霍州煤电锚杆支护材料标准化系列化研究

李建波，熊 巨

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.霍州煤电集团 紫晟煤业有限公司，山西 临汾 031400))

巷道支护理论与技术

霍州煤电锚杆支护材料标准化系列化研究

李建波1，熊 巨2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.霍州煤电集团 紫晟煤业有限公司，山西 临汾 031400))

在分析锚杆支护材料发展现状和霍州煤电集团锚杆支护材料存在不足的基础上，对霍州煤电集团原有支护材料进行改进，引进屈服强度500MPa级锚杆钢材，开发新型锚杆锚索托板，使其与各种锚杆锚索更加匹配，增加球形垫圈和减摩垫圈，提高锚杆预紧扭矩转化效果，更大限度发挥锚杆锚索支护作用，实现锚杆锚索和托板等附件的标准化和系列化。在各矿井下应用均表明，改进后的支护材料支护效果良好。

锚杆支护材料；标准化；系列化；托板；垫圈

锚杆支护由于大幅度降低工人劳动强度，简化端头维护工艺，有利于采煤工作面快速推进等优点，成为煤矿巷道支护的首选技术。我国煤矿锚杆支护技术经历了低强度、高强度和高预应力锚杆支护等发展阶段，锚杆锚索及其配件等支护材料在锚杆支护技术中起着至关重要的作用。

霍州煤电自2000年大面积推广应用锚杆支护技术以来，现有支护技术解决了普通巷道支护问题，但仍存在复杂困难巷道返修量大、深部煤巷底鼓、单进低和差异化支护少等问题。对比我国在锚杆支护材料领域取得的最新研究成果，霍州煤电支护材料还有很大改进空间。本文在分析霍州煤电锚杆支护材料存在不足的基础上，提出其改进方向，引进屈服强度500MPa级锚杆钢材，实现杆体索体材料系列化；开发新型锚杆锚索托板，使其更加匹配，增加球形垫圈和减摩垫圈，提高锚杆预紧扭矩转化效果，更大限度发挥锚杆锚索支护作用，实现锚杆锚索托板和附件等材料的标准化和系列化。

1 霍州煤电锚杆支护材料改进方向

收集原有支护材料，包括锚杆及螺母、锚杆托板、锚索及锁具、锚索托板和锚固剂等，在实验室按现行行业标准规范对上述材料进行力学性能测试，结果表明，锚杆杆体及螺母均符合标准要求，锚杆托板承载力偏低，直径15.24mm和17.8mm锚索及锁具力学性能符合标准要求，锚固剂性能符合标准要求。

1.1 杆体索体材料改进方向

霍州煤电原有的锚杆杆体材料均为屈服强度335MPa的螺纹钢，直径18～22mm，少量矿井使用圆钢锚杆。锚索材料主要为1×7股直径为15.24，17.8，18.9和21.6mm钢绞线。在井下使用中发现，当巷道埋深超过600m或受强烈动压影响时，锚杆锚索破断时有发生，可见面对深部复杂困难条件时，需要提高锚杆锚索强度，况且下一步霍州煤电新建矿井埋深将进一步加大，支护难度进一步增加，引进开发高强度锚杆锚索材料迫在眉睫。

1.2 锚杆锚索托板改进方向

锚杆锚索托板是支护中不可缺少的构件，其具有以下作用：托板通过挤压围岩表面提供预紧力，使围岩处于三向受力状态，明显改善巷道围岩受力状态；托板受载后将力传递给锚杆锚索，增大锚杆锚索工作阻力，限制围岩节理面的离层与相对错动，充分发挥锚杆锚索对围岩节理面的加固作用，提高围岩的稳定性。故对托板有以下要求：应有与锚杆锚索相匹配的承载能力；应有一定的变形量来适应巷道变形；具有一定的调心功能，调节偏心作用；具有一定的护表面积，将预应力扩散至围岩。

霍州煤电原有锚杆托板有2种规格，一种直径为130mm，板厚8mm，拱高29mm，见图1，承载力120～130kN之间；另一种直径为100mm，板厚6mm，拱高27mm，承载能力在140～150kN之间。

图1 原有直径130mm锚杆托板

依据检测结果，2种托板承载力均不能与现有锚杆完全匹配；对照锚杆托板力学性能要求，原有托板均不能实现调心，护表面积也偏小。

霍州煤电原有锚索托板规格颇多，以各矿自备为主，均为方形平托板，尺寸从250mm×250mm到400mm×400mm不等，厚度从14～20mm不等。平托板承载力低，井下使用过程中易出现翻盖变形，见图2。部分托板面积大，厚度大，造成材料浪费，不能实现调心，托板孔容易切割锚索，导致钢丝破断。

