回采巷道锚杆支护构件及锚杆关键支护参数优化研究

何少帅

（中煤大同能源有限责任公司塔山煤矿，山西 大同 037000）

1 概况

中煤塔山煤矿设计生产能力3.00 Mt/a，3-5#煤层平均厚度15.96 m，采用放顶煤开采工艺。工作面顺槽沿煤层底板掘进，顺槽巷道存在特厚煤层托顶煤支护难题。3-5#煤层巷道顶板和两帮属于全煤，煤体强度普氏系数2～3，围岩裂隙较为发育，巷道围岩稳定性较差，巷道支护具有较大难度。

2 支护材料及关键支护参数现状

30515 回风顺槽设计宽度为5.2 m，设计高度为4.0 m，断面20.8 m2。30515 回风顺槽邻近30501工作面采空区，巷道区段煤柱宽10 m，是小煤柱掘进巷道。30515 回风顺槽现支护顶锚杆6 根，帮锚杆每侧4 根，锚杆规格为Φ22 mm-M24-2400 mm 左旋无纵筋螺纹锚杆，间排距1000 mm×1000 mm，锚杆预紧力矩200 N·m；顶锚索5 根，锚索采用Φ21.8 mm×8300 mm 的预应力钢绞线，间排距1300 mm×2000 mm，锚索预紧力170 kN。

30515 回风顺槽掘进至350 m 里程时开始发生锚杆破断现象，掘进至800 m 里程时，巷道共计破断锚杆170 根，并且破断锚杆顶板和两帮都有。掘进期间顶板和两帮位移较大，顶板最大位移300 mm，煤帮最大位移达到500 mm。现有支护材料统计见表1。

表1 现有支护材料统计表

3 现用锚杆力学性能试验

对现有锚杆支护材料，包括锚杆杆体、杆尾螺纹段、锚杆托板以及锚杆预紧力矩转化关系进行试验研究[1-3]。

3.1 锚杆杆体及杆尾螺纹段强度性能检测

针对现用的锚杆进行试验，检测其最主要的几项力学性能指标，包括杆体及螺纹段的抗拉强度、屈服强度、变形破断状态。选取30515 回风顺槽在用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，取长度为800 mm 进行试验。

（1）Φ22-M24-2400 型左旋无纵筋螺纹钢杆体的屈服强度在363～373 MPa 之间，屈服力在137.1～140.1 kN，抗拉强度在581～582 MPa 之间，破断力平均为219.48 kN。

（2）Φ22-M24-2400 型左旋无纵筋螺纹钢杆体尾部螺纹段的屈服力在193.4～199.4 kN 之间，屈服力平均为195.88 kN，破断力在215.7～218.8 kN 之间，平均为217.35 kN。

3.2 锚杆托板承载力检测

试验测试30515 回风顺槽现用的拱形托板的承载能力和变形特征，并与新型锚杆托板力学性能做对比分析。选择现用三组不可调心拱形托板，规格为150 mm×150 mm×10 mm； 采 用JAW-1500kN万能材料试验机试验，对托板进行加载，监测托板变形全过程。

（1）三组规格为150 mm×150 mm×10 mm 锚杆托板的承载力试验结果分别为216.33 kN、227.4 kN 和228.5 kN，平均为224.1 kN。

（2）三组规格为150 mm×150 mm×10 mm 锚杆托板高度分别为31 mm、30.6 mm 和30.7 mm，平均30.7 mm。

图1 是高强度拱形可调心锚杆托板及托板加载与位移曲线。新型锚杆托板规格150 mm×150 mm×10 mm，与目前现有托板规格保持一致，但是托板的承载力达到412.6 kN，是目前现有托板平均承载力的1.8 倍，同时托板的拱高达到36 mm，新型锚杆托板的力学性能要优于目前现用的托板。

图1 新型锚杆托板负荷与位移变化曲线

3.3 锚杆螺母预紧扭矩与预紧力转化试验

选择Φ22-M24-2400 型左旋无纵筋螺纹钢锚杆杆体、配套螺母以及150 mm×150 mm×10 mm 拱形托板。将锚杆自螺母段截取800 mm 制作试样，试样尾部两侧焊接两个长约100 mm 的锚杆杆体用于对锚杆施加扭矩时固定锚杆。采用扭矩扳手对装配好的锚杆螺母施加扭矩，扭矩与预紧力的对应关系用锚杆测试计监测，扭矩最大加到500 N·m，每隔50 N·m 读锚杆测力计读数一次，根据测力计读数的变化计算出不同扭矩下锚杆所受轴力的大小。锚杆螺母预紧扭矩与预紧力转化试验结果见表2 和图2。

