杜兒坪礦錨桿托板結(jié)構(gòu)優(yōu)化及推廣應(yīng)用

王俊虎，程 蓬，張 劍，彭永良

(1.西山煤電 (集團)有限責(zé)任公司杜兒坪礦，山西太原030022;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013)

錨桿支護材料包括桿體、托板、錨固劑、組合構(gòu)件、錨索、網(wǎng)等。支護材料在錨桿支護技術(shù)中起到至關(guān)重要的作用，是充分發(fā)揮錨桿支護效果和保證巷道安全的必要前提［1－3］。托板是錨桿支護材料中的關(guān)鍵構(gòu)件，主要表現(xiàn)在2個方面:一是錨桿對巷道圍巖的控制作用由托板作為傳遞介質(zhì)把預(yù)應(yīng)力擴散到錨桿周圍的煤巖體中，實現(xiàn)錨桿主動、及時支護作用;二是巷道圍巖變形或破壞使載荷作用到托板，傳遞到錨桿桿體，桿體變化的載荷又通過托板擴散到圍巖中，進而約束圍巖發(fā)生更大變形或者破壞，保持巷道圍巖的穩(wěn)定［4］。

托板的力學(xué)性能優(yōu)劣直接決定了巷道支護的最終效果，錨桿托板的力學(xué)性能與支護作用與托板的材質(zhì)、形狀、尺寸、加工工藝和受力狀態(tài)等多種因素有關(guān)，對此國內(nèi)外對錨桿托板展開了大量的研究。煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院提出錨桿支護材料的精細(xì)化研究，對錨桿支護的各個構(gòu)件力學(xué)性能展開了詳細(xì)研究，其中對托板的受力狀態(tài)、應(yīng)力分布、變形狀況和支護作用等進行了全面研究，分析了錨桿托板在錨桿安裝預(yù)緊、掘進影響與穩(wěn)定階段的受力特征與變化規(guī)律［5］。文獻 ［6］對金屬托板的研究成果及實踐表明，拱形托板的力學(xué)性能明顯優(yōu)于平托板;拱形托板的拱高、曲率半徑等參數(shù)顯著影響托板的承載能力;托板厚度、底面積大小應(yīng)與錨桿及圍巖條件匹配。另外還有其他學(xué)者針對托板的作用機理、不同錨固條件、不同圍巖以及不同預(yù)應(yīng)力條件下托板的應(yīng)力應(yīng)變特征等方面開展相應(yīng)的研究［6－9］。

本文針對西山煤電集團杜兒坪礦井下巷道支護現(xiàn)狀，采用理論分析、實驗室試驗對比分析了不同錨桿托板的力學(xué)性能優(yōu)劣，首次在西山礦區(qū)開展井下新型錨桿托板及附件工業(yè)性試驗，取得了較好的支護效果，為下一步在西山礦區(qū)全面推廣新型錨桿托板奠定了基礎(chǔ)。

1 工程背景

杜兒坪煤礦生產(chǎn)能力5Mt/a，近些年隨著煤礦開采強度的不斷增大，巷道支護難度不斷加大，礦壓顯現(xiàn)比較明顯，復(fù)雜困難巷道明顯增多。如北五盤區(qū)62512工作面機軌合一巷以及62513工作面回風(fēng)巷，巷道壓力顯現(xiàn)十分明顯。62512工作面機軌合一巷在回采階段巷道明顯變形，頂?shù)装逡平看?，有些地段高度不?.8m，且巷道兩幫明顯位移，兩幫鼓包十分明顯，錨桿存在多處拉斷的現(xiàn)象，巷道多處地段不得不采用加棚補強支護，給工作面正常回采造成了很大的難題。62513工作面回風(fēng)巷在掘進之后頂?shù)装搴蛢蓭桶l(fā)生顯著變形，多處鋼帶被錨桿托板剪穿，造成鋼帶撕裂失效，同時巷道內(nèi)大量錨桿發(fā)生破斷以及螺母擼扣現(xiàn)象，造成支護體失效，巷道在掘進之后短期就需要返修，巷道維護難度很大，對頂板安全管理造成很大的困境。

