徐惠超

（山西焦煤汾西礦業(yè)水峪煤礦， 山西 呂梁 032300）

1 工程概況

61116工作面西北距旺家垣村470m（村莊保安煤柱），東距賀南溝430m。該工作面北為61114工作面，南為61118工作面，東為7003工作面，西鄰六采區(qū)大巷。本工作面在太原組10號(hào)、11號(hào)煤層下分層中掘進(jìn)，煤層平均厚度7.77m，平均傾角5°，由于傾角小于8°，屬于近水平煤層。巷道直接頂為泥巖，厚度為0.8m，其特征為性脆易碎、節(jié)理發(fā)育；巷道老底為砂質(zhì)頁(yè)巖，厚度為4.5m，其性質(zhì)為灰白色、較硬。設(shè)計(jì)巷道斷面形狀為矩形，參數(shù)為4.5m×3.0m。61116材料巷采用鋼帶、錨桿、錨索、菱形網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。頂板錨桿的參數(shù)為Φ22-M24-2 400左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，間距為800mm，每排的距離為1 000mm，扭矩大小210 N·m，錨固力大小100 kN。頂板上鋼帶的參數(shù)為4 200mm×275mm×3mm。而鋼帶兩端的兩根頂錨桿為角錨桿，呈75°傾角，其余的錨桿都與頂板相互垂直放置，并以矩形形狀進(jìn)行安置。頂板錨桿的安裝是通過(guò)鋼帶與托盤一起實(shí)現(xiàn)的。幫錨桿的參數(shù)為Φ16×1 800mm，材料及形狀為圓鋼形狀的錨桿，兩幫每排各施三根錨桿，錨桿的相互距離為900mm，每排間的相互距離1 000mm，其中最上排錨桿距頂板500mm，均垂直巷幫，并以矩形進(jìn)行安置，扭矩的大小值150 N·m，錨固力的大小值50 kN[1-3]。錨桿通過(guò)300mm×275mm×3mm的鋼帶和托盤相互作用實(shí)現(xiàn)安裝。錨索的參數(shù)為Φ21.6mm×5000mm。沿巷道挖掘的方向上每間隔2m安放一組，一組3根，第一排分別布置在距巷道兩幫各1.5m處，第二排布置在巷道中心線處，間距2.0m。錨索的預(yù)緊力要求140 kN，均垂直頂板布置。

2 頂錨索斷裂原因分析

目前，工作面錨索斷裂主要發(fā)生在相鄰工作面的回采過(guò)程中，破斷區(qū)域位于61116材料巷510～610m處，錨索發(fā)生剪切斷裂，其中具體的斷裂情況為：45°傾角斷裂，斷口較光滑；0°傾角斷裂，斷口不平整；斷裂位置分布在距尾端1.0～1.5m處。

2.1 頂板層間距小使錨索承載能力差

根據(jù)太沙基理論可知，冒落拱高度的計(jì)算結(jié)果為5.7m，如果在頂板上方的5.7m處不加支撐保護(hù)，就有可能發(fā)生冒落；由于巷道位于9號(hào)煤采空區(qū)下，在510～610m下的頂板層間距為5.3～6.1m，平均值為5.6m，層間距的值較小，其承載能力差，巷道冒落后極易溝通上覆9號(hào)煤采空區(qū)[4-5]。

2.2 受物理因數(shù)的影響頂板巖層離層遭到破壞

510～610m范圍內(nèi)的直接底是厚度1.6m的鋁質(zhì)泥巖，性質(zhì)軟、遇水膨脹。由于鋁質(zhì)泥巖比較軟弱，從而會(huì)降低頂板巖層的整體彈性模量，容易受地應(yīng)力的影響，頂板巖層的彈性能量很容易堆積起來(lái)，且隨著時(shí)間的流逝，彈性能量堆積值越來(lái)越大，但巷道底板主要是砂質(zhì)頁(yè)巖，厚度為4.5m，硬度較大，難以發(fā)生底鼓而釋放能量，此時(shí)由于兩個(gè)相鄰的開(kāi)采面之間壓力的存在，便會(huì)使堆積起來(lái)的彈性能得到釋放，從而使頂板巖層離層和破壞，最終導(dǎo)致錨索損壞。

2.3 錨桿支護(hù)作用得不到充分發(fā)揮使錨索承受頂板巖層的大部分壓力

頂錨桿大多是采取與頂板垂直且呈矩形的方式布置，由于巷道冒落拱高度5.7m，再加上泥巖的軟弱性質(zhì)，造成頂錨桿的錨固力差，支護(hù)系統(tǒng)中組合梁的作用得不到充分發(fā)揮（頂錨桿的作用僅僅是淺表層的銷釘懸吊），所以，全體支護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵作用僅僅是錨索的懸掛作用，錨索承受了頂板巖層的大部分壓力，很容易斷裂。

