煤矿预应力锚索破断原因分析及对策

［基金项目］国家自然科学基金(U1261211)；中国煤炭科工集团科技创新基金项目(2013MS010)；天地科技股份有限公司青年创新基金项目（KJ-2015-TDKC-08） ［作者简介］石垚（1990-），男，黑龙江绥化人，在读硕士研究生。

煤矿预应力锚索破断原因分析及对策

石垚1,2，林健1,2，王正胜1,2，杨景贺1,2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部,北京100013;2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院,北京100013)

摘 要：针对复杂困难条件下煤矿巷道支护锚索普遍存在的破断问题，通过实验室试验和现场巷道顶板煤岩层变形规律验证了锚索破断的原因并提出了针对性解决措施。研究结果表明，井下锚索破断主要有2种形式：锚索锁具附近破断和锚索中部破断。锚索锁具附近破断的原因主要是锚索工作过程中与巷道岩面垂线夹角过大造成锚索受到拉-弯-剪复合应力作用所致；锚索中部破断主要是由于顶板岩层强烈错动导致锚索在受到较大拉应力情况下受岩层弯曲错动剪切所致。针对锚索的不同破坏形式，建议采取垂直岩面布置锚索、选择延伸率较大和屈强比较低的1×19股锚索、减小锚索长度、增加锚杆锚索预紧力的方法来解决锚索破断问题。 关键词：煤矿巷道；锚索；破断；原因分析；对策

Crack causes analysis and countermeasures on small aperture prestressed

anchor cables in coal mine roadway

SHI Yao 1,2，LIN Jian 1,2，W ANG Zhengsheng 1,2，YANG Jinghe 1,2

(1. Coal Mining and Designing Department, Tiandi Science and Technology Co. ,Ltd. ,Beijing 100013,China;2. Coal Mining and Designing Branch,

China

Coal Research Institute, Beijing 100013,China)

Abstract: Aiming at the crack problem of the anchor cable under condition of difficult and complicated coal mine roadway, laboratory tests and deformation laws of roadway roof were adopted to prove the crack cause of anchor cable and some solutions were proposed. The results show that the anchor cable has two crack forms, one cracks near the anchor rigging another cracks at the central of cable. The main reason of cracking near the anchor cable rigging is that the combined tension-bend-shear stress caused by the large angle between cable axis and roadway surface normal act on anchor cable. The main reason of cracking at the central of cable is that tension-shear stress caused by roof strata sever dislocation act on anchor cable. To solve different cable crack issues, this paper propose to choose large elongation and yield ratio 1×19 type cable, reduce anchor cable length, increase cable prestress, the anchor cable axis should vertical roadway surface. Key words: coal mine roadway; anchor cable; crack; causes analysis; countermeasure

锚杆锚索支护技术作为煤矿巷道支护的一种主要形式，在国内外煤矿巷道支护得到广泛应用。随着我国煤矿开采深度的增加、开采区域的不断扩展、地质条件的不断复杂化，锚索的使用数量呈逐年剧增趋势，甚至有些巷道采用全锚索支护形式[1-3]。尽管锚索在复杂困难巷道（如高应力巷道、软岩巷道、沿空留巷、小煤柱护巷、受多次动压影响巷道等）支护中发挥了重要作用，甚至在某种程度上成为困难巷道不可或缺的支护方式，但在困难巷道锚索的使用过程中均出现了不同程度的锚索破断问题，造成巷道围岩的急剧变形和破坏，严重的还造成人身伤亡事故。

关于煤矿巷道支护中锚索破断的问题，国内一些学者和工程技术人员也进行了一些研究和探讨。张占春等[4]分析了综放煤巷顶板锚索破断机理，提出适当增大锚索强度、支护密度、施加适当的预紧力及开发延伸率较大的新型高强度锚索来解决锚索破断问题；王强[5]指出顶板淋水、渗水对锚杆锚索支护效果造成了较大的影响，寻找合理的锚索防锈技术，可有效解决锚索破断问题。何炳银[6]指出锚索破断的原因主要为锚索的制造质量存在缺陷、锚索的工作方式不当、顶板离层或断裂使锚索产生剪切破坏，提出通过提高锚索的制造质量、增加锚索的让压性、适当延迟张紧锚索、适当释放顶岩层

