煤矿小孔径预应力锚索破断原因分析及对策

石　垚，林　健，王正胜，杨景贺

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部,北京100013;2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院,北京100013)



煤矿小孔径预应力锚索破断原因分析及对策

石垚1,2，林健1,2，王正胜1,2，杨景贺1,2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部,北京100013;2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院,北京100013)

[摘要]针对复杂困难条件下煤矿巷道支护锚索普遍存在的破断问题，通过实验室试验和现场巷道顶板煤岩层变形规律验证了锚索破断的原因，并提出了针对性解决措施。研究结果表明，井下锚索破断主要有2种形式：锚索锁具附近破断和锚索中部破断。锚索锁具附近破断的原因主要是锚索工作过程中与巷道岩面垂线夹角过大造成锚索受到拉-弯-剪复合应力作用所致；锚索中部破断主要是由于顶板岩层强烈错动导致锚索在受到较大拉应力情况下受岩层弯曲错动剪切所致。针对锚索的不同破坏形式，建议采取垂直岩面布置锚索、选择延伸率较大和屈服强度比较低的1×19股锚索、减小锚索长度、增加锚杆锚索预紧力的方法来解决锚索破断问题。

[关键词]锚索；破断；原因分析；对策

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

[引用格式]石垚，林健，王正胜，等.煤矿小孔径预应力锚索破断原因分析及对策[J].煤矿开采，2015，20(5)：93-96.

锚杆锚索支护技术作为煤矿巷道支护的一种主要形式，在国内外煤矿巷道支护中得到广泛应用。随着我国煤矿开采深度的增加、开采区域的不断扩展、地质条件的不断复杂化，锚索的使用数量呈逐年剧增趋势，甚至有些巷道采用全锚索支护形式[1-3]。尽管锚索在复杂困难巷道(如高应力巷道、软岩巷道、沿空留巷、小煤柱护巷、受多次动压影响巷道等)支护中发挥了重要作用，甚至在某种程度上成为困难巷道不可或缺的支护方式，但在困难巷道锚索的使用过程中均出现了不同程度的锚索破断问题，造成巷道围岩的急剧变形和破坏，严重的还造成人身伤亡事故。

国内一些学者和工程技术人员对锚索破断问题进行了一些研究和探讨。张占春等[4]分析了综放煤巷顶板锚索破断机理，提出适当增大锚索强度、支护密度、施加适当的预紧力及开发延伸率较大的新型高强度锚索来解决锚索破断问题；王强[5]指出顶板淋水、渗水对锚杆锚索支护效果造成了较大的影响，寻找合理的锚索防锈技术，可有效解决锚索破断问题。何炳银[6]指出锚索破断的原因主要为锚索的制造质量存在缺陷、锚索的工作方式不当、顶板离层或断裂使锚索产生剪切破坏，提出通过提高锚索的制造质量、增加锚索的让压性、适当延迟张紧锚索、适当释放顶岩层内的弹性变形来解决锚索破断问题。马运香[7]分析了深部巷道锚索破断的原因，指出锚索破断的位置主要在锚索孔口处和顶板离层处，提出通过施工垂直岩面的锚索和增大锚索直径来解决锚索破断问题。公佩暖等[8]指出锚索破断主要是钢绞线各股钢筋受力不均造成各个击破，提出通过在锚索钢托板与大托板或钢托梁之间加木垫板、滞后安装锚索、合理布置锚索位置来解决锚索破断问题。高习海[9]指出复合顶板巷道支护中出现断锚索现象的主要原因是锚杆支护作用没有得到发挥，巷道顶板载荷由锚索承担，在冲击压力作用下锚索断裂，提出通过合理设计支护参数来解决锚索破断问题。贾进亚等[10]提出在断层附近通过增加锚杆锚索直径和长度，提高其预紧力，增加支护强度来解决锚杆锚索破断问题。

