锚网支护巷道锚索断裂原因分析及对策

摘 要：锚杆（索）支护作为一种经济有效的采准巷道支护方式，在煤矿巷道中已得到广泛应用，但由于煤矿井下地质条件的复杂性和多变性，断锚、断索现象时有发生，对安全生产及人员生命构成威胁。本文以井工二矿21113工作面主运巷为例，通过分析施工巷道断锚、断索原因，提出了有针对性的控制对策，确保了巷道围岩得到稳定控制。

关键词：锚索断裂；锚网支护；原因分析

1 工程概况

平朔井工二矿21113主运巷沿11煤底板布置，11煤属石炭系太原组煤，煤厚平均3.7m，倾角平均2.5°，属近水平煤层。巷道设计为矩形断面，规格5.0×3.5（宽×高）=17.5m2，布置于9煤层采空区下。巷道直接顶为厚度1.5m的砂质泥岩，直接顶上方有一层0.6～0.9m厚的10煤；巷道底板以细砂岩为主，平均厚7.49m。

巷道原支护采用锚索网联合支护形式，锚索为Φ17.8mm×5500mm的钢绞线（1×7股），垂直顶板布置，间排距1800mm×2000mm，每排3根；锚杆为Φ22mm×2400mm的左旋螺纹钢，垂直顶板，间排距900mm×1000mm，每排6根；网片为钢筋焊接方格网，规格3000mm×1300mm；配合4800mm×80mm×10mm的钢筋钢带护顶。

2 顶锚索断裂情况及原因分析

2.1 顶锚索断裂情况

21113主运巷与正在回采的相邻21109工作面主运巷之间留有15m宽护巷煤柱，锚索断裂发生在相邻工作面回采期间，破断区域位于21113主运巷410～510m，断裂形式为角锚索剪断，4股钢绞线断口与横截面约成45°夹角，断口比较光滑，3股钢绞线断口与横截面水平，断口凹凸不平；锚索断裂位置为尾端1～1.5m处破断。

2.2 锚索破断原因分析

1）顶板层间距：近水平煤层按照太沙基理论计算巷道开挖后形成的冒落拱高度H=0.25～0.55（B+Hi）=4.67m，即巷道顶板上方4.67m范围内顶板不及时支护，可能发生冒落；巷道布置在9煤采空区下，410-510m区间顶板层间距4.3～5.1m，平均4.6m，层间距薄、承载能力差，巷道冒落后极易沟通上覆9煤采空区。

2）围岩物理力学性质：410-510m区间直接顶为厚度1.5m的砂质泥岩，强度低、遇水极易膨胀，且直接顶上方1m有一层0.6～0.9m厚的10煤薄煤层；受两层厚度不大的软弱岩层影响，顶板岩层整体弹性模量低，在地应力作用下，岩层内极易积聚弹性能量，随时间增长，储存能增大，而巷道底板为硬度较大的细砂岩，难以发生底鼓释放能量，在相邻面采动压力作用下，极易释放变形能导致顶板岩层离层和破坏，顶板压力会越来越大，直至锚索破坏。

3）锚杆支护作用：顶锚杆垂直顶板布置，由于巷道冒落拱高度4.67m，加上顶板岩层存在两层软弱夹层，使得顶锚杆锚固力差，支护体系中组合梁作用不明显（顶锚杆仅发挥浅表层的销钉悬吊作用），因此，整个支护体系主要发挥了锚索的悬吊作用，锚索承受大部分顶板岩层压力。

4）使用环境方面：410～510m区间由于巷道标高较低为积水区，静态顶板积水的存在，一方面使得巷道顶板强度降低、自身稳定性变差；另一方面顶锚索长时间受上覆9煤采空区积水侵泡，导致锚索生锈、钢绞线强度降低，或与树脂药卷接触使药卷失效，使得锚索达不到设计承载力，影响支护质量；另外，10、11煤层硫分较高，硫及硫化物侵入锚索细微裂痕后将使得锚索强度降低，支护能力下降。

5）顶板活动及压力影响：巷道顶板下沉时，会在其层面内发生移动和变形，如锚杆间距的缩短、顶板钢带的弯曲、顶板岩层的台阶下沉与错动等现象。21113主运巷受采动压力影响，锚索锚固力难以控制顶板下沉时，顶板岩层内将发生离层或断裂，在动压作用下，顶板岩层将发生弯曲转动、层间错动等活动，产生剪切作用。此时，锚索将受弹塑性变形能释放压力及顶板岩层剪切作用的双重影响，锚索断裂不仅由顶板压力所致，还有相当一部分是被顶板活动时引起的剪切作用所致。

3 防范措施的提出

1）锚索支护设计时，近水平煤层中掘进巷道应尽量使锚索垂直顶板布置，当煤层倾角变大时或满足掘进变坡施工需要导致不能垂直顶板布置锚索时，应尽量保证施工角度在15°以内。

2）加大锚索预紧力，增加顶板岩层界面的挤压力和摩擦力，充分发挥锚杆支护的组合梁作用，提高岩体自身承载力，降低顶板岩层之间的错动程度，防止强烈剪切力作用于锚索使其断裂。

3）增加锚索托盘泄压装置，充分让压。在受动压影响剧烈的区域，进行锚索补强支护时，增设泄压装置，即在锚索托盘和顶板间增设缓冲层，采动压力达到缓冲层时衰减，避免强烈动压直接作用于锚索。对于受采动压力影响较小区域巷道锚索补强支护时，在锚索托盘和顶板之间安设50mm厚的木板形成泄压缓冲垫层。

4）加强顶板离层管理，对于锚网支护巷道出现的顶板破碎、压力大的地点，及时进行架设工字钢棚辅助加强支护。对巷道高冒区两端、中部及巷道扩宽处均采用锚索配合W钢带加强支护。

4 结论

1）锚网支护巷道锚索破断容易导致巷道变形甚至出现冒顶事故，研究锚索破断原因及防止对策具有重要的现实意义。

2）锚索断裂不仅由顶板压力所致，还有相当一部分是被顶板活动时引起的剪切作用所致。锚网支护巷道施工时应尽量提高锚杆（索）的预紧力，近水平煤层巷道按设计要求尽量垂直顶板布置，充分发挥锚杆的组合梁作用，不能依靠锚索的悬吊作用，应充分发挥支护体系的整体效应。

3）井下地质条件复杂多变，发现锚杆、锚索支护断裂后，及时分析破断原因，制定针对性的防范措施，消除锚网支护巷道顶板隐患，保证矿井安全生产。

参考文献：

[1] 马念杰，侯朝炯.采准巷道矿压理论及应用[M].北京：煤炭工业出版社，1995.

[2] 陈炎光，陆士良.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，1994.

[3] 康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

作者简介：

张立海（1964-），男，河北故城人，高级工程师，硕士，毕业于河北煤炭建筑工程学院采矿工程专业，从事生产技术管理工作。