自鎖讓壓式錨桿在應(yīng)力集中區(qū)巷道支護(hù)中的應(yīng)用

霍旭亮

(霍州煤電集團(tuán)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(tuán)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(shí)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(fēng)，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1700m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=4.5×3.0m。巷道掘進(jìn)煤層為9#煤層，平均厚度為3.0m，平均傾角3°。9#煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)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(wú)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(xì)砂巖為主，平均厚度為8.9m。2022巷采用機(jī)械化掘進(jìn)施工工藝，截至目前巷道已掘進(jìn)457m。

地測(cè)資料顯示，2022巷掘進(jìn)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(zhǎng)度為27m，長(zhǎng)軸長(zhǎng)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(jìn)期間受?chē)鷰r應(yīng)力及斷層群影響，巷道在440～570m范圍內(nèi)形成應(yīng)力破壞區(qū)。巷道掘進(jìn)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(hù)后變形嚴(yán)重，錨桿在破碎頂板巖體內(nèi)錨固效果差，錨桿失效率高達(dá)24%，支護(hù)效果差。

2 支護(hù)設(shè)計(jì)及問(wèn)題分析

2.1 原巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)

（1）2022巷原頂板采用錨桿、錨索以及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。頂板錨桿長(zhǎng)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(yù)緊力為200N·m，錨固力為98kN，錨桿屈服強(qiáng)度為330MPa，破斷力為370kN。

（2）頂板錨索長(zhǎng)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(yù)緊力為210kN，錨固力為320kN。

2.2 問(wèn)題分析

（1）錨桿支護(hù)長(zhǎng)度不足。由于施工巷道沿9#煤層頂板平行掘進(jìn)，巷道直接頂主要以泥巖混合巖層為主，厚度為2.47m，原支護(hù)設(shè)計(jì)中錨桿長(zhǎng)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(dǎo)致錨桿錨固端位于破碎巖體，無(wú)法對(duì)松動(dòng)圈進(jìn)行加固支護(hù)。

（2）錨桿錨固效果差。原支護(hù)設(shè)計(jì)中錨桿與圍巖之間主要采用錨固劑進(jìn)行連接，錨桿的支護(hù)效果主要取決于錨固效果，錨固劑可將錨桿與圍巖粘結(jié)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(jié)構(gòu)，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(yán)重。由于傳統(tǒng)錨桿錨固后通過(guò)螺母將托板、鋼帶等連接機(jī)構(gòu)進(jìn)行預(yù)緊，連接機(jī)構(gòu)鋼性大，直接與頂板接觸連接，當(dāng)頂板發(fā)生塑性變形時(shí)連接結(jié)構(gòu)不具有讓壓作用，導(dǎo)致連接機(jī)構(gòu)變形嚴(yán)重。同時(shí)錨桿在受力過(guò)大或受力不均時(shí)錨桿桿體與螺母之間容易出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，隨著錨桿桿體和螺母產(chǎn)生松動(dòng)，錨桿受剪切應(yīng)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(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

3 自鎖讓壓式錨桿應(yīng)用分析

3.1 自鎖讓壓式錨桿結(jié)構(gòu)及施工

為了提高應(yīng)力集中區(qū)頂板錨桿支護(hù)效果及讓壓效果，降低支護(hù)成本費(fèi)用，保證應(yīng)力集中區(qū)頂板穩(wěn)定性，決定對(duì)應(yīng)力集中區(qū)頂板采用自鎖式錨桿進(jìn)行支護(hù)。

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

（3）自鎖機(jī)構(gòu)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(jì)安裝5個(gè)自鎖機(jī)構(gòu)，安裝間距為0.5m。

（4）讓壓機(jī)構(gòu)主要由錨桿托盤(pán)、讓壓彈簧等部分組成，錨桿托盤(pán)為鏤空半球形結(jié)構(gòu)，托盤(pán)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(yīng)將自鎖機(jī)構(gòu)安裝在錨桿桿體，然后采用MT-130型錨索鉆機(jī)在頂板施工支護(hù)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(gè)鉆孔，孔間距為1.0m。

（6）鉆孔施工完后對(duì)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(zhǎng)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(jī)構(gòu)，并采用螺母預(yù)緊，預(yù)緊力不得低于200N·m。

（8）在安裝錨桿時(shí)自鎖機(jī)構(gòu)處于閉合狀態(tài)，當(dāng)頂板來(lái)壓錨桿受張拉力時(shí)，自鎖機(jī)構(gòu)中自鎖片可與煤幫卡嚴(yán)，當(dāng)頂板出現(xiàn)下沉、離層時(shí)，通過(guò)讓壓機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)錨桿與變形巖體耦合讓壓作用，防止錨桿變形、支護(hù)失效現(xiàn)象。

圖1 自鎖讓壓式錨桿結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 實(shí)際應(yīng)用效果

2022巷掘進(jìn)至460m處對(duì)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(guò)集中應(yīng)力破壞區(qū)。巷道在應(yīng)力集中區(qū)掘進(jìn)10d內(nèi)，頂板塑性變形相對(duì)嚴(yán)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(guò)對(duì)應(yīng)力集中區(qū)頂板自鎖讓壓式錨桿應(yīng)用效果觀(guān)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(wú)法實(shí)現(xiàn)讓壓耦合支護(hù)等技術(shù)難題，在應(yīng)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(hù)成本費(fèi)用達(dá)45萬(wàn)元。

4 結(jié)論

（1）與傳統(tǒng)注漿、架設(shè)工字鋼棚等加強(qiáng)支護(hù)相比，施工自鎖讓壓式錨桿施工工藝簡(jiǎn)單，成本費(fèi)用低，勞動(dòng)強(qiáng)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(qiáng)度保持不變的情況下，增加了錨桿長(zhǎng)度，從而保證了錨固段位于堅(jiān)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(guò)安裝自鎖機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了錨桿與圍巖全長(zhǎng)應(yīng)力傳遞作用，提高了錨桿抗拉強(qiáng)度，增加了錨桿承壓作用，避免了因錨固失效導(dǎo)致錨桿整體支護(hù)作用失效現(xiàn)象。

（4）在頂板應(yīng)力作用下，當(dāng)頂板出現(xiàn)下沉、離層時(shí)，自鎖讓壓式錨桿中讓壓機(jī)構(gòu)處于受壓狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了錨桿與變形圍巖讓壓耦合支護(hù)作用，降低了錨桿剪切破壞作用，提高了錨桿支護(hù)效果。