图2 锚索平托板井下变形情况

由上述可见，霍州煤电原有锚杆锚索托板存在明显不足，需要研发新型托板，力学性能与锚杆锚索匹配，不同规格托板与不同直径锚杆锚索配套，形成系列化。

1.3 锚杆锚索附件改进方向

锚杆锚索附件主要为球形垫圈和减摩垫圈，与锚杆锚索托板配合使用，霍州煤电原有支护材料中没有使用这2种构件，在研发新型托板的同时，研发配套球形垫圈和减摩垫圈。

2 杆体和索体材料系列化研究

2.1 杆体材料系列化研究

锚杆杆体材料向高强度高刚度方向发展，主要途径有2个：一是加大锚杆直径，但受制约与钻孔直径和三径匹配；二是提高锚杆钢材屈服强度。考虑霍州煤电实际情况，本次杆体材料系列化主要是引进直径22mm，屈服强度500MPa级的锚杆钢材，形成直径16mm圆钢、直径18，20，22mm螺纹钢和直径22mm，屈服强度500MPa级锚杆系列，共5类，各矿井在掘进支护时根据支护难度和矿压情况选用。按国家标准《金属材料-室温拉伸实验方法》(GB/T228-2002)和《钢筋混凝土用钢》(GB1499.2-1997)要求，在JAW-1500型电液伺服材料试验机上对5类杆体材料力学性能进行了测试，每类锚杆取样3根，最后对其各参数取平均值，结果如表1所示。结果表明，5类杆体材料各项指标均符合行业标准要求。

表1 5类锚杆力学性能测试结果

2.2 索体材料系列化研究

锚索材料同样采用引进结构为1×7股直径21.6mm 和1×19股直径为21.8mm钢绞线，提升索体材料破断力和伸长率。最终形成1×7股直径为15.24，17.8，18.9，21.6mm和1×19股直径为21.8mm钢绞线5个系列，由于直径15.24mm锚索适用范围有限，已基本不再使用，主要使用的有4类。同样在JAW-1500型电液伺服材料试验机上按国家标准《金属材料-室温拉伸实验方法》(GB/T228-2002)和《预应力混凝土用钢绞线》(GB/T5224-2003)对4类索体材料力学性能进行了测试，每类锚索取样3根，最后对其各参数取平均值，结果如表2所示。结果表明，4类索体材料各项指标均符合行业标准要求。

表2 4类锚索力学性能测试结果

3 锚杆锚索托板标准化系列化研究

3.1 新型锚杆托板研究

按照煤炭行业标准《树脂锚杆-第2部分：金属杆体及其附件》(MT146.2-2011)中5.3条“托板承载力应不小于与之配套杆体屈服力标准值的1.3倍”之强制性要求，5类锚杆其配套托板承载力如表3所示。

表3 5类锚杆配套托板最低承载力要求

原有锚杆托板承载力无法与所有类型锚杆相配套。而且，原有托板孔窝无法实现调心，护表面积偏小，需要开发系列新型托板，经过调研分析，最终确定新型托板方案：尺寸均为150mm×150mm，拱形结构，板厚分别为6，8和10mm，改变孔窝形状，添加配套调心球垫和减摩垫圈。3种托板实物照片见图3。

图3 新型锚杆托板(从左至右依次为6，8，10mm厚)

按行业标准《树脂锚杆-第2部分：金属杆体及其附件》(MT146.2-2011)要求，对3种新型托板各选3块进行了承载力检测，其尺寸规格、平均承载力和配套锚杆见表4。

表4 3种锚杆托板承载力检测结果

3.2 新型锚索托板研究

按照煤炭行业标准《矿用锚索》(MT/T942-2005)要求，锚索托板承载应不低于索体破断力的0.9倍。霍州煤电原有锚索均为平托板，承载力低，井下使用中经常出现翻盖变形，为此开发了新型锚索托板。结合霍州煤电4种常用的锚索，确定新型托板方案：尺寸均为300mm×300mm，拱形结构，板厚分别为12，14和16mm，改变孔窝形状，添加配套调心球垫。3种托板实物照片见图4。

图4 新型锚索托板(从左至右依次为12，14，16mm厚)