图2 锚杆螺母预紧扭矩与预紧力转化曲线

锚杆螺母预紧扭矩与预紧力转化基本呈线性相关的关系，即锚杆预紧力矩越大，锚杆轴向预紧力越大，此时锚杆对巷道围岩的主动加固越明显，巷道加固效果越好。从表2 可以看出，随着锚杆预紧力矩的增加，锚杆轴向预紧力增加的幅度在降低，这一点从锚杆的预紧力矩转化系数可以明显地看出。当锚杆预紧力矩小于200 N·m 时，锚杆的预紧力矩转化系数平均在0.2 左右；随着锚杆预紧力矩的增加，当锚杆预紧力矩大于400 N·m 时，锚杆的预紧力矩转化系数降低至0.17，增加幅度在降低。

表2 锚杆螺母预紧扭矩与预紧力转化试验数据

3.4 锚杆锚固性能分析

由于3-5#煤层为全煤巷道，锚杆锚固段全部位于煤层之中，其强度和结构有其自身的特殊性，试验地点位于30515 回风顺槽100 m 里程处。通过现场的拉拔试验表明，采用一根K2360 和一支CK2335 的锚固剂，锚杆的锚固力到达154 kN 以上，满足锚杆锚固力的要求。

4 锚杆材质及关键参数优化

4.1 锚杆杆体强度优化

根据30515 回风顺槽锚杆破断情况，锚杆破断位置以螺纹段和螺纹段向上0.5～1 m 位置为主。目前回采巷道锚杆牌号335，锚杆杆体破断力219 kN。优化后，杆体为Φ22 mm 左旋无纵筋螺纹钢筋，牌号500，锚杆杆体破断力不小于310 kN，锚杆杆体强度提升了42%。

4.2 锚杆托盘结构优化

塔山煤矿此前使用的不可调心的拱形托板，托板结构设计存在缺陷。优化后新型托盘托板拱高由20 mm 增加到43 mm，以吸收巷道高应力，增加托盘强度，孔口设倒角，能够与调心球垫相匹配。

4.3 锚杆构件增加调心球垫及减摩垫片

在托板和螺母之间加入调心球垫和减摩垫片，通过调心球垫的调节作用，在锚杆承受偏心载荷作用时，能够调节锚杆杆体受力状态。

减摩垫片能够大幅度提高锚杆预紧力矩和预紧力之间的转化效果。根据实验室试验，使用不同减摩垫片，相同预紧力矩条件下，转化成锚杆轴向预紧力差别很大，如图3 所示。试验结果表明，不使用减摩垫片锚杆预紧力最低，而使用1010 尼龙垫片锚杆轴向力最大。

图3 不同减摩垫片锚杆预紧力矩转化效果对比

4.4 锚杆预紧力提升

目前锚杆预紧力矩200 N·m，其中还有的锚杆预紧力矩达不到200 N·m，此时锚杆预紧力矩转化效率不足0.2，即锚杆轴向预紧力不到40 kN。根据前述试验，锚杆的屈服力为140 kN，因此锚杆强度利用率28.5%，没有充分地发挥出锚杆的强度性能，对巷道围岩加固作用很低，没有充分发挥出锚杆支护体系及时主动的核心作用。优化提升后，锚杆预紧力矩增加到400 N·m，锚杆预紧力大于100 kN。

4.5 螺母结构优化

对现有锚杆螺母进行改进优化，采用高强锚杆螺母M22×2.5，螺母与托盘接触端加大螺母外径，以增大螺母与托盘接触面积。螺母外端使用钢片式快速安装螺母，并且螺母钢片脱落预紧力矩不得小于100 N·m，保证锚固剂搅拌均匀。

4.6 锚杆其他构件优化

帮部锚杆增加厚度4 mm、宽度280 mm、长度为450 mm 的W 钢护板护帮，以补强帮部整体强度。增加了顶部锚杆倍增器和帮部锚杆风动扳手，以增加锚杆预紧力矩。

5 结论

通过对塔山煤矿锚杆杆体、构件及关键技术参数进行优化，取得了以下效果：

（1）锚杆构件优化后，锚杆预紧力矩达到400 N·m 时，锚杆预紧力可达到120 kN。

（2）锚杆材质强度提升后，在调心球垫、减摩垫片和W 钢护板共同作用下，30515 回风顺槽后期没有出现锚杆破断情况，巷道支护效果得到提升。

（3）增加巷道锚杆支护强度后，帮部增加W钢护板护帮，巷道帮部围岩变形量由原平均变形量500 mm 减小到200 mm，顶板浅部离层量由最大离层量300 mm 减小到100 mm 以内，巷道围岩整体完整性提升。