新景公司瓦斯管联络巷锚杆托盘参数优化

荆二强

（山西宏厦第一建设有限责任公司，山西 阳泉 045000）

在当前巷道围岩支护实践中，喷网支护因工程量小、过程简便且劳动强度低，而在一些煤矿中普遍采用[1-2]。但是这种喷网支护方式片面强调支护体结构强度，存在较大的施工盲目性和工序紊乱性[3]，支护效果不理想。结合新景公司对瓦斯管联络巷围岩变形实测结果的分析，发现引发巷道围岩变形破坏的主要原因在于支护体力学特性与围岩力学特性缺乏耦合性[4]，且巷道变形破坏必将率先从某一关键部位开始，延伸后使整个支护系统失稳。实践证明，锚杆支护形式能有效控制巷道围岩和支护体结构强度，在其支护参数优化设计的基础上能保证支护体力学特性与围岩力学特性的耦合[5-6]，增强支护效果。

1 瓦斯管联络巷概况

新景公司+525水平与佛洼上组煤瓦斯管联络巷开口位置在保安8#煤采区轨道大巷以西，开口设计标高+520.91 m（底板），向正南方向开挖掘进。瓦斯管联络巷下覆8#煤层，目前只有开采计划但并未实施开采。根据进风立井实测剖面图，瓦斯管联络巷开口位置岩性主要为砂岩，硬度系数4～5，岩石稳定，所在采区内赋存煤层平均倾角4°～5°，为一单斜构造，整体上呈西高东低走向。

结合邻近工作面顶板矿压观测数据以及采区内其余岩巷顶板支护经验，充分考虑本工作面生产、运料及通风等要求，瓦斯管联络巷设计为圆形断面，采用锚杆、锚索、钢筋网、喷砼等形式的联合支护。瓦斯管联络巷断面特征如表1所示。

根据三维地震图，从该瓦斯管联络巷开口位置往南预计施工至1.24 km处将揭露断层，断层断距0～9 m，∠68°。掘进过程中必须加强工作面涌水及瓦斯情况等观察，一旦出现大量涌水或瓦斯涌出量较大时必须立即组织人员撤离，并汇报工地调度室和新景矿总调度室，采取安全技术措施，待消除隐患确认正常后方可掘进。

2 锚杆参数选用及校核

2.1 锚杆参数选用

考虑到该矿瓦斯管联络巷支护所需锚杆及配套托盘较多，且材料选择及参数确定对支护效果和生产成本影响较大，为此，必须在符合支护强度的基础上减少锚杆使用量，并优化锚杆直径、间距、长度及配套托盘厚度等参数设计。

（1）锚杆参数

一般情况下锚杆直径越大，能承受较大的拉应力。该矿瓦斯管联络巷主要采用500#-φ20 mm×2 000 mm规格的左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆，结合支护强度方面的要求，左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆表面凹凸纹理无需处理，以便保证锚杆和锚固剂之间能有效粘结。从支护效果和成本两个方面考虑，在其他条件不变的情况下，锚杆支护强度和杆体直径成正比，也即锚杆直径越大，设计支护强度越高，对巷道围岩支护效果越好。从市场材料采购行情来看，锚杆直径对锚杆材料成本影响不大。综合以上分析，该巷道围岩支护锚杆采用密度7.8 t/m3、弹性模量241 GPa、屈服力115 kN、破断力均值170 kN、延伸率21.3%的φ20 mm规格的20MnSi螺纹钢锚杆，并严格按照800 mm间距和900 mm排距设置。为与锚杆直径相匹配，锚孔直径应按照29 mm设置。

锚杆托盘采用150 mm×150 mm×10 mm的高强度可调心拱形锚杆托板，并采用高强度心球型垫片及1010尼龙垫片与之配套。

（2）锚索参数

锚索规格为φ21.8 mm×6 200 mm，间排距1 000 mm×900 mm，每排3根布置在两排锚杆之间。锚索托盘采用设计尺寸300 mm×300 mm×16 mm的高强度可调心拱形锚索托板，附加高强调心球型垫片与之配套。

（3）其余支护结构参数

金属网由圆钢材料加工制成，设计网幅φ6 mm×1 100 mm×2 000 mm，网孔尺寸100 mm×100 mm。为便于拼接，金属网采用带勾形式，并使勾头朝下后通过大锤砸平勾头。网片两侧通过压茬搭接，搭接宽度应至少为100 mm，同时还应通过14#铁丝按100 mm/道的间距绑扎。巷道锚喷混凝土使用P.O42.5水泥；混凝土设计配合比为水泥：黄沙：石屑=1:1.98:1.98（kg），水灰比0.45；黄砂为石屑粒径3～5 mm的中粒砂，速凝剂掺量为3～4 kg/100 kg水泥；混凝土强度等级C20，喷涂厚度100 mm。1个锚杆眼使用1卷MSCK-28/800型锚固剂和1卷MSS-23/1200型双速锚固剂，并按照1:3的比例确定快、中速药卷比。