按照煤炭行业标准《矿用锚索》(MT/T942-2005)要求，对3种新型托板各选3块进行了承载力检测，其平均承载力和配套锚索见表5。

表5 3种锚索托板承载力检测结果

4 锚杆锚索附件

4.1 球形垫圈

研制开发新型锚杆锚索托板时，即考虑孔窝与球垫相配套，井下使用时添加调心球垫有助于杆体索体尽量处于受拉状态，避免杆体索体尾部受弯受剪。

4.2 减摩垫圈作用现场研究

减摩垫圈主要作用为提高锚杆预紧扭矩与杆体预紧力间转化系数，实验室研究表明，1010尼龙是减摩垫圈理想的材料。新型托板研制出来以后，在回坡底矿井下进行了顶板锚杆预紧扭矩与预紧力转化试验，设置了2种方案：锚杆与球垫间无减摩垫圈；锚杆与球垫间加1010尼龙减摩垫圈。试验中采用锚杆测力计测量锚杆受力，采用扭矩扳手对锚杆螺母施加预紧扭矩，大小级别为100，150，200，300N·m，试验结果见图5。

图5 顶板锚杆扭矩转化试验

从图5可以得出以下结论：

(1)未加减摩垫圈锚杆预紧力也随着预紧扭矩的增大而增长，预紧扭矩100～150N·m范围，锚杆预紧力介于12.67～14.67kN之间。当预紧扭矩增大到200～300N·m，锚杆预紧力19.56～47.11kN，由200N·m增加到300N·m，锚杆预紧力增大2.4倍。

(2)球垫上加1010尼龙减摩垫圈，锚杆预紧力也随扭矩增大而增长。预紧扭矩在100～150N·m范围，锚杆预紧力介于16.85～28.17kN之间。随着扭矩增大到200～300N·m，锚杆预紧力在41.45～67.77kN，与未加减摩垫圈相比相同扭矩下锚杆获得的预紧力约增加20kN。可见减摩垫圈明显提高杆体预紧力。

5 新型支护材料井下应用

标准化系列化支护材料研制成功后，在霍州煤电11座矿井推广应用，各矿根据自身地质条件和矿压显现情况，选择相应的锚杆锚索和配套构件。实践表明，标准化系列化支护材料力学性能更加匹配，避免了原有支护材料容易发生变形的缺点，更有助于锚杆锚索预紧力施加，支护效果更好。

6 结 论

(1)在分析锚杆锚索支护材料发展现状和趋势的基础上，对霍州煤电原有支护材料进行力学性能检测，结合霍州煤电各矿井实际，提出锚杆锚索支护材料改进方向：杆体索体向高强度方向发展，形成系列化；研制开发新型锚杆锚索托板，使其承载力与相应锚杆锚索相配套，形成系列化；添加球形垫圈和减摩垫圈，改善锚杆锚索受力状态，提高锚杆预紧力。

(2)引进屈服强度500MPa级锚杆和1×19股直径21.8mm锚索，减少深部、强烈动压等情况下锚杆锚索破断情况。

(3)研制开发新型锚杆托板，共3种规格，改变托板结构，提高承载力，加大护表面积，改变孔窝形状，添加球形垫圈和减摩垫圈，3种托板与不同直径锚杆配套使用，形成系列。

(4)研制开发新型锚索拱形托板，共3种规格，提高承载力，不再使用易变形且浪费材料的平托板，改变孔窝形状，添加球形垫圈，3种托板与不同直径锚索配套使用，形成系列。

(5)引进开发的新型支护材料在11座矿井推广应用，由于各构件力学性能更匹配现场使用效果良好。

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[责任编辑：姜鹏飞]

StudyofStandardizationandSerializationofAnchoringSupportMaterialofHuozhouCoalPower

LI Jian-bo1，XIONG Ju2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Huozhou Coal Power( Group) Zisheng Coal Co.，Ltd., Linfen 031400, China)

Based on the problems of anchoring support material of Huozhou coal power group and development state were analyzed，the original anchoring support material of Huozhou coal power group were improved，the rock bolt steel that yield strength is 500MPa was used in field，and new type rock bolt and anchor plate was developed，and it could be matched with all kinds of rock bolt and anchor，spherical washer and antifriction washer also used in field，and translation effects of rock bolt pretension torsion moment was improved also，and supporting results of rock bolt and anchor was utilized largely，standardization and serialization of rock bolt，anchor and plate were realized，the field test showed that supporting results of improvement support material was favourable.

anchoring bolt support material；standardization；serialization；layer board；washer

TD353.6

A

1006-6225(2017)05-0041-04

2016-10-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.010

国家重点研发计划(2017YFC0603003)

李建波(1981-)，男，江西瑞昌人，助理研究员，从事煤矿锚杆支护技术研究和推广应用工作。

李建波，熊 巨.霍州煤电锚杆支护材料标准化系列化研究[J].煤矿开采，2017，22(5)：41-44.