锚网支护巷道锚索断裂原因及控制措施

徐惠超

（山西焦煤汾西矿业水峪煤矿， 山西 吕梁 032300）

1 工程概况

61116工作面西北距旺家垣村470m（村庄保安煤柱），东距贺南沟430m。该工作面北为61114工作面，南为61118工作面，东为7003工作面，西邻六采区大巷。本工作面在太原组10号、11号煤层下分层中掘进，煤层平均厚度7.77m，平均倾角5°，由于倾角小于8°，属于近水平煤层。巷道直接顶为泥岩，厚度为0.8m，其特征为性脆易碎、节理发育；巷道老底为砂质页岩，厚度为4.5m，其性质为灰白色、较硬。设计巷道断面形状为矩形，参数为4.5m×3.0m。61116材料巷采用钢带、锚杆、锚索、菱形网联合支护。顶板锚杆的参数为Φ22-M24-2 400左旋无纵筋螺纹钢，间距为800mm，每排的距离为1 000mm，扭矩大小210 N·m，锚固力大小100 kN。顶板上钢带的参数为4 200mm×275mm×3mm。而钢带两端的两根顶锚杆为角锚杆，呈75°倾角，其余的锚杆都与顶板相互垂直放置，并以矩形形状进行安置。顶板锚杆的安装是通过钢带与托盘一起实现的。帮锚杆的参数为Φ16×1 800mm，材料及形状为圆钢形状的锚杆，两帮每排各施三根锚杆，锚杆的相互距离为900mm，每排间的相互距离1 000mm，其中最上排锚杆距顶板500mm，均垂直巷帮，并以矩形进行安置，扭矩的大小值150 N·m，锚固力的大小值50 kN[1-3]。锚杆通过300mm×275mm×3mm的钢带和托盘相互作用实现安装。锚索的参数为Φ21.6mm×5000mm。沿巷道挖掘的方向上每间隔2m安放一组，一组3根，第一排分别布置在距巷道两帮各1.5m处，第二排布置在巷道中心线处，间距2.0m。锚索的预紧力要求140 kN，均垂直顶板布置。

2 顶锚索断裂原因分析

目前，工作面锚索断裂主要发生在相邻工作面的回采过程中，破断区域位于61116材料巷510～610m处，锚索发生剪切断裂，其中具体的断裂情况为：45°倾角断裂，断口较光滑；0°倾角断裂，断口不平整；断裂位置分布在距尾端1.0～1.5m处。

2.1 顶板层间距小使锚索承载能力差

根据太沙基理论可知，冒落拱高度的计算结果为5.7m，如果在顶板上方的5.7m处不加支撑保护，就有可能发生冒落；由于巷道位于9号煤采空区下，在510～610m下的顶板层间距为5.3～6.1m，平均值为5.6m，层间距的值较小，其承载能力差，巷道冒落后极易沟通上覆9号煤采空区[4-5]。

2.2 受物理因数的影响顶板岩层离层遭到破坏

510～610m范围内的直接底是厚度1.6m的铝质泥岩，性质软、遇水膨胀。由于铝质泥岩比较软弱，从而会降低顶板岩层的整体弹性模量，容易受地应力的影响，顶板岩层的弹性能量很容易堆积起来，且随着时间的流逝，弹性能量堆积值越来越大，但巷道底板主要是砂质页岩，厚度为4.5m，硬度较大，难以发生底鼓而释放能量，此时由于两个相邻的开采面之间压力的存在，便会使堆积起来的弹性能得到释放，从而使顶板岩层离层和破坏，最终导致锚索损坏。

2.3 锚杆支护作用得不到充分发挥使锚索承受顶板岩层的大部分压力

顶锚杆大多是采取与顶板垂直且呈矩形的方式布置，由于巷道冒落拱高度5.7m，再加上泥岩的软弱性质，造成顶锚杆的锚固力差，支护系统中组合梁的作用得不到充分发挥（顶锚杆的作用仅仅是浅表层的销钉悬吊），所以，全体支护系统的关键作用仅仅是锚索的悬挂作用，锚索承受了顶板岩层的大部分压力，很容易断裂。

2.4 受周围环境的影响锚索强度降低

由于巷道的标高不高，所以510～610m的范围为积水区，导致顶板有积水的存在，而积水的存在首先造成巷道顶板的强度下降、整体的稳定性能下降，然后使得顶锚索在较长的时间下受到积水的侵蚀，使得锚索出现生锈的情况，从而导致钢绞线的强度下降，最终的影响是造成锚索强度小于设计承载力，进而导致支护的效果变差；另外，10号、11号煤层中含有较高的硫及其他危害化学元素，硫、硫酸及由硫衍生出的其他化合物会腐蚀锚索表面，造成锚索表面产生微小裂纹，从而使得锚索强度降低，支护效果变差。

2.5 受顶板活动及压力的影响锚索受到衍生剪切力和顶板岩层压力的作用

层面附近会因巷道顶板下沉而发生位移与形变。由于压力的作用，故当61116材料巷的锚索力小于顶板的重力时，顶板岩层内将发生离层或断裂。顶板岩层在动压力的反复作用下将发生弯曲转动、层间错动，从而产生剪切力。此时，锚索受到了两种力的影响，即顶板岩层发生离层或断裂时产生的压力以及衍生出来的剪切力。而锚索之所以会发生断裂，最主要的原因就是受到衍生剪切力的作用，还有一部分原因是顶板岩层的压力。

3 控制措施

1）增加锚索的设计预紧力，增大顶板岩层之间的压力，增加顶板岩层之间的摩擦系数，通过充分发挥组合梁的作用，发挥岩体自承能力，降低顶板岩层之间的错动程度，避免锚索因剪切力而发生断裂。

2）当在近水平煤层使用锚索进行支护时，应尽量使锚索与顶板的角度为90°；当煤层的平均倾角过大时或受到掘进变坡施工的限制时，若锚索不可能与顶板布置成90°，应尽量保证角度小于15°。

3）加强掘进工作面的顶板管理，如遇到顶板破碎，主动支护困难时，及时使用被动支护控制顶板。依照锚索巷道顶板岩性的探测结果，对支护参数不断修正，保证锚固端能够充分伸入到稳定岩层的深部。加大对顶板离层管理的力度，每隔50m安装一组顶板离层指示仪，安排专人负责每天观测，发现问题及时整改。当发生锚索托盘变形而锚杆托盘不变形的情况时，说明锚杆对离层点已经不发生作用，但锚索仍在发挥作用，此时应该通过补设锚索或架棚来进行加强支护。当锚杆与锚索托盘都不发生变形而顶板有明显下沉时，锚索对离层点的作用也不在范围之内，锚索对顶板下沉已不起作用，此时需要采取必要的加强支护措施[6-8]。

4）设置缓冲装置，对动压力进行补偿。动压力是加速锚索断裂的因素，要尽量避免或者对其进行补偿。在动压力较大较强烈的范围内，设置动压力补偿装置，实现对动压力的卸荷或者减小动压力。还可安装木板、橡胶、泡沫等可起缓冲作用的物质。

4 结语

锚索断裂发生的最主要原因就是受到衍生剪切力的作用，还有一部分原因是顶板岩层的压力。为了减小锚索断裂的几率，可以在设计时提高锚索的设计预紧力，尽量将锚索与顶板垂直布置，以充分发挥锚索支护的组合作用。