巷道支护工作中球形托盘的优化应用研究

张 嘉

（晋能控股煤业集团大西庄煤业大同有限公司，山西大同037000）

使井下巷道生产比较安全与稳定的前提条件就是支护是比较合理的。将支护划分成2种支护，分别是主动支护、被动支护。前者最主要的支护就是锚杆（索）支护。支护构件所具有的寿命决定了锚杆(索)所存在的支护成效。该支护的效果失效的原因之一就是有变形发生在托盘中。在托盘发生变形之后，就不能有效地对锚杆(索)预应力进行施加，就降低了其锚固了，若严重程度比较高时，就会有脱离状况发生在锚杆(索)杆件中。因为螺母和普通的方形托盘所接触并有应力集中产生，所以，就有变形损害发生在普通的方形托盘，有较为严重的翘曲变形发生在四周。所以，需要找寻的托盘结构一定是合理的，有利于优化其支护的构件。

1 概述工程的背景

1.1 简述工程的状况

在40302工作面中有其运输巷道，其主要对4#煤层进行开采，4#煤层的厚度与埋深分别是17～35m、770～790m。该巷道的东、南、西、北分别与井田东翼所开拓的大巷的保护煤柱、40210工作面、中间的2#回风大巷、40304 工作面。巷道的总长度是2200.6m，掘进方向与煤层的中间位置的方向相同，因为煤层变化的比较大，局部巷道主要为半煤岩巷或者岩巷。半圆拱形、矩形分别是岩巷、煤巷的断面所具有的形状，对应的净宽分别是5500mm、5500mm，对应的净高分别是3950mm、3500mm。

将槽钢+W 型钢带+锚网索联合支护使用到40302胶带顺槽中，将锚网索支护使用到岩巷段。表1 就是40302运输巷支护参数。

表1 40302运输巷支护参数

1.2 简述工程中的问题

该工作面有比较大的埋深，煤层即为其顶板，由于高地应力对顶板的不断作用，而导致破碎发生；当回采时，距离工作面之前的20m 区域中巷道应力集中的系数会由于特厚的煤层而增加。在2021 年7 月份，当巷道掘进时，得知托盘有脱离变形发生，且托盘是在掘进头之后，若比较严重，那么就会有脱落发生在顶板的锚杆杆体中，降低了巷道支护的效果[1]。

2 分析巷道托盘支护的受力

存在于井巷内的支护就是锚杆(索)网联合支护，对其锚固的成效有很大影响的构件就是托盘。对40302 运输巷进行观察得知，当巷道掘进时，最先有变形破坏发生的托盘安装于锚杆(索)支护的结构内，由于托盘的变形而导致变形也发生在别的构件中，然后使支护的效果丧失。所以，要分析其受力状况，还要将有关优化方案提出来。

2.1 分析方形托盘的受力

当锚杆(索)进行安装时，把扭矩直接施加到螺母上，进而将预紧力提供给锚杆，使主动支护巷道围岩得以实现。图1就是方形托盘受力状态图，在方形托盘的表面上施加锚杆(索)预紧力，这就造成在托盘中心孔的四周分布着应力集中。

图1 方形托盘受力状态图

从图1 能够发现，若托盘中间的预紧力是F，在托盘对煤岩壁进行作用时，就会有反作用力F′产生于托盘。按照F=F′，F、F′距离作用点的间距分别用L、L′来表示。从图1（b）中发现，由于在托盘中心孔四周分布着其应力集中，在L′比L大时，就会有力矩从F与力F′中产生，对应力矩分别用FL、F′L′进行表示，并进行比较，得知FL比F′L′大。当方形托盘边缘有比较大的扭矩时，就会有翘曲变形发生在该区域中。除此之外，由于锚杆和托盘的孔口的接合不大，若应力集中为其承受的最大值时，就导致有撕裂出现在托盘中心的孔口处，所以，将托盘附近边缘所产生的扭矩减少，就能防止翘曲变形发生在托盘中。

2.2 分析球形托盘的受力

在托盘中，最新型的就是球形托盘，球形托盘的结构可以有效避免应力集中造成托盘四周边缘有翘曲变形发生。如图2所示。

图2 球形托盘受力状态图

从图2(b)中得知，当F、F′为定值时，因为空心半球壳具有的结构比较特殊，那么就将O点当作作用点，将受力点进行了转移，将力臂增加了，那么FL增加了。于此同时，因为减少了F′力臂，那么其力矩也就减少了。还将孔口位置被应力集中所产生的撕裂降低。所以，该结构可以很好地将托盘所具有的承载能力提高，提高了其锚固效果。

把球形垫片在球形托盘中进行使用，而且球形托盘上的孔口和球形垫片上面的球面结构是相互适应的，这样就把受力面积增加了，就提升了锚杆锚索的承载能力。除此之外，调心也是球形垫片所具有的作用，当有偏载作用到球形垫片时，可以马上对其受力方向进行调节，可以防止损坏杆体[2]。

3 应用

经过上面的分析得知：因为球形托盘的球形结构比较特殊，有比较特殊的结构，能够降低孔口位置的集中应力，还可以降低托盘外表边缘所产生的扭矩，进而使翘曲变形发生的几率降低。所以，可以将高强球形锚索托盘和球形垫片使用到该运输巷的支护，且球形垫片和高强球形锚索托盘是配套的。

3.1 支护方案的优化

在该运输巷内，之前的方形托盘被高强球形托盘所取代。而且，顶部支护锚杆托盘用150mm×150mm×12mm 规格取代之前的100mm×100mm×10mm 的规格，锚索托盘用200mm×200mm×15mm 规格取代之前的120mm×120mm×10mm 规格，帮部支护锚杆托盘用150mm×150mm×12mm 规格取代之前的100mm×100mm×10mm规格，锚索托盘用150mm×150mm×12mm规格取代之前的120mm×120mm×10mm规格。

3.2 应用效果的优化

由于要对巷道支护用球形托盘来进行优化所具有的合理性进行验证，自锚杆（索）所具有的承载能力与球形托盘发生损坏的情况来检测巷道支护中使用高强球形托盘的效果。

（1）在其顺槽中，会选取球形托盘来进行支护，在有200m距离的锚杆(索)托盘中，任意选5个，来对锚杆(索)托盘的损坏状况进行观察。通过现场调研的最终结果发现，在用球形托盘进行取代之后，在托盘内任意选取45个，在这45个中有脱离状况的托盘只有2个，并且这2个托盘没有发生变形，这也许有失误发生在操作中。计算得知，有4.4%的托盘发生了破坏，在优化之后，降低了损坏率。

（2）由于要对球形托盘优化支护的效果进行验证，将球形托盘支护使用到40302 运输巷，选择1000～1800m 段来对试验锚杆(索)破坏性的拉拔，间隔是200m，在这200m 中任意选择的托盘中，没有破坏的锚杆与锚索分别是3 根、2 根，可以使用LDZ-400 型矿用锚杆拉拔仪来测试其锚固力。从测试的最终结果发现，锚杆锚固力都在80kN以上，且锚杆数量是12根，锚索锚固力都在260kN 左右，且锚索数量是8 根，使巷道支护强度方面的要求得以满足。

4 结束语

（1）因为应力集中于方形托盘孔口位置，那么托盘四周边缘就会有翘曲变形发生。

（2）与普通的方形托盘相对比，由于球形托盘有比较特殊的结构，那么使托盘四周边缘位置所产生的扭矩降低了，还将托盘四周边缘位置的翘曲变形降低了。

（3）当优化选取高强球形托盘之后，可以降低托盘损坏的几率，提高了支护性能。