剪切式錨桿錨索測力計在大斷面煤巷支護的研究

馬來斌

0 引言

隨著煤礦錨桿支護理論的不斷發展和完善，錨桿錨索在煤礦巷道的支護工程中得到了廣泛應用。在服務于回采工作面的順槽中，煤層開采后，在超前支撐壓力的作用下，從工作面沿巷道走向礦壓呈先增大后減小最后逐步恢復到原始狀態。與此同時，作用在錨桿錨索上的軸力也與礦壓分布規律有著密切的關系。尤其是在大斷面煤巷中，礦壓顯現程度更為強烈，錨桿錨索時常出現被拉斷的情況。如何確定錨桿錨索軸力與工作面回采之間的關系，對巷道支護的穩定性、安全性進行監測，提前采取預防措施，避免因錨桿錨索斷裂而引起巷道片幫、冒頂等損失和災害，一直是研究的重點。

塔山礦是年產1 500 萬t 煤的特大型礦井之一，其中5105 巷位于3～5#煤層一盤區8105 工作面，寬5.5 m，高3.9 m，斷面面積21.45 m2，斷面大，礦壓顯現強烈。以該巷為研究對象，采用剪切式錨桿錨索測力計對巷道支護所用錨桿錨索軸力進行監測，研究其與回采工作面距離之間的關系，評價回采過程中巷道支護的安全性，為煤礦安全生產提供技術基礎。

1 錨桿錨索測力計的選取

根據傳感器的類型不同，常用錨桿錨索軸力監測設備可分為電阻應變式、振弦式、液壓枕式等[1]。其中液壓枕式測力計為機械式壓力傳感器，利用油壓表顯示不同壓力值的變化。該類測力計精度小、人工讀數誤差較大；此外，液壓表的保護裝置多為玻璃鏡片，在煤礦生產過程中易被破壞。振弦式傳感器總鋼弦作為磁通路的一部分，隨著鋼弦的振動，磁通在同步變化，同時引起傳感器線圈的電流產生變化，受結構影響較大，適應頻帶比較窄，制作的錨桿錨索測力計量程較小。現在常用的電阻應變式錨桿錨索測力計的結構基本是拉壓式，抗彎矩、抗橫向力能力差，力作用點的變化會引起輸出靈敏度的變化；此外，彈性應變片受拉時橫截面面積減少，而受壓時橫截面面積則增大，因此輸出值與受力值不是線性關系，不適合錨索錨桿軸力變化的監測。

為了得到更為準確的結果，本文選用剪切式錨桿錨索測力計[2]。該類測力計在電阻應變式錨桿錨索測力計的基礎上對應變片的布置方式進行改變而來，主要由剛體、電阻應變片組成（見圖1），其電阻應變敏感片安裝在彈性元件上剪應變最大處的主應變方向，避免了拉壓式測力計受力后傳感器斷面變化的問題，輸出精度比拉壓式傳感器更高。

圖1 剪切式錨索錨桿測力計結構

2 錨桿錨索軸力實測分析

考慮到各種因素，決定在5105 巷靠近工作面一端地質環境較好、生產活動干擾較小的地段安裝測站，在5105 回風兼輔運順槽2250 和2360 里程處分別設立了第一、第二兩個觀測站，監測錨桿錨索軸力與距回采工作面之間的距離的關系（見圖2）。選用北京天地科技有限公司開采所研制的GYS-300 和GYS-500 型剪切式錨桿(索)測力計量測各測站中錨桿和錨索的軸力大小。這兩種型號的測力計都采用橋式剛體結構，量程分別為300 kN 和500 kN，精度都為0.5%，其實際安裝見圖3。

