding anchored bolt and cable pre-force.

Keywords：anchored cable；breakage；cause analysis；countermeasure

[作者簡介]石垚(1990-)，男，黑龍江綏化人，在讀碩士研究生。

[基金項目]國家自然科學(xué)基金(U1261211)；中國煤炭科工集團科技創(chuàng)新基金項目(2013MS010)；天地科技股份有限公司青年創(chuàng)新基金項目(KJ-2015-TDKC-05)

[收稿日期]2015-05-14

[中圖分類號]TD350.4

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0093-04