球形托盘在巷道支护中的优化应用研究

张小宇

（陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 咸阳 713500）

合理的支护是保证井下巷道稳定和安全生产的前提。支护可分为被动支护和主动支护，主动支护以锚杆（索）支护为主。锚杆（索）的支护效果取决于支护构件的寿命，锚杆（索）的支护失效，一部分由托盘变形引起。托盘变形后，锚杆（索）预应力无法有效施加，导致其锚固力下降，严重时甚至引起锚杆（索）杆件的脱离。普通方形托盘变形损害是由于其与螺母接触处易产生应力集中，四周产生严重翘曲变形。因此，需寻求一种合理的托盘结构对巷道支护构件中的方形托盘进行优化。

1 工程背景

（1）工程概况

40302 运输巷道位于40302 工作面，工作面主采4#煤，煤层埋深约为770～790 m，煤层厚17～35 m。巷道北侧为40304 工作面，南侧为40210 工作面，西侧为中央2#回风大巷，东侧紧邻井田东翼开拓大巷保护煤柱。巷道长2 200.6 m，沿煤层中部掘进，由于煤层起伏变化较大，部分巷道为岩巷或半煤岩巷。岩巷断面为直墙半圆拱型，净宽5500 mm，净高3950 mm；煤巷断面为矩形，净宽5500 mm，净高3500 mm。

40302 胶带顺槽采用锚网索+W 型钢带+槽钢联合支护，岩巷段采用锚网索支护。巷道支护参数见表1。

表1 40302 运输巷支护参数

（2）工程问题

40302 工作面埋深较大，巷道绝大部分顶板为煤层，高地应力作用下顶板较破碎。其次，在回采过程中，特厚煤层将造成工作面前方20 m 范围内的巷道应力集中系数显著增加。2021 年7 月，巷道掘进过程中，发现掘进头后方托盘严重变形脱落，严重时顶板锚杆（索）杆体脱落，巷道支护失效。

2 巷道托盘支护受力分析

锚杆（索）网联合支护是井巷工程中常见的支护方式，而托盘是影响其锚固效果的重要构件。观察40302 运输巷发现在巷道掘进过程中，锚杆（索）支护结构中托盘先于其他支护结构产生变形破坏，进而引发支护设备的其他构件随之变形，最终造成支护失效[1-2]。因此，需要对托盘支护受力进行分析，并提出相应的优化方案。

（1）方形托盘受力分析

在组合安装锚杆（索）时，对螺母施加扭矩使托盘对锚杆提供预紧力，以实现巷道围岩主动支护[3]。如图1 所示，锚杆（索）预紧力施加于方型托盘平面，导致应力集中分布于托盘中心孔周围。

图1 方形托盘受力状态图

由图1 可知，假设托盘中心处预紧力为F，当托盘作用于煤岩壁时，将对托盘产生反作用力。根据力的平衡条件F=F'，作用力F与作用点之间的距离为L，反作用力F'与作用点之间的距离为L'。由图1（b）可知，因方形托盘应力集中于托盘中心孔区域，L'＞L，预紧力F产生的力矩FL＞反作用力产生的力矩F'L'。在方形托盘的四周边缘部分扭矩较大，导致此区域托盘易产生翘曲变形。此外，托盘孔口与锚杆接合处孔口较小，应力集中达到一定程度时，易造成托盘中心孔口撕裂。因此为了避免托盘产生翘曲变形，需要减少托盘四周边缘的扭矩。

（2）球形托盘受力分析

球形托盘作为一种新型托盘，其结构能有效防止应力集中导致托盘边缘的翘曲变形，其原理可通过力学分析解释。图2 为球形托盘受力状态图。

图2 球形托盘受力状态图

如图2（b）所示，在作用力和反作用力不改变的前提下，空心半球壳的特殊结构使作用力作用于O 点，转移了受力位置，增大了作用力与作用点之间的力臂，进而增加了作用力力矩。同时，由于反作用力的力臂减少，反作用力的力矩随之减少。因此球形托盘平面部分的边缘区域扭矩较小，不容易产生翘曲变形，同时缓解了集中应力对孔口处的撕裂作用。因此，球形托盘结构能有效提高托盘的承载能力，保证锚杆（索）的锚固效果。

球形托盘搭配使用球形垫片，球形垫片的球面结构与球形托盘孔口相适应，增大了受力面积，锚杆锚索承载力得到了提升。另外，球形垫片还具有很好的调心作用，在受到偏载作用时，能够及时调节锚杆的受力方向，有效避免杆体损坏[4]。

3 工程应用

通过上述分析发现：球形托盘特殊的球形结构缓解了孔口处的应力集中，减少了托盘平面部分边缘的扭矩，减少了此处产生翘曲变形的风险[5]。因此，40302 运输巷在支护过程中应选用高强球形锚索托盘，并配套使用球形垫片。

3.1 支护优化方案

40302 运输巷采用高强球形托盘替换原方形托盘。其中顶部支护锚杆托盘的规格尺寸由原先的100 mm×100 mm×10 mm 替换为150 mm×150 mm×12 mm，锚索托盘的规格尺寸由原先的120 mm×120 mm×10 mm 替 换 为200 mm×200 mm×15 mm。帮部支护锚杆托盘的规格尺寸由原先的100 mm×100 mm×10 mm 替换为150 mm×150 mm×12 mm，锚索托盘的规格尺寸由原先的120 mm×120 mm×10 mm 替 换 为150 mm×150 mm×12 mm。

3.2 优化应用效果

为准确验证球形托盘在巷道支护优化的合理性，从球形托盘的损坏情况和锚杆（索）的承载性能两方面检测高强球形托盘在巷道支护中的应用效果[5]。

（1）在采用了球形托盘支护的40302 运输顺槽段，每间隔200 m 随机抽取5 个锚杆（索）托盘观察其损坏情况。现场调研结果显示，更换为球形托盘后，随机抽取的45 个托盘中，仅有2 个托盘存在脱落情况，且托盘并未变形，可能存在工人操作失误。托盘的损坏率为4.4%，较优化前的方形托盘大面积损坏情况，优化后得到明显改善。

（2）为进一步验证球形托盘对支护效果的优化性能，在采用了球形托盘支护的40302 运输巷中，选取1000～1800 m 段进行锚杆（索）破坏性现场拉拔试验，每隔200 m，随机抽取托盘未产生破坏的3 根锚杆和2 根锚索，通过LDZ-400 型矿用锚杆拉拔仪对锚杆的锚固力进行测试。现场测试结果表明，12 根锚杆的锚固力均超过80 kN，8 根锚索的锚固力均达到260 kN，满足巷道支护强度要求。说明高强度球形托盘对于提高锚杆（索）的支护性能有明显的促进作用。

4 结论

（1）方形托盘由于孔口处的应力集中，易在托盘边缘处产生翘曲变形。

（2）相比普通方形托盘，球形托盘的结构能降低托盘边缘处的扭矩，减缓托盘边缘处的翘曲变形。

（3）采用高强球形托盘优化支护后，40302 运输巷托盘破坏情况得到明显改善，且支护性能明显提高。