应力区巷道自锁让压式锚杆应用分析

武文军

（大同煤矿集团同安煤业有限责任公司， 山西 吕梁 033500）

1 巷道概况

大同煤矿集团同安煤业有限责任公司行人巷道西接行人石门及行人联络巷开口，其坐标为：X=4228 995.259，Y=563 081.868，Z=1 013.756，该巷北部30 m为4号层轨道大巷（未掘），南部、东部为实体区。开口位置南侧7 m下伏9号层采空区。开口位置北侧水平距离30 m有4号层采空区[1]。

巷道设计长度为1 200 m，巷道断面规格为宽×高=5.0 m×4.0 m，巷道掘进煤层为山西组4号煤层，煤层平均厚度为7.56 m，施工巷道沿4号煤层底板平行掘进，预留顶煤厚度为3.56 m。

行人巷道采用综合机械化掘进工艺，巷道掘进至620～690 m段共计揭露四条正断层，断层最大落差为1.4 m，最小落差为0.5 m，受断层群影响巷道在620～690 m范围内顶板破碎相对严重，局部区域出现冒落现象[2]。

2 行人巷道原支护设计及问题分析

2.1 原支护设计

行人巷道原顶板主要采用锚杆钢带进行联合支护，顶板锚杆每排布置6根，锚杆间排距为1.0 m，锚杆垂直顶板布置，锚杆采用长度为2.5 m，直径为22 mm左旋无纵筋螺纹刚锚杆，采用加长锚固方式，锚固长度为0.95 m。

2.2 问题分析

2.2.1 使用锚杆支护长度不足

由于该工作面沿侏罗纪煤3-5号层平行掘进，而且巷道顶板的煤质大多为泥岩，煤质比较松软，直接顶的厚度为2.5 m，该巷使用长度为2 m的锚索，因此施工人员在顶板打入锚杆后，锚固端正好位于直接顶与基本顶离层间，造成直接顶与基本顶离层间的破碎岩体不能对锚杆产生有效支护[3]。

2.2.2 锚杆锚固效果差

传统的支护方式是采用锚固剂对锚杆与围岩进行连接，因此锚固效果越好，锚杆的支护能力越强，锚固剂能够增大围岩与锚杆的摩擦力，同时使锚杆自由段的拉力传递到围岩深处，由于传统锚杆大多数采用螺纹结构，螺纹结构不能有效地将自由段的拉力传递到围岩深处。

2.2.3 锚杆变形严重

传统的锚杆主要是将托板、钢带与螺母连接来对顶板进行支护，这种紧固方式虽然钢性较大，且能够与顶板之间连接，但当顶板来压发生变形时，这种紧固方式不能让压力分解而是直接作用在连接机构，造成锚杆变形。除此之外，当顶板变形严重时，锚杆杆体与螺母会由于受力不均而发生松动，当这种松动现象严重后，锚杆会在顶板剪切应力的作用下逐渐失效，锚杆对顶板的支护由于达不到要求，顶板岩体随即发生变形，造成整个区域的支护失效[4-5]。

3 自锁让压式锚杆结构原理

自锁让压式锚杆是矿井最新使用的一种支护方式，该种锚杆不仅能够在压力较大的顶板区域有很好的支护与让压效果，而且自锁让压式锚杆的制作成本较低，在顶板较破碎的巷道中起到了很好的支护效果。

自锁让压式锚杆主要由以下部件组成：杆体、自锁机构、让压机构、螺母、垫片。为了能够增加锚杆的屈服强度，设计人员使用的螺纹钢长度与直径分别为3 m×2 mm，锚杆锚固端长度与螺纹端长度分别为1.2 m和0.1 m。自锁机构主要由以下部件组成：连接套、自锁片、推杆、弹簧、螺纹套管。为了能够增加支护效果，设计人员在每根锚杆上加装5个自锁机构，自锁机构间的间距为0.3 m，如下页图1所示。让压机构主要由以下部件组成：锚杆托盘、让压弹簧。锚杆托盘设计成直径为25 mm镂空半球形，同时在托板内加装让压弹簧。

图1 人行巷道顶板破碎区自锁让压式锚杆结构剖面图

4 自锁让压式锚杆优点

1）与传统的支护工艺相比，自锁让压式锚杆不仅结构简单、生产成本较低，而且后期能够减少工作人员劳动强度。

2）与传统的螺纹钢锚杆支护工艺相比，新型支护锚杆能够在相同屈服强度下增长锚杆长度，使得锚杆的锚固段能够深深插入坚硬煤壁中，降低锚杆的失效率。

3）与传统的支护工艺相比，自锁机构能够使锚杆外露部分的拉力全部传递到锚固段，增加了锚杆对顶板的支护强度，防止顶板离层现象的发生。

4）自锁让压式锚杆能够在顶板破碎严重或离层时使让压机构处于受压状态，由于锚杆能够在顶板变形时发生让压耦合，从而降低顶板对锚杆的剪切，大大降低锚杆的失效率。

5 自锁式让压式锚杆的应用

自锁让压式锚杆在施工前，首先工作人员要使用锚索钻机在巷道顶板施工钻孔，钻孔深度与直径分别为3.5 m和0.03 m，之后在锚杆杆体上安装自锁机构，工作人员要在每排施工5个钻孔，孔与孔之间的距离为1.2 m，且钻孔与顶板要保持垂直。

之后施工人员要在每个钻孔内依次加装35型、60型锚固剂及自锁让压式锚杆，施工人员在锚固锚杆时必须一次到位，否则支护效果会大大下降，安装完成后自锁让压式锚杆外露长度不得大于0.1 m。

当每排5个钻孔全部安装后，施工人员在自锁让压式锚杆的外露端加装“JW”型钢带机让压机构，之后用螺母进行固定，每根螺母的预紧力要大于150 N·m。

锚杆安装完毕后自锁机构为闭合状态，且机构中安装的自锁片能够紧紧镶嵌于顶板煤壁内。一旦顶板发生破碎或变形，让压机构能够使锚杆对变形顶板产生耦合让压效果，这样就避免锚杆变形或失效。

6 自锁式让压锚杆的应用效果

在人行巷道掘进至640 m处，对顶板施工了自锁式让压锚杆，截止2019年11月巷道已掘进至700 m处，通过对应力区破碎带顶板施工的自锁式锚杆进行观察分析发现，在破碎顶板区域掘进的20 d内，顶板破碎变形情况比较严重，部分顶板出现下沉，在破碎顶板区域掘进的30 d内，顶板下沉现象得到缓解，30 d后顶板下沉基本得到控制。使用这种支护锚杆不仅能够使破碎顶板的变形现象得到缓解，还解决了传统的支护锚杆无法让压耦合的现象；巷道采用自锁式让压锚杆后，锚杆失效率由原来的8%降低为2%，全年可节约支护成本费用达42万元，保证了破碎顶板稳定性，取得了显著应用成效。