可调心拱形托片在大断面巷道掘进过程中的应用

白 宙

(山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 吕梁 033600)

·试验研究·

可调心拱形托片在大断面巷道掘进过程中的应用

白 宙

(山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 吕梁 033600)

对斜沟煤矿18209大断面掘进巷道开展地质力学测试，并分析了地应力分布规律。应用新型支护材料，并通过新旧支护方案的对比，得出新型支护方案解决了锚杆、锚索各构件合理配套问题，从而为斜沟煤矿掘进巷道提供科学合理的支护方案，显著提高了巷道围岩支护强度，减少了掘进时期及后期维护材料消耗，对斜沟煤矿节支降耗具有重要意义。

大断面巷道；可调心拱形托片；调心球垫；减震垫片；支护强度；节支降耗

斜沟煤矿位于山西省兴县以北50 km处的魏家滩镇，井田走向近南北，倾向西。作为山西西山晋兴能源有限责任公司的1 500万吨级特大型现代化矿井，随着采区及工作面数量的增加，要求掘送的巷道数量和长度都明显增加，虽然该矿经过多年的努力探索，支护设计基本能够满足现有安全生产需要，但部分巷道在掘进及回采时矿压显现强烈，围岩变形加大，部分巷道出现锚杆(索)断裂、钢带被切段等现象，加大了巷道支护难度。通过在斜沟煤矿应用可调心拱形托片等新型材料，解决了锚杆(索)合理配套问题，改善了支护受力状态，提高了巷道围岩支护强度，减少了掘进及后期维护材料消耗。

1 应用巷道基本条件

18209材料巷位于斜沟煤矿12采区，巷道掘进断面宽5 200 mm×高3 800 mm，全长3 016 m，埋深473 m，直接顶为平均厚度3.97 m的泥岩，基本顶为平均厚度13.78 m的粗粒砂岩，巷道沿8#煤层顶板掘进，平均煤厚5.66 m，平均倾角为10.6°.

2 地质力学测试及分析

地质力学测试孔布置在12采区8#煤层中，测点钻孔深度19.1 m. 经窥视仪观察，巷道顶板为7.3 m泥岩，完整性好，节理裂隙发育程度低。经地应力测试，得出所测区域最大水平主应力为11.54 MPa.根据地应力场与巷道布置理论，最佳布置为巷道轴向与最大水平主应力方向垂直，而18209材料巷沿正北向南方向布置，最大水平主应力方向为北偏西35.4°，最大水平主应力对巷道变形影响较大，影响最大位置见图1.

图1 与最大主应力呈一定角度时巷道的破坏状况图

由图1可知，18209材料巷类型属于B类，巷道下帮的顶、底及帮部受到的影响最大，且巷道表面风化后，巷道的变形量会持续增大。因此，必须加强巷道围岩的控制，而围岩的强度、应力和支护参数是决定巷道稳定的主要因素，所以应从以下3方面来提升支护强度：

1) 顶部使用高强度锚杆可提供较大的支护阻力，通过提高锚杆(索)预紧力，减小巷道深部围岩强度弱化速度，减小围岩塑性区及破碎区的范围，从而减少围岩变形量。

2) 通过对两帮及底角加强支护，可有效阻止破碎区围岩的碎胀变形，从而使两帮有效支撑顶板，防止顶板下沉。

3) 该矿锚杆、锚索、钢带混合使用，且布置在同一排，由于锚杆承载能力远低于锚索，因此整体支护作用不协调，仅锚索承载，锚杆失效，且锚索为与钢带配套，选用小托片置于钢带槽内，当施加预紧力时，构件面积小，预紧力不能有效扩散，容易将钢带剪断，所以锚杆、锚索应错排布置。

3 新旧支护方案对比

3.1 新型支护材料实验

1) 锚杆托板。原锚杆托板与新型锚杆托板对比

图见图2，对两种锚杆托板进行承载力检测对比得到曲线图，见图3.