2.2 支护参数校核

（1）锚杆、锚索长度校核

锚索、顶锚杆对围岩的加固作用主要通过悬吊作用并结合帮锚杆发挥，以达到良好的支护效果，为此锚杆（索）长度应满足以下条件[3]：

式中：L为锚杆（索）总长度（m）；L1为锚杆（索）外露长度，锚杆和锚索分别取0.13 m和0.29 m；L2为锚杆（索）有效支护长度，m；顶锚杆（索）有效支护长度为围岩松动高度b，帮锚杆有效支护长度为岩巷破碎深度c；L3为锚入岩层深度，m；根据《煤矿安全规程》，顶（帮）锚索和帮锚杆锚入岩层深度分别为5.0 m和0.6 m。

式中：B为巷道掘进跨度，m，取4.53 m；H为巷道掘进跨度和高度，取4.53 m；f顶为顶板岩石普氏系数，取4.0；ω帮为两帮围岩的内摩擦角，°，取75.96°。

经计算，b≈706 mm；c≈558 mm；进而可以求得顶锚索总长度为5 955 mm；锚杆长度为1 258 mm。顶锚索L索要求长度至少为5 955 mm，锚杆长度要求至少为1 258 mm，支护过程中锚索、锚杆长度分别为6 200 mm和2 000 mm；所以，锚杆（索）长度均符合支护强度设计要求。

（2）锚杆间排距校核

锚杆间排距主要根据锚杆所能悬吊的重量进行校核。单根锚杆悬吊岩体重量为G，锚杆锚固力Q应能承担G的重量。其关系如下[4]：

式中：α为锚杆间排距，m；Q为锚杆锚固力，kN/根，取157 kN/根；γ为岩体容重，kN/m3，取30 kN/m3；K为安全系数，本巷道取2.0。

该巷道所选φ20 mm规格的20MnSi螺纹钢锚杆锚固力Q≥157 kN，计算得α＜1.74 m，所以，锚杆间排距设置能够符合设计要求。

（3）锚索间距校核

根据悬吊理论进行该巷道支护锚索间距校核，公式如下[5]：

式中：L为锚索间距，m，取1.0 m；B为巷道宽，m，取4.53 m；H为巷道冒落高度最大值，m，取4.53 m；L1为锚索设置排距，m，取0.9 m；F1为锚索设计锚固力，kN，取330 kN；F2为锚索极限承载力，kN，790 kN；θ为角锚杆与巷道顶板所形成的夹角，°，取90°；n为锚索排数（排），取1排。

将取值代入式（6）可得，锚索间距L≤2.05 m，锚索间距设计值为0.9 m，完全符合设计及巷道支护稳定要求。

3 锚杆托盘优化

锚杆托盘设计及参数的合理性对于锚杆支护质量十分关键，为此在锚杆、锚索及其余支护参数设计的基础上，应优化托盘参数。该矿瓦斯管联络巷锚杆托盘使用弹性模量210 GPa、泊松比0.3、屈服强度345 MPa的Q345钢板材料，在材料选择方面基本符合支护强度要求，故此处仅进行锚杆托盘厚度的优化。

3.1 模型构建

依据设计锚杆托盘参数并应用建模软件构建锚杆托盘三维实体模型，将其导入至ANSYS分析软件中构建有限元分析模型[2]，并在特定的边界条件下分析模型对应的有限元静力情况。结合锚杆托盘实际受力过程，可设定以下边界条件：将固定约束施加于托盘底面，并将其x、y、z三个方向的位移分别限定为0，即Ux=Uy=Uz=0；沿y轴负方向向锚杆托盘顶面施加150 kN的压力。

3.2 优化结果

根据有限元分析，当锚杆托盘厚度为6 mm时其变形量最大值（0.04 mm）出现在圆环内缘部位，而应力最大值478 MPa出现在锚杆托盘外缘。根据文献[6]，锚杆托盘应力远远超出材料极限强度，无法达到使用要求，故需要增大锚杆托盘厚度，以增强支护结构强度。结合类似巷道支护经验，在优化设计阶段具体提出8 mm、10 mm、12 mm三种厚度方案，并分别进行锚杆托盘实际受力情况分析，以确定出最佳厚度。

在网格数量、分析方法及边界条件不变的情况下进行不同厚度锚杆托盘受力的有限元分析，所得到的厚度分别为8 mm、10 mm、12 mm时的锚杆托盘应力极限值分别为395 MPa、302 MPa和216 MPa。根据有限元分析结果可以看出，随着锚杆托盘厚度的增大，其应力极限值随之减小，且锚杆托盘厚度取10 mm时应力结果符合托盘强度条件，为此，该瓦斯管联络巷支护锚杆托盘厚度确定为10 mm。

4 结语

综上所述，锚杆支护既能为新景公司瓦斯管联络巷提供支护阻力，又能显著提升瓦斯管联络巷围岩峰值强度、残余强度及承载能力，并有效改善瓦斯管联络巷围岩岩体力学参数，减小瓦斯管联络巷围岩塑性区及破碎区半径和围岩位移，且锚杆长度越长、间排距越小、锚杆结构自身承载能力越大，对瓦斯管联络巷围岩承载能力的提升越有利。根据有限元分析，提出了进行巷道锚杆托盘优化设计时必须综合考虑的实际问题，并为锚杆托盘优化设计提供了依据。