2 錨桿托板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 礦方現(xiàn)有托板

目前杜兒坪礦使用2種形式的錨桿托板，均為不可調(diào)心的拱形托板。規(guī)格為110mm×110mm×10mm的主要用于幫錨桿配套使用;規(guī)格為150mm×150mm×14mm的主要用于頂錨桿，W鋼帶配套使用，托板實物如圖1所示。

圖1 杜兒坪礦現(xiàn)有錨桿托板規(guī)格

現(xiàn)有托板結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的缺陷主要體現(xiàn)在以下幾個方面:托板結(jié)構(gòu)不合理，托板拱高較低，承載能力弱，受力較大時，容易造成托板外翻，引起支護失效;托板孔口直徑偏小，錨桿與托板易相互“蹩勁”，容易引起錨桿受到剪、扭、彎等綜合應(yīng)力作用而發(fā)生破斷;錨桿托板加工不規(guī)范、不平整、成弧狀，托板四個角與鋼帶呈點接觸，當(dāng)錨桿受力較大時，托板剪斷鋼帶，造成支護失效;托板的孔口沒有倒角，與調(diào)心球墊不匹配，托板與螺母呈線性接觸，不利于錨桿桿體受力的傳遞;現(xiàn)有托板無法起到調(diào)節(jié)錨桿偏心的作用，錨桿安裝后容易受到偏載作用，容易造成錨桿螺紋段彎曲破斷。

2.2 新型錨桿托板

針對以上問題，杜兒坪礦聯(lián)合了有關(guān)部門，推進改進托板優(yōu)化。西山支護器材開發(fā)公司加工生產(chǎn)了新型高強度拱形錨桿托板，規(guī)格為150mm×150mm×10mm，如圖2所示，力學(xué)性能在原有基礎(chǔ)上大幅度增加，更加符合煤礦井下錨桿受力特性。其主要改進有:拱形托板強度大，可吸收一定變形，在錨桿破斷前一般不會出現(xiàn)托板脆性破裂或被壓成反拱型，始終能夠保證錨桿發(fā)揮其效能;托板孔口設(shè)倒角，能夠與調(diào)心球墊相匹配，調(diào)節(jié)錨桿的受力角度，避免或者大大減小錨桿因受到偏載而造成錨桿桿體承受過大的彎曲應(yīng)力造成尾部破斷的現(xiàn)象;托板底部加工平整，與鋼帶成面接觸，預(yù)應(yīng)力傳遞效果好，不會出現(xiàn)剪切鋼帶支護失效的現(xiàn)象。

圖2 150mm×150mm×10mm新型錨桿托板及配件

3 錨桿托板力學(xué)性能試驗分析

為了比較上述不同結(jié)構(gòu)托板的力學(xué)性能，對西山現(xiàn)有托板和新型錨桿托板進行了托板承載力實驗室試驗以及錨桿預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化效率井下試驗。

3.1 托板承載力

圖3是在試驗室分別選取目前西山礦區(qū)普遍使用的圖1(b)所示的規(guī)格為150mm×150mm×14mm錨桿托板與圖2所示的規(guī)格為150mm×150mm×10mm新型加工的錨桿托板的承載力性能試驗結(jié)果，通過圖3(a)和圖3(b)對比可見，西山規(guī)格150mm×150mm×14mm，實驗室檢測其承載力約為214kN;而采用圖2規(guī)格為150mm×150mm×10mm型錨桿托板實驗室檢測其承載力約412kN。試驗表明，西山礦區(qū)現(xiàn)有錨桿托板盡管厚度達(dá)到14mm，但承載力卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10mm厚度的新型錨桿托板的承載能力。因此，通過錨桿托板機構(gòu)優(yōu)化，一方面可以提高托板力學(xué)性能，另一方面還能降低材料消耗成本，達(dá)到降本增效的效果。