图2 锚杆托板对比图

从实验结果可以看出，原托板承载力约为215 kN，

图3 不同结构锚杆托板承载力检测对比曲线图

新型可调心托板承载力约为412 kN. 采用新型锚杆托板一方面可提高托板力学性能，另一方面还能降低材料成本。

2) 调心球垫及减摩垫片。调心球垫能够和锚杆托板组成可调心结构，在锚杆承受偏心载荷作用时，调节杆体受力方向与受力状态。经过可调心拱形托板配尼龙垫片的预紧力矩转化试验得出曲线图，见图4.

图4 不同减摩措施下预紧力矩转换效率曲线图

通过试验可以看出，扭矩为180 N·m时，采用尼龙垫片和高强度平垫，锚杆获得预紧力分别为37.5 kN和40 kN，而无减摩措施下仅为30.1 kN，采用减摩垫片后明显提高了锚杆扭矩同轴向力的转化效率。

3) 锚索托片。新型的锚索托片为300 mm×300 mm×14 mm的可调心拱形托片配调心球垫。通过试验，托片加载位移曲线见图5. 不同张拉载荷下锚索预紧力变化曲线见图6.

图5 锚索托片加载位移曲线图

图6 不同张拉载荷下锚索预紧力变化曲线图

由图5可以看出，新型托片的承载力可达 700 kN以上，达到最大载荷时拱部收缩量高达24.1 mm，采用新型托片可以对锚索的承载起到缓冲作用，同时节省材料。

而该矿要求锚索预紧力为120 kN，当油泵油表显示为120 kN时，锚索获得实际载荷仅为72.58 kN，损失达39.52%，因此在实际操作过程中，应采用“超张拉”来弥补预紧力损失，保证锚索充分发挥支护作用。

3.2 支护方案对比

1) 原支护方案。

a) 顶锚杆采用d22 mm×2 600 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距800 mm×1 000 mm，托板采用150 mm×150 mm×14 mm钢托板，帮锚杆均采用d22 mm×2 100 mm全螺纹玻璃纤维锚杆，间排距1 000 mm×1 000 mm，所有锚杆采用一支MSCK2380和一支MSZ2380树脂锚固剂，顶锚杆预紧力矩180 N·m，帮锚杆预紧力矩70 N·m.

b) 顶锚索采用d21.6 mm×5 500 mm钢绞线配150 mm×150 mm×20 mm钢托板及配套锁具，采用“二一二一”间隔布置，间排距3 200 mm×1 000 mm，所有锚索均采用一支MSCK2380和两支MSZ2380树脂锚固剂，锚索预紧力120 kN.

c) 钢带采用规格为宽250 mm×厚3 mm的“W”型钢带，长度为5 000 mm.

d) 顶部金属网采用10#铁丝编制的规格为6 200 mm×1 100 mm的菱形金属网，网孔规格50 mm×50 mm，帮部不设计金属网。

2) 新型材料支护方案。

a) 顶锚杆采用d22 mm×2 600 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距900 mm×1 000 mm，采用高强锚杆螺母M24×3配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，托板采用150 mm×150 mm×10 mm可调心拱型托板，所有顶锚杆采用一支MSCK2380和一支MSZ2380树脂锚固剂，预紧力矩300 N·m.

b) 煤柱侧帮锚杆采用d22 mm×2 200 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距1 000 mm×1 000 mm，预紧力矩为180 N·m；工作面侧帮锚杆采用d20 mm×2 100 mm全螺纹玻璃纤维锚杆，间排距1 000 mm×1 000 mm，预紧力矩为70 N·m，所有帮锚杆均采用一支MSZ2380树脂锚固剂。

c) 顶锚索采用d21.6 mm×5 500 mm钢绞线配300 mm×300 mm×14 mm型可调心拱形托片及配套锁具，采用两根矩形布置，间排距1 800 mm×2 000 mm，所有顶锚索均采用一支MSCK2380和两支MSZ2380树脂锚固剂锚固，锚索预紧力为200 kN.

d) 钢带采用规格为宽250 mm×厚3 mm的“W”型钢带，长度为4 700 mm.

e) 顶、帮金属网采用10#铁丝编制网孔规格50 mm×50 mm的菱形金属网，顶网规格为6 200 mm×1 100 mm，帮网规格为3 000 mm×1 100 mm.原支护方案与新型材料支护方案对比图见图7.

