駱駝山煤礦預應力錨桿支護技術分析

黃小平

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

目前，錨桿(索)支護技術已經在我國煤礦大量推廣，與傳統剛性支護技術相比，錨桿(索)能夠起到主動、及時支護的作用，可以有效控制頂板的初期變形，同時，錨桿(索)支護允許一定的變形，能夠在后期起到讓壓支護的作用[1-2]。

隨著對錨桿(索)支護技術研究的深入，眾多學者認識到預應力是錨桿支護中的關鍵參數。朱浮生[3]的研究結果表明，當錨桿預緊力達到60 kN以上時，控制圍巖變形效果較好。張農等[4]指出施加錨桿預緊力能顯著減小巷道變形量。康紅普等[5]利用數值模擬方法研究了錨桿預緊力對巷道圍巖附加應力場的影響，認為較高的預緊力形成有效壓應力范圍廣，能夠對整個頂板起到支護作用，使錨桿的主動支護效果得到發揮。

由于預應力對錨桿支護的重要影響，本文將從預應力對圍巖的作用機理、提高預應力的措施兩方面展開研究。

1 錨桿預應力對提高支護效果的作用機理

1.1 錨桿預緊力對支護的影響

通過眾多學者的研究，總結錨桿預緊力對巷道支護的影響有以下3個方面[6]。

控制巷道初期變形：在巷道開挖初期，圍巖受到采動影響將出現較大幅度的變形，此時施加較高的預緊力，可以有效地懸吊頂板，限制巷道圍巖的進一步變形。

能夠提高圍巖的承載能力：提高預緊力以后能夠有效限制圍巖節理面的開裂、滑移，阻止塑性區的發展，從而提高圍巖的承載能力。

能夠提高最終支護強度：高預緊力錨桿在巷道圍巖變形以后，本體拉力迅速提高，接近錨桿所能承受最大拉力；同沒有施加預緊力的錨桿相比，預應力錨桿最終支護強度普遍偏高，因此，提高的巷道的最終支護強度。

1.2 錨桿預緊力力學模型與分析

巷道開挖以后，會在其上方形成一個橢球型的松動圈，若不及時支護，會形成冒落拱。錨桿支護能夠將松動的巖石錨固在上方堅硬頂板上。為了起到有效的懸吊作用，錨桿的預緊力需要足夠大，如圖1所示[5]。

圖1 拱形巷道圍巖破壞機制

冒落拱高度計算：冒落拱的高度可以參照《公路隧道設計規范》,按式(1)進行計算

h=0.45×2s-1w

(1)

式中：h—冒落拱高度；s—圍巖級別；w—寬度影響系數；w=1+i(B-5)；B—硐室寬度，m；i—每增加1 m時的圍巖壓力增減率，以B=5 m的圍巖垂直均布壓力為準。當B<5 m時，取i=0.2；當B>5 m時，取i=0.1。

錨桿預緊力計算：錨桿預緊力應當滿足式(2)

(2)

式中：a—錨桿間、排距，m；G—錨桿預緊力，kN/根；k—安全系數，一般取1.5～1.8(松散系數)；h—有效長度；γ—巖體容重。

錨桿扭矩確定：錨桿螺母扭矩與錨桿預緊力的力學關系見式(3)

(3)

式中：P—錨桿預緊力,kN;M—施加的扭矩,N·m;D—錨桿的直徑,m;K—與錨桿螺紋的形式、接觸面、材料、導程、桿徑等有關的系數。在工程實踐中，常用的K值取值范圍見表1。

表1 常用K值取值范圍

由式(3)可知，錨桿預緊力與預緊扭矩成正相關關系。預緊扭矩越大，預緊力相應也越大。根據《煤礦巷道斷面和交叉點設計規范》，錨桿的預緊力需達到50 kN，計算可得預緊扭矩為200 kN以上。