圖2 各測站錨桿錨索測力計布置

圖3 GYS-300（500）型錨桿(索)測力計安裝示意

由于第二綜合測站在回采過程中遭到很大程度的破壞，故支護構件軸力量測以第一綜合測站為主，實測結果見圖4～圖11。

圖4 左幫1#錨桿受力量測曲線

圖5 右幫1#錨桿受力量測曲線

圖6 拱頂2#錨桿受力量測曲線

圖7 拱頂3#錨桿受力量測曲線

圖8 拱頂4#錨桿受力量測曲線

圖9 拱頂1#錨索受力量測曲線

圖10 拱頂2#錨索受力量測曲線

圖11 拱頂3#錨索受力量測曲線

由圖4～圖11 可知：

（1）沿工作面走向支護構件尾部軸力變化規律在回采期間也可以分為3 個階段。

①無采動影響階段：此階段位于距離回采工作面115 m 范圍之外巷道。該段巷道錨桿錨索尾部軸力保持穩定，幾乎不受采動的影響。

②采動影響階段：在工作面前方約50 m～115 m范圍內，巷道受到工作面超前支撐壓力作用和老頂來壓的影響，錨桿、錨索尾部軸力出現較大波動。

③采動影響劇烈階段：隨著工作面的推進，距工作面50 m 范圍內，巷道受到回采動壓的強烈影響，錨桿、錨索尾部軸力變化劇烈。尤其是左幫1#錨桿，一天之內錨桿尾部軸力從43.77 kN 增大到237.61 kN，增幅將近6 倍。

（2）回采對兩幫的影響不相同。從左幫1#錨桿或靠近左幫的拱頂2#錨桿、拱頂1#錨索與相應的右幫1#錨桿或靠近右幫的拱頂4#錨桿、拱頂3#錨索尾部實測受力結果與距回采工作面距離的關系曲線來看，前者左部3 個支護構件的波動幅度明顯大于后者右部的3 個支護構件。分析其原因，主要是由于：

①左幫位于正在回采的8105 工作面煤體中，離工作面較近，受到工作面采煤機械的振動較大。

②由于8105 工作面開采厚度達到15 m，頂板來壓非常頻繁，來壓時頂板大多數都是在靠近工作面中部的位置斷裂，故對與之較近的左幫影響程度更大。

（3）錨索抵抗回采影響的能力大于錨桿。從圖6～圖11 可以看出，由于錨桿較短，變形能力差，主要支護巷道表層圍巖形成的支護體系較小；而錨索的長度是錨桿的3.5 倍，自身的延性較強，遇到強壓時的讓壓[3]能力遠大于錨桿，致使在采動影響階段和影響劇烈階段，錨桿尾部的應力波動幅度幾乎都比錨索強烈。

（4）沿工作面走向，錨桿錨索尾部軸力分布規律與超前支撐壓力的分布規律相同。在距工作面75 m以內的范圍內，隨著支撐壓力的不斷增加，錨桿錨索的尾部軸力緩慢增大，當距工作面的距離小于24 m后，錨桿錨索尾部軸力又逐漸減小，這一規律與支撐壓力的分布規律相符。

（5）右部錨桿錨索尾部軸力比左部錨桿錨索大出很多。由于右幫是已采8104 工作面的保護性煤柱，在8104 工作面左側支撐壓力和5105 回風兼輔助運輸順槽開掘時產生的新應力集中的雙重作用下，使得5105 回風兼輔助運輸順槽右幫（拱頂右肩）的應力遠大于左幫（拱頂左肩）的應力，進而使右部錨桿錨索尾部軸力比左部錨桿錨索大出很多。

3 結語

錨桿受力特性的監測是評價支護效果、對支護方案進行動態調整的重要依據，本文以同煤集團塔山煤礦5105 巷為研究對象，研究了剪切式錨桿錨索測力計在實測錨桿錨索軸力中的表現效果。實踐表明：剪切式錨桿錨索測力計安裝使用方便，受外界采動影響小，測試結果精度高。在具體數據方面：隨著回采工作面的臨近，采動對錨桿錨索軸力的影響存在無影響、采動影響和采動影響劇烈3 個階段，但最大軸力始終在安全范圍之內，監測結果與現場表現一致，為煤礦的安全生產提供了保證。

[1]鞠文君，蔡嘉芳，丁輝.地下開采現代技術理論與實踐[M].北京：煤炭工業出版社，2002.

[2]吳志剛，鞠文君 .新型錨索錨桿測力計的研制與應用[J].煤炭科學技術，2007，35（11）：36-38.

[3]何炳銀，張士環，尹建國.高地壓巷道錨索讓壓支護技術的探討[J].煤炭工程，2005（9）：22-25.