3.2 錨桿預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化效率

圖3 不同結(jié)構(gòu)的錨桿托板承載力對比

在新型托板井下應(yīng)用之前，進行了不同托板條件下的井下錨桿預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化效率對比試驗。測試條件為:錨桿規(guī)格φ20－M22－2000mm，錨固長度1480mm，托板采用礦方原有托板規(guī)格為150mm×150mm×14mm，不使用球形墊圈和減摩墊片;新型托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm，配合采用球形墊片和1010尼龍墊片，試驗結(jié)果如圖4所示。試驗結(jié)果表明，采用新型錨桿托板，配合采用球形墊片和1010尼龍墊片能夠在原有托板的基礎(chǔ)上顯著提高錨桿預(yù)緊力矩的轉(zhuǎn)化效率，在相同錨桿預(yù)緊力矩條件下，采用新型錨桿托板錨桿軸向預(yù)緊力能夠平均提高69.2%，能夠顯著提高錨桿支護系統(tǒng)主動支護效果，提高圍巖穩(wěn)定性。

圖4 不同托板錨桿預(yù)緊力矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化關(guān)系曲線

4 工程應(yīng)用

為驗證新型錨桿托板井下的適用性，在杜兒坪礦進行了新型錨桿托板的井下工業(yè)性試驗。試驗巷道為南九采區(qū)3號煤膠帶巷，屬于采區(qū)永久大巷，巷道位于上部2號煤層工作面停采線下部的煤柱內(nèi)，在煤柱集中應(yīng)力的作用下，巷道兩幫破碎，支護難度較大。但是，隨著新型托板在該巷道的試驗推廣，體現(xiàn)了新型錨桿托板力學(xué)性能的優(yōu)越性，巷道支護最終效果如圖5所示，取得了較好的支護效果，支護構(gòu)件破壞情況得到明顯改善，節(jié)約了大量的支護材料費用。為了進一步擴大試驗巷道條數(shù)及新型托板的推廣應(yīng)用范圍，后續(xù)在62711回風(fēng)巷、73903軌道巷、72910瓦斯預(yù)抽巷、南九采區(qū)3號煤膠帶巷、62516回風(fēng)巷、73904膠帶巷等多個掘進工作面陸續(xù)開展了新托板的井下推廣和應(yīng)用。

圖5 巷道支護最終效果

5 結(jié)論

(1)對西山煤電集團杜兒坪礦現(xiàn)有錨桿托板分析表明，錨桿托板存在結(jié)構(gòu)不合理、承載力不足、加工工藝差等缺陷，嚴(yán)重影響錨桿支護的最終效果。

(2)通過對現(xiàn)有托板及附件的合理優(yōu)化，在托板的厚度從14mm降為10mm的情況下托板的承載力提高了92.5%，錨桿預(yù)緊力在相同預(yù)緊力矩情況下提高了70%左右。

(3)井下試驗表明，新型錨桿托板在井下應(yīng)用效果良好，特別對于復(fù)雜困難巷道，支護構(gòu)件破壞情況明顯改善，體現(xiàn)出良好的適用性，值得下一步大面積的推廣應(yīng)用。

［1］康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術(shù) ［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

［2］康紅普，吳擁政，李建波.錨桿支護組合構(gòu)件的力學(xué)性能與支護效果分析［J］.煤炭學(xué)報，2010，35(7):1057－1065.

［3］康紅普，王金華，林 健.煤礦巷道錨桿支護應(yīng)用實例分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(4):649－664.

［4］康紅普，吳建星.錨桿托板的力學(xué)性能與支護效果分析［J］.煤炭學(xué)報，2012，37(1):8－16.

［5］吳建星.錨桿托板的合理結(jié)構(gòu)與支護效果研究［D］.煤炭科學(xué)研究總院，2009.

［6］林 健，康紅普.螺紋鋼樹脂錨桿的研究現(xiàn)狀與趨勢 ［J］.煤礦開采，2009，14(4):1－4.

［7］馬永忠，崔小朝，陶海瑞，等.復(fù)合材料錨桿托板的有限元分析與實驗研究［J］.太原科技大學(xué)學(xué)報，2007，28(4):327－330.

［8］姜鐵明.煤巷錨桿支護構(gòu)件的作用機制及其在晉城礦區(qū)的應(yīng)用研究［D］.北京:中國礦業(yè)大學(xué) (北京)，2008.

［9］王建智，何唐鏞，楊更社.托板對全長錨固錨桿內(nèi)力的影響［J］.西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，1989(3):7－12，18.