本文针对煤矿现场锚索破断的2种主要形式，通过实验室试验和现场巷道顶板煤岩层变形规律验证锚索破断的原因，并提出针对性的解决措施。

1现场锚索破断情况调查

通过对山西潞安、晋城等矿区现场大量调查发现，巷道锚杆(索)支护中锚索破断主要有2种形式：锁具附近锚索破断和锚索中部破断。典型破断形态如图1所示。

图1　锚索破断基本形态

锚索锁具附近的索体破断断口比较有规律，索体整体断裂面一般呈35～50°斜口，各股钢丝断裂斜口方向一致，一般呈脆性断裂，颈缩现象不明显，断口距索具内端面0～20mm；锚索中部各股钢丝破断长短不一，一般呈劈裂状，无明显颈缩现象，破断位置深浅不一，浅部破断锚索可弹射落地，深部破断锚索仅表现为回弹，锚索托板脱离岩面。

2实验室试验

为验证锚索破断原因，在实验室进行了锚索的偏斜拉伸试验和常规拉伸试验。

2.1　锚索偏斜拉伸试验

煤矿井下锚索受斜拉破坏主要是由于锚索在安装时巷道表面不平、设计中存在倾斜布置的锚索或围岩变形造成围岩表面弯曲鼓出，造成锚索承载期间在锁具附近受斜拉破断，这种工况明显不同于桥梁和其他行业斜拉索和其他一般用途钢绞线。因此，根据煤矿支护现场实际，采用自行设计研发的矿用锚索偏斜拉伸试验台进行锚索偏斜拉伸试验，实验装置见图2。试验分别对目前较为常用的1×19股公称直径21.8mm，1×7股公称直径15.2mm和1×7股公称直径17.8mm的3种锚索进行了不同角度的偏斜拉伸试验。试验数据如表1所示。其中偏斜拉伸系数为锚索在试验机上常规拉伸载荷平均值与偏斜拉伸平均载荷的差值与常规拉伸载荷平均值的百分比。

图2　矿用锚索偏斜拉伸试验台

从表1中可以看出，偏斜拉伸时随着偏斜角度的不断增大，锚索的破断载荷呈逐渐降低趋势。当偏斜角度大于15°时，1×7股钢绞线锚索的破断载荷急剧下降，出现明显的拐点；在偏斜角度大于20°时，1×19股钢绞线出现明显的拐点，但破断载荷与1×7股钢绞线相比下降幅度不太明显。3种锚索偏斜拉伸系数如图3所示。因此，煤矿锚索在使用过程中1×7股钢绞线应尽量保证角度不大于15°，1×19股锚索应尽量保证角度不大于20°。

图3　3种锚索偏斜拉伸系数曲线

偏斜拉伸锚索破断断口形状见图4。该试验断口形状和煤矿井下锁具附近锚索破断形态完全一致，充分验证了煤矿井下锚索此种破断形式完全是由锚索工作过程中和岩面角度过大造成的拉-弯-剪复合破坏形式。

表1　三种规格钢绞线偏斜拉伸试验结果

图4　锚索偏斜拉伸破断图片

2.2　锚索常规拉伸试验

锚索常规拉伸试验的目的主要是和煤矿井下锚索破断的端口进行比较，分析锚索在围岩深部破断的原因。常规拉伸试验采用JAW-1500kN型电液伺服万能试验机配合锚索索体专用夹具进行。常规锚索拉伸试验锚索破断断口形式如图5所示。

图5　锚索常规拉伸破坏断口形态

从图5可以看出，锚索常规拉伸试验破断的锚索断口一般各股钢丝破断比较整齐，各股钢丝端口均有明显的颈缩现象。这一现象和煤矿井下锚索破断断口(图1(b)所示)有明显的区别，说明煤矿井下锚索中部破断的原因不单纯是拉伸破坏所致。

