靳 帥

(潞安集團司馬煤業有限公司，山西 長治 047100)

0 引言

煤礦巷道支護技術的發展為煤礦工程的安全性及穩固性提供了重要保障，巷道支護由最初的木支護發展到砌碹支護，而后又發展至型鋼和錨桿支護，其中錨桿支護為當前的新技術，錨桿支護中的預應力應用能夠降低支護成本和強化支護的安全性[1]。為此，其也成為業界關注的焦點。需要從預應力錨桿的支護原理，來探討其參數及支護效果，以期為煤礦開采的經濟性、安全性提供參考。

1 預應力錨桿支護的原理

1.1 錨桿支護功能分析

錨桿支護是常用的支護技術，同傳統的砌碹支護、木支護相比，錨桿支護會影響圍巖性質，對圍巖結構、強度及應力產生作用。錨桿支護可以將圍巖極限強度、彈性模量等力學指標大大提高[2]，從而改變了其力學特征，減少了屈服圍巖的變形力度，而錨桿給圍巖結構面的強度也會帶來極大影響，圍巖受到錨桿提供的切向力、軸向力后，會使其軸向及抗剪等承載力得到顯著提升，從而阻止圍巖結構面的滑移，保證圍巖完整。此外，圍巖還受到錨桿的特定壓力，這種壓力有利于改善圍巖的應力狀況，對圍巖受拉區域的拉應力起到抵消的作用，并利用增加其摩擦力等方法來強化圍巖受剪區域的抗剪承載力。

1.2 預應力在錨桿支護中的作用分析

預應力錨桿主要是利用對圍巖裂隙及變形的控制來實現的，以保障受固區域圍巖的完整性，使其受到的作用力下降，以確保錨固區承載力極限、剛度的提高[3]。將預應力注入錨桿中，可使支護效果大大提高，實際應用中，在每根錨桿中不斷地施加一定強度的預應力，添加托板等相關構件，幫助預應力擴散到圍巖，在此過程中，添加的構件能夠對錨桿的固定起到重要作用。同時，在錨桿支護系統中，其重要功能便是臨界支護的剛度作用，如果臨界支護剛度高于支護系統的剛度，則圍巖支護效果減弱，不利于其狀態的穩定，在荷載作用下，圍巖容易出現滑移、裂縫等問題。但錨桿支護并不能極有效地控制圍巖變形，如果圍巖出現滑移，其整體性的變形不能利用錨桿作用來改善，因此，在錨桿支護系統中，預應力必須有一定量的沖擊韌性，以確保圍巖釋放變形及防止錨桿被拉斷。

2 設計錨桿支護中的預應力參數

2.1 設計錨桿預應力參數

在錨桿支護中，預應力的參數直接關系到其支護效果，但設計預應力參數必須以降低圍巖承受的拉力作用和防止其明顯滑移為原則[4]。實踐顯示，預應力參數的合理性能夠控制圍巖變形的程度，使巷道的安全性增強。從國內外實踐經驗及數據來看，設計錨桿預應力應參照錨桿的屈服強度，取其30%～50%作為預應力，錨桿的直徑同錨桿屈服強度間的關系密切，錨桿直徑大，強度也大，隨著強度的增大，其對預應力的要求也相應的提高。

2.2 錨桿的力學參數

錨桿抗剪程度、屈服強度、延伸率及抗拉等強度是錨桿的主要力學參數，這些參數都同錨桿材料有關，如果錨桿材料強度高，在直徑相同的情況下，其所能承受的荷載也就越大；如果錨桿材料強度足夠，則其還應具備相應的沖擊韌性，以免錨桿發生脆斷現象。當然，錨桿材料的選擇應以強度大小為準，通常選用高強度錨桿來支護，以確保支護的效果。在錨桿支護速度方面，應選擇適當的支護密度來調整支護的速度，并保證該強度與所加預應力相匹配，使錨桿支護效果得到充分發揮。

2.3 錨桿直徑的控制

通常情況下，我國錨桿直徑為16.0～25.0 mm間，確定錨桿直徑需要考慮下列因素。

首先，同鉆孔直徑匹配，錨桿直徑和鉆孔直徑差應控制在6～10 mm間，鉆孔直徑與樹脂錨固劑直徑之差應控制在4～8 mm間。

其次，施加預應力與錨桿直徑的匹配，選擇錨桿直徑應充分考慮巷道圍巖狀況，依據所應施加預應力大小來確定錨桿的直徑。

2.4 確定錨桿長度

當前，我國煤礦巷道錨桿支護選用的錨桿長度為2 m左右，而確定錨桿長度應注意以下兩個方面。①錨固區承載結構應穩定，若錨桿的長度不足，或過短，且錨固區的厚度又太小，那么巷道頂板就難以保證其穩定性。如果錨桿的長度過長，則會影響其承載力，因此錨桿長度的選擇必須在合理的范圍內；②錨桿長度必須同錨桿直徑、錨桿強度及預應力等參數值相匹配。如果錨桿預應力不高，且直徑又小，那么其長度就不應過大，當其較大時，其預應力也應相應加大。

