煤矿巷道锚杆支护材料合理化研究分析

王 炎

(山西王家岭煤业有限公司， 山西 忻州 036600）

针对沿空留巷、小煤柱巷道等复合巷道受采空区、以及回采影响，巷道围岩受力大，围岩破坏严重，传统锚网（索）支护对围岩破坏控制效果差，锚杆支护后在破碎围岩中出现锚固失效效应机理，导致锚杆支护强度降低，锚杆起不到预期支护效果；所以在对应力区围岩进行锚杆、锚索进行支护前，必须针对围岩受力情况，对不同技术参数的锚杆、锚索力学性质进行分析，然后合理选择相匹配的支护体对变形围岩进行支护，这有这样才能对变形围岩进行有效控制；本文以18105 回风顺槽为例，分析了巷道受力情况，并进行设计优化。

王家岭煤业是晋能集团主力矿井，年生产能力超过400 万t，埋深超过400 m，煤层厚度6~8 m，为高瓦斯矿井，采用综采放顶煤开采。由于为解工作面决瓦斯抽放问题和采掘接续问题，工作面采用两进一回布置方式，其中一条巷道留下复用，作为下一工作面的回风顺槽。复用巷道矿压显现强烈，支护难度极大，自王家岭煤业建矿以来一直是困扰矿井的生产技术难题，需要专门研究。本文主要从复用巷道锚杆支护材料合理化方面开展研究，包括支护材料力学性能实验室检测，支护材料不足分析，提出王家岭煤业支护材料改进和引进新型支护材料等具体措施。

1 18105 工作面复用巷道受力影响分析

18103 工作面与18105 工作面为邻近工作面，在两个工作面之间布置了18105 回风顺槽及18103运输顺槽；18103 工作面回采中18105 回风顺槽作为辅助进风巷，18103 工作面回采结束后作为18105工作面回风巷道，18103、18105 工作面回采过程中通过对18105 运输顺槽围岩变形情况观察发现，围岩变形及支护主要存在以下特点：

1）由于18105 运输顺槽埋深大，巷道在开拓延伸中围岩受力大，当18103 工作面在回采中工作面前后50 m 范围内分别受同侧回采应力、采空区残余应力作用，导致巷道位于18103 工作面侧巷帮破坏严重，支护难度大。

2）当18103 工作面回采后，18105 工作面在回采时18105 回风顺槽围岩主要受工作面回采应力，18103 采空区残余应力破坏作用，巷道在二次动压作用下，围岩压力显现明显。

3）由于工作面回采煤层厚度大，巷道预留顶煤厚度达3.0 m，煤层赋层稳定性差，在巷道在多重应力作用下，顶煤稳定性差，顶板出现破碎现象，局部出现冒顶现象，顶板锚杆、锚索支护效果差，难以对巷道顶板进行有效控制维护。

2 原有锚杆支护材料力学性能检测

2.1 锚杆及其配件力学性能检测

1）锚杆及其附件主要包括锚杆杆体、螺母和锚杆托板。其力学性能检测主要按照行业标准在实验室开展。王家岭煤业采用直径22 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，对其力学性能进行拉伸试验，如表1 所示。

表1 锚杆/锚索杆体拉伸试验强度参数

2）从表1 可以看出锚杆其屈服强度没有小于335 MPa 情况出现，说明锚杆材质满足要求。根据国标MT 146.1—2002 的相关规定锚杆杆体应优先选用屈服强度大于335 MPa 螺纹钢杆体，杆体的延伸率应不小于15%。而锚杆杆体伸长率均大于32%，锚杆钢材的延伸率满足要求。

3）选取王家岭煤业常用的锚杆托板，进行承载力试验。托板规格为150 mm×150 mm×8 mm 的拱形托板，试验时把托盘摆放好后放置在试验机上准备开始试验。启动试验机直至试样托盘被压平，加载速率从0.2 kN/s 提升至1 kN/s，观察托盘破坏形式，拍照、记录，如图1 所示。

