錨索支護(hù)在煤礦開(kāi)采中的應(yīng)用

李久云

（長(zhǎng)治市煤礦安全儀器儀表檢測(cè)中心， 山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

煤礦巷道支護(hù)經(jīng)歷了木支護(hù)、砌碹支護(hù)、型鋼支護(hù)、錨桿支護(hù)到錨索支護(hù)的發(fā)展過(guò)程[1]。錨索具有錨固深度大、承載能力高、可施加較大預(yù)應(yīng)力的特點(diǎn)，能夠獲得比較理想的支護(hù)效果[2]。錨索支護(hù)技術(shù)在土木加固工程中應(yīng)用十分廣泛，目前在煤礦巷道中的應(yīng)用也越來(lái)越普遍。實(shí)踐表明，在破碎、復(fù)合頂板巷道，高地應(yīng)力和受采動(dòng)影響的巷道，放頂煤開(kāi)采的煤頂巷道，以及大斷面巷道和交叉點(diǎn)等應(yīng)用錨索，具有良好的支護(hù)效果[3-4]，再配合錨桿支護(hù)，可顯著拓寬錨桿支護(hù)的支護(hù)范圍，保證巷道的安全狀況。

1 錨索支護(hù)的發(fā)展過(guò)程

早在1890年的北威爾士煤礦加固工程中就開(kāi)始使用鋼筋加固巖層的辦法，1911年美國(guó)弗里登斯煤礦在巷道中首先使用了錨桿支護(hù)技術(shù)，1918年美國(guó)西利西安煤礦首先使用了錨索支護(hù)技術(shù)[5]。此后，錨固技術(shù)的應(yīng)用范圍開(kāi)始迅速擴(kuò)大。1978年，英國(guó)人TonyBarley在鋼絞線的一端安裝上錨具，在另一端用樹(shù)脂密封作為承壓錨固段，隨后將3根這樣的單元體按照一定的間距分散連接到一根2 m長(zhǎng)的鋼管上，然后對(duì)鋼管施加拉力。實(shí)驗(yàn)證明，這種方式可以充分地將載荷分散傳遞給樹(shù)脂密封段并使支護(hù)更加牢固。1988年，壓力分散型錨索技術(shù)首次應(yīng)用在英國(guó)南安普敦的黏土地層中，錨索承載力高達(dá)1337kN[6]。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的錨索技術(shù)發(fā)展起步較晚，20世紀(jì)90年代錨索支護(hù)技術(shù)才開(kāi)始在國(guó)內(nèi)應(yīng)用[7]。1997年煤炭科學(xué)研究總院北京建井研究院和北京開(kāi)采研究所成功研制了小孔徑錨索支護(hù)技術(shù)，從此錨索支護(hù)技術(shù)在國(guó)內(nèi)開(kāi)始廣泛應(yīng)用。

2 錨索支護(hù)原理

2.1 自承拱

如圖1所示，錨索固定好之后，鎖具的集中應(yīng)力以45°壓力分布傳遞到支護(hù)結(jié)構(gòu)體上，在預(yù)應(yīng)力的作用下，破碎的巖體形成壓力拱圈，有效提高了巖體的承載能力，使圍巖更加穩(wěn)定。

圖1 自承拱作用示意圖

2.2 組合梁

組合梁是指錨索穿過(guò)層狀巖層時(shí)，由于預(yù)緊力使層狀巖層的層面之間壓力變大，進(jìn)而增大其摩擦力，提高了圍巖整體性，使巖層之間不易分離和產(chǎn)生位移，巖層的抗彎強(qiáng)度增大。其中當(dāng)錨索與巖層成垂直狀態(tài)時(shí)組合梁效果最好。

2.3 懸吊

懸吊作用是指不穩(wěn)定的巖石塊在錨索的作用下與穩(wěn)定的巖體相連，防止其產(chǎn)生位移而造成冒落危險(xiǎn)。

3 錨索支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 錨索的結(jié)構(gòu)

如下頁(yè)圖2所示，錨索主要由毛齒、擋箍、鋼絞線、墊板和錨具等組成。

1）毛齒是由螺栓或點(diǎn)焊方式固定在鋼絞線上起打爛和攪拌樹(shù)脂卷作用的小齒，同樣也起到使鋼絞線局中定位的作用。毛齒沿鋼絞線固定，一般相鄰間距為 200～300 mm。

2）擋箍是固定在鋼絞線上的直徑小于孔徑的柱形橡膠或塑料，其主要作用是在攪拌樹(shù)脂和推送鋼絞線的過(guò)程中使膠狀樹(shù)脂不向外流出。

3）鋼絞線是錨索結(jié)構(gòu)的主體，由多根較細(xì)的鋼絲組成，其長(zhǎng)度根據(jù)孔深的不同而不同，一般比孔的深度長(zhǎng)0.5 m即可，總長(zhǎng)通常為5～8 m。

4）墊板和錨具是安裝在錨索端部的最終受力部件，墊板一般由槽鋼和錨桿盤組成。

圖2 錨索結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 錨索支護(hù)參數(shù)