3煤矿井下锚索变形形态

为进一步了解煤矿井下锚索中部破断的原因，需要分析锚索在实际工作中的变形和受力规律，但是由于锚索长度一般较长和组成锚索的钢绞线是相对柔性的材料，即便从煤矿井下取出完整的锚索也不能很好地再现工作状态中锚索的变形和受力特征，所以在典型的大变形巷道中选择与锚索具有相似工作条件的顶板锚杆进行取样，来反应锚索的变形和受力特征。图6为晋城长平煤矿41072巷在大变形扩巷时取得的顶板锚杆形态，锚杆的排列顺序和煤矿井下巷道支护顺序一致。从图中可以看出[11]，顶角锚杆在直接顶和煤层分界面附近出现明显剪切弯曲变形；中部锚杆在直接顶和煤层分界面附近出现轻微剪切弯曲变形，整体弯曲变形不明显；顶角靠里第2根锚杆在直接顶和煤层分界面附近出现明显剪切弯曲变形，其夹矸面下部杆体产生连续弯曲变形。层理面上下岩层的横向错动使锚杆杆体在层理面附近产生明显剪切弯曲变形，并使锚杆受到集中剪切载荷作用；岩层弯曲失稳致使岩层沿杆体长度横向位移连续变化，使杆体在较大范围产生连续的弯曲变形，但不会使杆体受到剪切作用。

图6　煤矿井下大变形巷道顶板锚杆变形形态

从以上分析可以得出，锚索中部破断的原因主要是由于巷道顶板各岩层错动导致锚索在受较大拉应力的条件下，同时受到岩层错动的剪切作用所致，由于岩层的刚度较小，不会出现钢对钢的脆性剪切，而是软弱的煤岩体对刚度较大的钢绞线的软剪切，表现形式为锚索破断后附近断口呈现弯曲和劈裂现象。由于锚索剪切试验台制作困难，体型较大，故本次未进行实验室锚索软剪切试验。

4锚索破断的应对措施

针对锚索破断的具体情况，建议采取以下方法避免锚索破断：

(1)巷道锚索支护设计时，尽量使锚索垂直岩面布置。由于岩层倾角较大或其他原因不能垂直岩面布置锚索时，1×7股钢绞线应尽量保证角度不大于15°，1×19股锚索应尽量保证角度不大于20°。

(2)尽量采用延伸率较大和屈服强度比较低的1×19股锚索。

()加大锚杆、锚索预紧力，增加顶板岩层界面的正应力和摩擦力，尽量减轻顶板岩层错动程度，防止锚索在岩层面受到强烈剪切而发生破断。

5结论

(1)煤矿井下锚索破断是目前困难巷道普遍存在的一种现象，导致巷道变形较大甚至出现冒顶事故，严重的还可能造成人身伤亡事故。研究锚索破断原因及防止对策具有普遍的现实意义和紧迫性。

(2)现场调查和研究表明，井下锚索破断主要有2种形式：锚索锁具附近破断和锚索中部破断。锚索锁具附近破断的原因主要是锚索工作过程中与巷道岩面垂线夹角过大造成锚索受到拉-弯-剪复合应力作用所致；锚索中部破断主要是由于顶板岩层强烈错动导致锚索在受到较大拉应力情况下受岩层弯曲错动的剪切所致。

(3)针对锚索的不同破坏形式，建议采取垂直岩面布置锚索、选择延伸率较大和屈服强度比较低的1×19股锚索、减小锚索长度、增加锚杆锚索预紧力的方法来解决锚索破断问题。

[参考文献]

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[3]赵岩峰，刘福军.极松散煤层全煤巷道顶板全锚索支护技术的应用[J].煤炭科学技术，2002，30(11)：33-36.

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[责任编辑：王兴库]

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

[作者简介]石垚(1990-)，男，黑龙江绥化人，在读硕士研究生。

[基金项目]国家自然科学基金(U1261211)；中国煤炭科工集团科技创新基金项目(2013MS010)；天地科技股份有限公司青年创新基金项目(KJ-2015-TDKC-05)

[收稿日期]2015-05-14

[中图分类号]TD350.4

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)05-0093-04