图1 锚杆托板承载力- 变形曲线

由图1 可见，托板的承载能力在155 kN 到165 kN 之间（第一个拐点），托板的承载能力与直径22 m的屈服强度335 MPa 锚杆不配套。锚杆托板还需要增加调心球垫和减摩垫片，不配套调心球垫和减摩垫片，预紧扭矩与预紧力转化系数低，当锚杆与巷道围岩表面不垂直时，容易被托板口卡住，锚杆受复合应力严重，导致锚杆不能充分发挥原有的支护作用。

2.2 锚索及其配件力学性能检测

1）锚索及其配件包括锚索索体、锁具和锚索托板，索体力学性能测试采用方法同锚杆。王家岭煤业原采用1×7 股直径21.6 mm 锚索，其力学性能和变形参数如表2 所示。从表2 可知，其力学性能和延伸率符合规范要求。

表2 锚索试件拉伸变形参数

2）锁具承载力系数试验主要是检验锁具强度与锚索抗拉强度是否匹配，锁具与锚索组合抗拉时的各参数是否满足国标要求。锁具的静载锚固性能同时满足效率系数大于0.95，锁具、索体组合构件达到极限拉力时的总应变大于2.0%的要求，锚索锁具满足锚索承载力的要求。

3）18105 回风顺槽原有锚索托板为方形平托版，无法进行承载力试验，从井下使用变形情况来看，平托板极易翻盖变形，丧失承载力，降低支护效果。

2.3 试验总结分析

分析锚杆支护材料测试结果，结合井下实际应用情况，18105 回风顺槽原有支护材料主要存在以下不足：

1）锚杆杆体和螺母能满足要求，但锚杆托板需要改进，需要提高承载力；托板球窝需要改进，增加调心球垫和减摩垫圈，改善杆尾受力状态，提高锚杆预紧扭矩转化效率。

2）锚索托板同样需要改进，改用拱形托板，使托板承载力与锚索相匹配，增加调心球垫。

3 18105 回风顺槽支护优化改进

3.1 支护改进设计

1）金属锚杆保持为直径22 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，改变托板结构，规格为150 mm×150 mm×8 mm，厚度不小于8 mm，托板高度不小于34 mm，承载力与杆体匹配；添加调心球垫和减摩垫圈。

2）锚索多样化，顶锚索采用1×19 股直径21.8 mm锚索，帮锚索采用1×7 股直径17.8 mm 锚索，动压巷道加固采用1×19 股直径28.6 mm 大锚索；弃用锚索平托版，改用拱形方托板，长宽尺寸为300 mm×300 mm，厚度分别为12、14、20 mm，托板高度分别不小于58、60、64 mm；添加调心球垫。

3）为减少巷道顶煤的破坏，锚杆组合构件仍采用钢筋托梁，锚索组合构件采用W 钢带，与W 钢带配套使用的锚索采用W 形锚索托板。

4）二次动压巷道两帮均采用金属锚杆，不用玻璃钢锚杆；埋深超过450 m 的静压顺槽回采帮同样采用金属锚杆，不用玻璃钢锚杆，减少锚杆破断现象。

3.2 应用效果分析

截止2019 年2 月14 日18103 工作面已回采到位，18105 辅助运输顺槽正掘进施工阶段，为了降低巷道二次动压影响，决定对18105 辅助运输顺槽支护进行优化，通过后期工作面回采对比分析发现,18105 辅助运输顺槽与18105 回风顺槽相比，18105、18104 工作面在回采中对18108 辅助运输顺槽影响小，控制了二次动压对巷道围岩变形影响，顶板最大下沉量控制在0.12 m，两帮最大移进量控制在0.35 m 以下，未发生大面积顶板破碎、煤壁片帮现象，保证了回采巷道围岩稳定性。

4 结语

根据18105 回风顺槽二次动压影响情况，通过采用力学性能测试对动压巷道围岩支护可靠性进行分析，并在原有支护材料不足以及现有的地质生产条件的基础上，对支护材料进行改进，通过改进后的支护材料，在受动压影响的18105 辅运顺槽进行推广使用，实践证明，改进后的支护材料，大幅改善支护支护效果，保证了矿井的安全生产。