錨索支護(hù)應(yīng)按照懸吊作用進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以保證錨索能夠承載潛在冒落的巖層質(zhì)量。

1）巷道單位長(zhǎng)度內(nèi)潛在冒落巖層的質(zhì)量：

式中：FZ為巷道單位長(zhǎng)度內(nèi)潛在冒落巖層的質(zhì)量，t/m；B為巷道寬度，m；Kd為頂板巖性系數(shù)；f為頂板硬性系數(shù)；γ1為頂板煤巖容量，t/m3。

2）單根錨索可承擔(dān)的冒落長(zhǎng)度：

式中：hs為單根錨索可承擔(dān)的冒落長(zhǎng)度，m；As為鋼絞線截面積，mm2；ηs為錨具的效率系數(shù)，一般取0.9～0.95；Ptk為錨索強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，MPa。

3）錨固長(zhǎng)度：

式中：La為理論錨固長(zhǎng)度，mm；Ka為安全系數(shù)；Φs為鋼絞線直徑，mm；fcs為錨固劑的設(shè)計(jì)黏結(jié)強(qiáng)度，t/m2；Ls為實(shí)際錨固長(zhǎng)度，mm；Φ1為樹(shù)脂直徑，mm；lj為樹(shù)脂長(zhǎng)度，mm。

4）錨索總長(zhǎng)度：

式中：L為錨索總長(zhǎng)度，mm；Kb為整體安全系數(shù)；n為每排錨索數(shù)量；Lw為錨索外露的長(zhǎng)度，mm。

4 錨索安裝工藝流程

錨索安裝的工藝流程如圖3所示。

1）定位是指控制鉆孔機(jī)構(gòu)到需要鉆孔的位置，以確保錨索裝置的實(shí)際安裝與設(shè)計(jì)一致。

2）鉆孔時(shí)，按照設(shè)計(jì)的孔的位置，用錨桿鉆孔機(jī)鉆出預(yù)設(shè)深度和角度的孔，其中45°角以下的孔在鉆完時(shí)需要進(jìn)行吹掃處理。

3）向孔內(nèi)放入樹(shù)脂卷，不同凝固速度的樹(shù)脂卷按照順序送入（如圖4所示），采用套筒自鎖裝置進(jìn)行樹(shù)脂卷的送放。

圖4 錨索安裝示意圖

4）錨索安裝如圖4所示，緩慢推動(dòng)錨索，使錨索頂住樹(shù)脂卷達(dá)到孔底。

5）將錨索尾部固定在錨桿鉆機(jī)上，一人扶穩(wěn)錨索，一人開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)，剛開(kāi)始攪拌要慢，之后逐漸提高攪拌速度，整個(gè)過(guò)程要控制在20～30 s之間；其中攪拌推進(jìn)的過(guò)程中不能有停頓，攪拌完成后需要穩(wěn)住錨索不動(dòng)等待30 s左右的時(shí)間，以保證錨固劑的初凝，然后拆除攪拌系統(tǒng)。

6）攪拌完成后，一般需要等待30 min以使錨固劑充分凝固，若條件允許可加長(zhǎng)等待時(shí)間。

7）如圖5所示，將張拉機(jī)具與錨索安裝連接好，緩慢加壓對(duì)錨索進(jìn)行張拉，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)的應(yīng)力值時(shí)停止加壓，搬動(dòng)換向閥，使油缸回缸，使錨具鎖緊，取下張拉機(jī)具，到此，張拉完成。

8）錨索張拉完成后需要對(duì)多余的錨索進(jìn)行切除，利用專用的錨索切斷器與手動(dòng)油泵想配合進(jìn)行錨索切斷作業(yè)。安裝好的錨索如圖6所示。

圖5 錨索張拉示意圖

圖6 安裝好的錨索結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

1）錨索支護(hù)具有施工速度快、承載高、對(duì)圍巖適應(yīng)性強(qiáng)、工程質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)；錨索支護(hù)應(yīng)根據(jù)巷道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，并嚴(yán)格依照錨索安裝工藝流程進(jìn)行安裝。

2）錨索支護(hù)易于和錨桿、金屬網(wǎng)等支護(hù)方式相配合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，這對(duì)于降低支護(hù)成本，增加效益，提高支護(hù)可靠性具有重要意義。

[1]康紅普.煤礦預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].煤礦開(kāi)采，2011（3）：25-30；131.

[2]康紅普，林健，吳擁政.全斷面高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)技術(shù)及其在動(dòng)壓巷道中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009，34（9）：1153-1159.

[3]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

[4]王金華.我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的新發(fā)展[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（2）：113-118.

[5]楊為民.錨固體應(yīng)力分布規(guī)律和錨桿承載力的計(jì)算研究[D].洛陽(yáng)：河南科技大學(xué)，2008.

[6]郭建龍.高應(yīng)力條件下錨桿+錨索在巷道支護(hù)技術(shù)中的應(yīng)用及研究[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2017，32（2）：16-17；20.

[7]白海波.煤礦巷道錨桿錨索共同支護(hù)技術(shù)研究[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2016，31（11）：53-55.