1.3 提高錨桿預緊力的措施

施工時采用專用器械：例如采用大扭矩的錨桿鉆機、扭矩倍增器、扭矩扳手等。其中煤礦應用最多為氣動扭矩扳手，該扳手基本采用沖擊旋轉式。氣動扳手可以產生較大的預緊扭矩，滿足絕大多數錨桿預緊力的設計要求。

合理選用錨固劑：錨桿與圍巖的粘結作用是通過錨固劑產生的，圍巖變形經錨固劑傳遞給錨桿, 錨桿對圍巖的約束也是通過錨固劑傳遞的。因此，錨固劑的粘結力一定程度上決定著錨桿的支護阻力。目前，錨固劑根據凝固速度分為超快、快速、中速和慢速，一般情況下，孔底應送入快速或者超快速的樹脂錨固劑，遠離孔底處應該使用中速錨固劑，以加快錨固劑凝結速度。錨固劑的用量需要根據錨桿支護阻力進行計算，保證錨固力大于錨桿桿體的抗拉強度。

合理選擇三徑：由于預緊力和錨桿直徑成反比，直徑越小，相同扭矩下的預緊力就越大，因此，應優先選用小直徑錨桿。同時，應當注意三徑配合，合理的三徑匹配關系可以保證樹脂藥卷的均勻混合,藥卷的成本合理,并降低鉆孔時間, 同時最主要的是可以保證合理的樹脂環形厚度，一般情況下樹脂環形厚度約為4～6 mm，用鉆頭直徑為27 mm(孔徑約為28 mm) , 錨桿直徑為18 mm或20 mm, 藥卷直徑為23 mm或25 mm。

提高錨桿螺母與桿體的裝配精度：提高裝配精度，可減小兩者之間的摩擦系數。這可以通過提高加工工藝水平，或者在錨桿螺紋部分適當增加潤滑劑來實現[5]。

2 工程實踐

駱駝山煤礦首采采區采用集中上山布置，其中2號集中回風上山為矩形，沿9#煤層底板掘進，9#煤厚度平均為4.3 m，傾角平均約9°，埋深約210～400之間。9#煤頂底板巖性為砂質泥巖、中粗粒砂巖，巖石強度尚可，泥巖遇水膨脹性弱。

巷道斷面為矩形，凈寬4.0 m，凈高3.6 m；錨桿間排距為800 mm×800 mm，錨索間排距為2 m×2.4 m。該巷道錨桿支護方案如圖2所示。

圖2 2號集中回風上山支護方案

錨桿直徑20 mm，長度2.5 m，托板規格150 mm×150 mm×8 mm；金屬網采用φ6 mm鋼筋焊接；每根錨桿采用1卷MSK23/35，2卷MSZ23/35型藥卷進行錨固。

錨索采用φ17.8 mm的鋼絞線，錨索長7.3 m，每根錨索使用1卷MSK23/60，2卷MSZ23/60型樹脂藥卷。

按照式(1)、式(2)及式(3)進行計算，確定錨桿預緊扭矩為250 N·m，采用風動扳手緊固；錨索預緊力不低于150 kN，使用張拉千斤頂進行張拉。

巷道自掘進之后的變形數據如圖3所示，從中可以看出，巷道變形量很小，符合使用要求。

圖3 巷道變形

3 結論

(1)錨桿支護的關鍵點是有較高的初始預緊力，初始預緊力越高，錨桿的主動支護效果越強，可大大減小巷道的初始變形。

(2)預緊力的大小可根據理論公式與現場經驗相結合來確定。

(3)提高預緊力可使用扭矩扳手，風動扳手，在螺母和球墊中增加尼龍墊圈，提供錨桿尾部螺紋的加工精度等方法來實現。

(4)合理的預緊力是實現錨桿主動支護作用，同時也是減小初期圍巖變形的關鍵，在工程實踐和理論研究中，應當進一步加強對錨桿預緊力的研究。