張小宇

（陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500）

合理的支護是保證井下巷道穩(wěn)定和安全生產的前提。支護可分為被動支護和主動支護，主動支護以錨桿（索）支護為主。錨桿（索）的支護效果取決于支護構件的壽命，錨桿（索）的支護失效，一部分由托盤變形引起。托盤變形后，錨桿（索）預應力無法有效施加，導致其錨固力下降，嚴重時甚至引起錨桿（索）桿件的脫離。普通方形托盤變形損害是由于其與螺母接觸處易產生應力集中，四周產生嚴重翹曲變形。因此，需尋求一種合理的托盤結構對巷道支護構件中的方形托盤進行優(yōu)化。

1 工程背景

（1）工程概況

40302 運輸巷道位于40302 工作面，工作面主采4#煤，煤層埋深約為770～790 m，煤層厚17～35 m。巷道北側為40304 工作面，南側為40210 工作面，西側為中央2#回風大巷，東側緊鄰井田東翼開拓大巷保護煤柱。巷道長2 200.6 m，沿煤層中部掘進，由于煤層起伏變化較大，部分巷道為巖巷或半煤巖巷。巖巷斷面為直墻半圓拱型，凈寬5500 mm，凈高3950 mm；煤巷斷面為矩形，凈寬5500 mm，凈高3500 mm。

40302 膠帶順槽采用錨網索+W 型鋼帶+槽鋼聯(lián)合支護，巖巷段采用錨網索支護。巷道支護參數(shù)見表1。

表1 40302 運輸巷支護參數(shù)

（2）工程問題

40302 工作面埋深較大，巷道絕大部分頂板為煤層，高地應力作用下頂板較破碎。其次，在回采過程中，特厚煤層將造成工作面前方20 m 范圍內的巷道應力集中系數(shù)顯著增加。2021 年7 月，巷道掘進過程中，發(fā)現(xiàn)掘進頭后方托盤嚴重變形脫落，嚴重時頂板錨桿（索）桿體脫落，巷道支護失效。

2 巷道托盤支護受力分析

錨桿（索）網聯(lián)合支護是井巷工程中常見的支護方式，而托盤是影響其錨固效果的重要構件。觀察40302 運輸巷發(fā)現(xiàn)在巷道掘進過程中，錨桿（索）支護結構中托盤先于其他支護結構產生變形破壞，進而引發(fā)支護設備的其他構件隨之變形，最終造成支護失效[1-2]。因此，需要對托盤支護受力進行分析，并提出相應的優(yōu)化方案。

（1）方形托盤受力分析

在組合安裝錨桿（索）時，對螺母施加扭矩使托盤對錨桿提供預緊力，以實現(xiàn)巷道圍巖主動支護[3]。如圖1 所示，錨桿（索）預緊力施加于方型托盤平面，導致應力集中分布于托盤中心孔周圍。

圖1 方形托盤受力狀態(tài)圖

由圖1 可知，假設托盤中心處預緊力為F，當托盤作用于煤巖壁時，將對托盤產生反作用力。根據(jù)力的平衡條件F=F'，作用力F與作用點之間的距離為L，反作用力F'與作用點之間的距離為L'。由圖1（b）可知，因方形托盤應力集中于托盤中心孔區(qū)域，L'＞L，預緊力F產生的力矩FL＞反作用力產生的力矩F'L'。在方形托盤的四周邊緣部分扭矩較大，導致此區(qū)域托盤易產生翹曲變形。此外，托盤孔口與錨桿接合處孔口較小，應力集中達到一定程度時，易造成托盤中心孔口撕裂。因此為了避免托盤產生翹曲變形，需要減少托盤四周邊緣的扭矩。

（2）球形托盤受力分析

球形托盤作為一種新型托盤，其結構能有效防止應力集中導致托盤邊緣的翹曲變形，其原理可通過力學分析解釋。圖2 為球形托盤受力狀態(tài)圖。

圖2 球形托盤受力狀態(tài)圖

如圖2（b）所示，在作用力和反作用力不改變的前提下，空心半球殼的特殊結構使作用力作用于O 點，轉移了受力位置，增大了作用力與作用點之間的力臂，進而增加了作用力力矩。同時，由于反作用力的力臂減少，反作用力的力矩隨之減少。因此球形托盤平面部分的邊緣區(qū)域扭矩較小，不容易產生翹曲變形，同時緩解了集中應力對孔口處的撕裂作用。因此，球形托盤結構能有效提高托盤的承載能力，保證錨桿（索）的錨固效果。

球形托盤搭配使用球形墊片，球形墊片的球面結構與球形托盤孔口相適應，增大了受力面積，錨桿錨索承載力得到了提升。另外，球形墊片還具有很好的調心作用，在受到偏載作用時，能夠及時調節(jié)錨桿的受力方向，有效避免桿體損壞[4]。

3 工程應用

通過上述分析發(fā)現(xiàn)：球形托盤特殊的球形結構緩解了孔口處的應力集中，減少了托盤平面部分邊緣的扭矩，減少了此處產生翹曲變形的風險[5]。因此，40302 運輸巷在支護過程中應選用高強球形錨索托盤，并配套使用球形墊片。

3.1 支護優(yōu)化方案

40302 運輸巷采用高強球形托盤替換原方形托盤。其中頂部支護錨桿托盤的規(guī)格尺寸由原先的100 mm×100 mm×10 mm 替換為150 mm×150 mm×12 mm，錨索托盤的規(guī)格尺寸由原先的120 mm×120 mm×10 mm 替 換 為200 mm×200 mm×15 mm。幫部支護錨桿托盤的規(guī)格尺寸由原先的100 mm×100 mm×10 mm 替換為150 mm×150 mm×12 mm，錨索托盤的規(guī)格尺寸由原先的120 mm×120 mm×10 mm 替 換 為150 mm×150 mm×12 mm。

3.2 優(yōu)化應用效果

為準確驗證球形托盤在巷道支護優(yōu)化的合理性，從球形托盤的損壞情況和錨桿（索）的承載性能兩方面檢測高強球形托盤在巷道支護中的應用效果[5]。

（1）在采用了球形托盤支護的40302 運輸順槽段，每間隔200 m 隨機抽取5 個錨桿（索）托盤觀察其損壞情況?，F(xiàn)場調研結果顯示，更換為球形托盤后，隨機抽取的45 個托盤中，僅有2 個托盤存在脫落情況，且托盤并未變形，可能存在工人操作失誤。托盤的損壞率為4.4%，較優(yōu)化前的方形托盤大面積損壞情況，優(yōu)化后得到明顯改善。

（2）為進一步驗證球形托盤對支護效果的優(yōu)化性能，在采用了球形托盤支護的40302 運輸巷中，選取1000～1800 m 段進行錨桿（索）破壞性現(xiàn)場拉拔試驗，每隔200 m，隨機抽取托盤未產生破壞的3 根錨桿和2 根錨索，通過LDZ-400 型礦用錨桿拉拔儀對錨桿的錨固力進行測試?，F(xiàn)場測試結果表明，12 根錨桿的錨固力均超過80 kN，8 根錨索的錨固力均達到260 kN，滿足巷道支護強度要求。說明高強度球形托盤對于提高錨桿（索）的支護性能有明顯的促進作用。

4 結論

（1）方形托盤由于孔口處的應力集中，易在托盤邊緣處產生翹曲變形。

（2）相比普通方形托盤，球形托盤的結構能降低托盤邊緣處的扭矩，減緩托盤邊緣處的翹曲變形。

（3）采用高強球形托盤優(yōu)化支護后，40302 運輸巷托盤破壞情況得到明顯改善，且支護性能明顯提高。