图7 支护方案对比图

3) 经济技术指标比较。

材料巷支护材料成本对比情况见表1.

表1 材料巷支护材料成本对比表

根据计算结果，18209材料巷原支护方案所用材料直接成本大约2 373.1元/m，采用新方案所用材料直接成本大约2 106.7元/m，可以看出材料巷新支护方案的每米成本价格要比原支护方案节约266.4元。

4) 应用效果比较。经现场实践应用对比，发现原锚杆托板拱高较低，承载能力弱，受力较大时容易造成托板外翻，支护失效，且孔口直径偏小，锚杆容易受到剪、扭、弯等综合应力作用而发生破断。尤其部分托板加工不平整，当锚杆受力较大时，托板剪断钢带，孔口也没有倒角和调心球垫，托板与螺母呈线性接触，不利于锚杆杆体受力的传递，无法起到调节锚杆偏心的作用，锚杆容易偏载，造成螺纹段弯曲破断。高强度可调心拱形托板强度高，可吸收一定变形，在锚杆破断前一般不会出现托板脆性破裂或被压成反拱型，始终能够保证锚杆发挥其效能，且孔口设倒角，能够与调心球垫相匹配，调节锚杆的受力角度，减小锚杆因偏载而使杆体受到综合应力作用。

原设计锚索托片承载能力差，当锚索预应力和承受的载荷比较大时，平托板四周易翘起，托板承载显著降低，甚至将托板压穿，使锚索失效，且无法调心的构造只适用于锚索垂直巷道表面布置，如果巷道表面不够平整则容易造成锚索偏载，严重时甚至将锚索切断。而新型可调心拱形托片不仅能够在现有基础上将锚索托板的厚度降低，调节锚索受力状态，且支护效果更好。

4 结 语

在使用新型支护材料及支护方案后巷道掘进中基本没有再出现锚杆(索)断裂、钢带被剪断等现象，同时新型支护方案在帮部补充了金属网，加强了巷道帮部围岩的控制，从而使两帮有效支撑顶板，防止顶板下沉。由于斜沟煤矿工作面顺槽长度均大于2 000 m，以18209材料巷为例，新型支护方案通过减少每延米材料消耗量，使掘进材料费用总计减少约803 462.4元，因此可调心拱形托片等新型材料不仅使支护效果显著提高，而且减少了材料消耗，降低了掘进时期及后期巷道维护材料费用。

Key words Large cross section roadway; Adjustable arch supporting pieces; Ball shaped gasket ; Shock absorber; Support strength; Save on expense and energy

Extra-thickcoalseam;Smallpillarminingface;Goaf;Grounddrilling;Undergroundnitrogeninjection

Application of Adjustable Arch Supporting Pieces in Large Cross Section Roadway Excavation

BAI Zhou

Geological mechanics tests are carried out on No.18209 roadway with large-section in XieGou ditch coal mine, and the law of geostress distribution is analyzed. The new support scheme is used to solve the problem during supporting, by comparison the traditional scheme of which the bolts and cables are usually hard to be perfectly matched, provides a scientific and reasonable support scheme for the roadway excavation in the coal mine. The application improves the support strength of roadway surrounding rock, and reduces the material consumption and maintenance cost, which is of great significance for the production.

2016-12-27

白 宙(1989—)，男，山西兴县人，2012年毕业于太原理工大学，助理工程师，主要从事煤矿采掘生产管理工作

(E-mail)535397765@qq.com

TD353

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1672-0652(2017)02-0011-04