2.4 受周圍環(huán)境的影響錨索強(qiáng)度降低

由于巷道的標(biāo)高不高，所以510～610m的范圍為積水區(qū)，導(dǎo)致頂板有積水的存在，而積水的存在首先造成巷道頂板的強(qiáng)度下降、整體的穩(wěn)定性能下降，然后使得頂錨索在較長(zhǎng)的時(shí)間下受到積水的侵蝕，使得錨索出現(xiàn)生銹的情況，從而導(dǎo)致鋼絞線的強(qiáng)度下降，最終的影響是造成錨索強(qiáng)度小于設(shè)計(jì)承載力，進(jìn)而導(dǎo)致支護(hù)的效果變差；另外，10號(hào)、11號(hào)煤層中含有較高的硫及其他危害化學(xué)元素，硫、硫酸及由硫衍生出的其他化合物會(huì)腐蝕錨索表面，造成錨索表面產(chǎn)生微小裂紋，從而使得錨索強(qiáng)度降低，支護(hù)效果變差。

2.5 受頂板活動(dòng)及壓力的影響錨索受到衍生剪切力和頂板巖層壓力的作用

層面附近會(huì)因巷道頂板下沉而發(fā)生位移與形變。由于壓力的作用，故當(dāng)61116材料巷的錨索力小于頂板的重力時(shí)，頂板巖層內(nèi)將發(fā)生離層或斷裂。頂板巖層在動(dòng)壓力的反復(fù)作用下將發(fā)生彎曲轉(zhuǎn)動(dòng)、層間錯(cuò)動(dòng)，從而產(chǎn)生剪切力。此時(shí)，錨索受到了兩種力的影響，即頂板巖層發(fā)生離層或斷裂時(shí)產(chǎn)生的壓力以及衍生出來(lái)的剪切力。而錨索之所以會(huì)發(fā)生斷裂，最主要的原因就是受到衍生剪切力的作用，還有一部分原因是頂板巖層的壓力。

3 控制措施

1）增加錨索的設(shè)計(jì)預(yù)緊力，增大頂板巖層之間的壓力，增加頂板巖層之間的摩擦系數(shù)，通過(guò)充分發(fā)揮組合梁的作用，發(fā)揮巖體自承能力，降低頂板巖層之間的錯(cuò)動(dòng)程度，避免錨索因剪切力而發(fā)生斷裂。

2）當(dāng)在近水平煤層使用錨索進(jìn)行支護(hù)時(shí)，應(yīng)盡量使錨索與頂板的角度為90°；當(dāng)煤層的平均傾角過(guò)大時(shí)或受到掘進(jìn)變坡施工的限制時(shí)，若錨索不可能與頂板布置成90°，應(yīng)盡量保證角度小于15°。

3）加強(qiáng)掘進(jìn)工作面的頂板管理，如遇到頂板破碎，主動(dòng)支護(hù)困難時(shí)，及時(shí)使用被動(dòng)支護(hù)控制頂板。依照錨索巷道頂板巖性的探測(cè)結(jié)果，對(duì)支護(hù)參數(shù)不斷修正，保證錨固端能夠充分伸入到穩(wěn)定巖層的深部。加大對(duì)頂板離層管理的力度，每隔50m安裝一組頂板離層指示儀，安排專人負(fù)責(zé)每天觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)整改。當(dāng)發(fā)生錨索托盤變形而錨桿托盤不變形的情況時(shí)，說(shuō)明錨桿對(duì)離層點(diǎn)已經(jīng)不發(fā)生作用，但錨索仍在發(fā)揮作用，此時(shí)應(yīng)該通過(guò)補(bǔ)設(shè)錨索或架棚來(lái)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。當(dāng)錨桿與錨索托盤都不發(fā)生變形而頂板有明顯下沉?xí)r，錨索對(duì)離層點(diǎn)的作用也不在范圍之內(nèi)，錨索對(duì)頂板下沉已不起作用，此時(shí)需要采取必要的加強(qiáng)支護(hù)措施[6-8]。

4）設(shè)置緩沖裝置，對(duì)動(dòng)壓力進(jìn)行補(bǔ)償。動(dòng)壓力是加速錨索斷裂的因素，要盡量避免或者對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。在動(dòng)壓力較大較強(qiáng)烈的范圍內(nèi)，設(shè)置動(dòng)壓力補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)壓力的卸荷或者減小動(dòng)壓力。還可安裝木板、橡膠、泡沫等可起緩沖作用的物質(zhì)。

4 結(jié)語(yǔ)

錨索斷裂發(fā)生的最主要原因就是受到衍生剪切力的作用，還有一部分原因是頂板巖層的壓力。為了減小錨索斷裂的幾率，可以在設(shè)計(jì)時(shí)提高錨索的設(shè)計(jì)預(yù)緊力，盡量將錨索與頂板垂直布置，以充分發(fā)揮錨索支護(hù)的組合作用。