2.5 錨桿的錨固方法

錨固錨桿的方法主要有加長錨固、端部及全長等錨固方法，其中端部錨固時錨桿的預應力分布較為均勻，難以有效感知到變形區域的圍巖，為確保錨桿的支護效果，必須增加其預應力。在全長錨固法中，預應力的分布呈不均勻狀態，在圍巖滑動區域，錨桿的受力比較大，對圍巖的變形能夠敏銳地感知到。加長錨固是全長錨固、端部錨固特點的綜合，現已被廣泛應用。錨固方法的選擇，應充分考慮其預應力的作用效果，而端部錨固的效果相對較好，然而，端部錨固法的應用也有一定的限制，因此，選擇錨桿錨固方法應根據實際狀況進行選擇。

3 預應力錨桿支護的應用實踐

司馬井田現開采煤層為3#煤層，煤層頂、底板局部為砂巖或粉砂巖。煤層偽頂一般為不連續的泥巖或炭質泥巖，頂板巖土常為砂石泥巖、泥巖，部分是細粒砂石和粉砂巖。底板為砂質泥巖、泥巖，局部為砂巖或粉砂巖。司馬井田地形總體呈西南高，北低的趨勢，標高在931.07～993.33 m之間。

3.1 了解工程狀況和支護方案

采3#煤層，煤層平均厚度6.62 m，硬度f小于1，傾角3°～6°，局部最大為11°。礦井地質類型為中等，井田構造復雜程度由簡單偏向中等，底板局部有起伏變化，且存在陷落柱、斷層等小型構造。煤礦煤層埋深極大，巷道常在地面800 m左右處，且存在許多斷層，工作面內斷層間高差在5～23 m間，圍巖水平應力較大，從煤層頂板巖土質看，巷道頂板應采用復合型頂板，能夠敏感地感知到圍巖必行。在充分考慮施工條件及圍巖特征的情況下，選擇預應力錨桿支護為支護的方案。

3.2 計算錨桿長度

頂板錨桿長度L為：L=L1+L2+L3，其中,L1—外露的錨桿長度；L2—錨桿的有效長度；L3—端部錨固程度。

L1=鐵墊板厚(鐵托盤)+螺母厚+(20～30 mm)

其中:B—巷道寬度，k、m(取3～5)—安全系數；σt—巖層下位抗拉強度；σx—原始水平應力。

兩幫錨桿長度為：L=L1+L2+L3

錨固力計算公式

Q=N+P0

其中：P0—圍巖變形中錨桿受到的作用力。

計算錨桿直徑：依據鋼筋砼相關規范，預應力值應是其屈服應力的65%～75%間，所有錨桿直徑計算公式為

其中：k—0.65～0.75；σr—鋼材屈服極限。

4 支護效果分析

為分析各支護方案的支護效果，對預應力參數進行優化，在不同區段的巷道內，分別采用普通錨桿、錨桿預應力等方案來支護，以檢測巷道的變形狀況。結果如圖1所示。

由圖1可知，用普通錨桿支護巷道兩幫的變形較大，巷道圍巖處于變形態勢中，而巷道頂板、底板的變形則不大。用預應力錨桿支護巷道底板、頂板、兩幫的變形都在一定的范圍內，且較為合理。所以，在巷道支護中，預應力錨桿支護的效果具有一定的優勢。

a-普通錨桿支護；b-預應力錨桿支護圖1 不同支護方案的比較

5 結語

煤礦巷道支護事關煤礦開采的安全性，煤礦巷道支護的方法較多，但預應力錨桿支護具有獨特的優勢。如果對預應力錨桿參數進行靈活調整，預應力大小、支護參數等應由巷道圍巖性質來確定，以便于進一步對其支護效果進行優化。許多理論分析、現場觀察和模擬實驗結果都表明，在支護效果方面，應力錨桿支護更具安全性和穩定性，但應注意其各類參數的選擇，利用不斷的調整來實現優化。