内的弹性变形来解决锚索破断问题。马运香[7]分析了深部巷道锚索破断的原因，指出锚索破断的位置主要在锚索孔口处和顶板离层处，提出通过施工垂直岩面的锚索和增大锚索直径来解决锚索破断问题。公佩暖等[8]指出锚索破断主要是钢绞线各股钢筋受力不均造成各个击破，提出通过在锚索钢托板与大托板或钢托梁之间加木垫板、滞后安装锚索、合理布置锚索位置来解决锚索破断问题。高习海[9]指出复合顶板巷道支护中出现出现断锚索现象的主要原因是锚杆支护作用没有得到发挥，巷道顶板载荷由锚索承担，在冲击压力作用下锚索断裂。提出通过合理设计支护参数来解决锚索破断问题。贾进亚等[10]提出在断层附近通过增加锚杆锚索直径和长度，提高其预紧力，增加支护强度来解决锚杆锚索破断问题。

本文针对煤矿现场锚索破断的2种主要形式，通过实验室试验和现场巷道顶板煤岩层变形规律验证锚索破断的原因，并提出针对性解决措施。

1 现场锚索破断情况调查

通过对山西潞安、晋城等矿区现场大量调查发现，巷道锚杆（索）支护中锚索破断主要有2种形式：锁具附近锚索破断和锚索中部破断。典型破断形态如图1所示。

(a) 锁具附近锚索破断形态

(b) 锚索中部破断形态

图1 锚索破断基本形态

发生在锚索锁具附近的索体破断断口比较有规律，索体整体断裂面一般呈35～50°斜口，各股钢丝断裂斜口方向一致，一般呈脆性断裂，颈缩现象不明显，断口距索具内端面距离0～20mm；锚索中部破断一般各股钢丝破断长短不一，钢丝一般呈劈裂状，无明显颈缩现象，破断位置深浅不一，浅部破断锚索可弹射落地，深部破断锚索仅表现为回弹，锚索托板脱离岩面。

2 实验室试验

为验证锚索破断原因，在实验室进行了锚索的偏斜拉伸试验和常规拉伸试验。

2.1 锚索偏斜拉伸试验

煤矿井下锚索受斜拉破坏主要是由于锚索在安装时巷道表面不平、设计中存在倾斜布置的锚索或围岩变形造成围岩表面弯曲鼓出，造成锚索承载期间在锁具附近受斜拉破断，这种工况明显不同于桥梁和其他行业斜拉索和其它一般用途钢绞线。因此，根据煤矿支护现场实际，采用自行设计研发的矿用锚索偏斜拉伸试验台进行锚索偏斜拉伸试验，实验装置如图2。试验分别对目前较为常用的1×19S公称直径为21.80mm、1×7公称直径15.2mm和1×7公称直径17.8mm三种锚索进行了不同角度的偏斜拉伸试验。试验数据如表1-3所示。其中偏斜拉伸系数为锚索在试验机上常规拉伸载荷平均值与偏斜拉伸平均载荷的差值与常规拉伸载荷平均值的百分比。

锁具

L≥2000

厚壁钢管

锚索

斜垫板

油缸底座板

张拉油缸油缸顶板

负荷传感器

钢垫板锁具

图2 矿用锚索偏斜拉伸试验台

从表1-3中可以看出，偏斜拉伸时随着偏斜角度的不断增大，锚索的破断载荷呈逐渐降低趋势。1×7股钢绞线当偏斜角度大于15°时，锚索的破断载荷急剧下降，出现明显的拐点；1×19股钢绞线在偏斜角度大于20°时，出现明显的拐点，但破断载荷与1×7股钢绞线相比下降幅度不太明显。3种锚索偏斜拉伸系数如图3所示。因此，煤矿锚索在使用过程中1×7股钢绞线应尽量保证角度不大于15°，1×19股锚索应尽量保证角度不大于20°。

偏斜拉伸锚索破断断口形状如图4。该试验断口形状和煤矿井下锁具附近锚索破断形态完全一致，充分验证了煤矿井下锚索此种破断形式完全是由锚索工作过程中和岩面角度过大造成的拉-弯-剪