錨桿預應力對巷道支護效果的影響

耿志飛

（西山煤電西曲礦生產技術科，山西 古交030200）

引言

工作面巷道的支護質量和效果直接決定綜采工作面生產的安全性和效率。針對煤礦不同的地質、水文以及煤層等條件，其對應的最佳支護方案不盡相同。近年來，預應力錨桿支護已經逐步應用于綜采工作面巷道的支護設計中，但是由于預應力錨桿支護設計方法單一、錨桿材料強度不高等因素導致預應力錨桿支護效果較差[1]。為此，本文著重開展預應力錨桿支護的相關理論和實踐研究，為其后續推廣應用奠定基礎。

1 預應力錨桿的支護機理研究

當煤礦工作面開采時，巷道的應力重新分布使得圍巖受力由之前的三向應力狀態變為二向應力狀態，進而導致工作面巷道的承載能力大大被削弱。根據工作面巷道的變形及圍巖破壞程度將工作面劃分為Ⅰ圍巖破壞區、Ⅱ塑性區、Ⅲ彈性區和Ⅳ原巖應力區。

預應力錨桿對工作面巷道圍巖控制作用主要體現為以下幾點：

1）預應力錨桿可為巷道圍巖表面提供足夠的支護抗力，進而可有效控制圍巖的有害變形；

2）預應力錨桿可加固巷道圍巖，保證巷道的破壞區與塑性區具有良好的整體效果，可形成具有較高承載能力的組合梁或者組合拱；

3）預應力錨桿可有效降低由于巷道開采所導致的圍巖強度降低，進而有效改善工作面巷道圍巖的力學參數，強化巷道圍巖的承載能力[2]。

4）預應力錨桿可改善巖體的受力狀態，繼而改善整個巷道圍巖的應力場；

5）預應力錨桿可改善巷道巖體的變形性能，與其他支護構架形成一個整體支護效果。

經理論試驗研究可知，不同規格錨桿且不同預緊扭矩對應的錨桿的預應力關系如圖1所示。

圖1 錨桿預應力與錨桿規格、預緊扭矩之間的關系

如圖1所示，隨著錨桿預緊扭矩的增加錨桿軸向預應力不斷增加，而且，在同一預緊扭矩的作用下，基本呈現錨桿直徑越大其對應的預應力值越大的趨勢[3]。

2 預應力錨桿的支護設計

2.1 工程概況

本文以某煤礦的1203運輸巷道為研究載體，對其預應力錨桿支護方案及其支護效果進行分析。1203運輸巷道煤層的平均厚度為2.4 m，煤層傾角范圍為20°～26°。1203運輸巷道的頂底板情況如表1所示。

表1 1203巷道頂底板情況

1203運輸巷道工作面在水平方向所受最大應力值為34.5 MPa，在垂直方向上所受最大應力值為30.48 MPa。總的來說，1203運輸巷道工作面屬于高應力巷道。

2.2 運輸巷道支護設計

1203運輸巷道的形狀為梯形結構，該斷面的寬度為3.7 m，高度為3 m；凈寬度為3.4 m，凈高度為2.6 m。針對1203工作面巷道的地質、煤層、水文等特征，工作面采用錨網+錨桿的組合支護方案。

2.2.1 錨桿支護參數

錨桿直徑為25 mm，錨桿長度為2.4 m，錨桿間排距為800 mm；其中，頂板錨桿的間距為900 mm，巷道上幫錨桿的間距為1 100 mm，巷道下幫錨桿的間距為800 mm。每排錨桿的數量為12根。為保證上述規格錨桿對巷道圍巖的控制效果，為其配置高強度錨桿螺母，并采用樹脂對錨桿進行加固[4]。

2.2.2 錨網支護參數

根據1203工作面頂板及兩幫的地質條件為其配置厚度為5 mm，寬度為280 mm的鋼帶，并根據實際情況選擇長度為3.8 m、3.5 m以及1.8 m的鋼帶；對兩幫所選型的網片規格如下：4.5 m×0.9 m、3.6 m×0.9 m、1.9 m×0.9 m。

3 不同預應力錨桿對巷道的支護效果對比

為驗證在上述基礎支護方案下不同預應力錨桿的支護效果，在實際支護操作中分別采用錨桿預緊扭矩為300 N·m和600 N·m進行施工，并對兩種預緊扭矩對應工作面巷道的礦壓進行監測，從而得到不同錨桿預應力對應的巷道支護效果。

經理論研究可知，當錨桿預緊扭矩為300 N·m時對應的錨桿預應力為50 kN；當錨桿預緊扭矩為600 N·m時對應錨桿的預應力為75～80 kN。本節著重對不同錨桿預應力下巷道表面的位移變化、頂板的離層量以及錨桿的應力情況進行對比。

3.1 不同預應力錨桿下巷道表面的位移變化

經現場觀測，巷道表面的位移變化通過巷道兩幫的移近量、兩幫移近速度、頂底板的移近量以及頂底板的移近速度進行反映，所得監測結果如表2所示。

表2 不同預應力錨桿對應的巷道表面位移變化

如表2所示，隨著錨桿預應力的增大，對應工作面巷道的兩幫和底板的移近量明顯降低，且與之相對應的移近速度也非常小。因此，適當增大錨桿預應力可對巷道表面圍巖進行有效控制[5]。

3.2 不同預應力錨桿下巷道頂板的離層量變化

將兩種預應力錨桿應用于巷道圍巖的支護方案中，并對其頂板的離層量變化情況進行為期60 d的觀測，得出如圖2所示的結果。

圖2 不同預應力錨桿對應的頂板離層量變化

如圖2所示，隨著工作面的不斷推進，工作面巷道頂板的離層量增大至一定值后趨于穩定；而且，隨著錨桿預緊扭矩的增加，巷道頂板離層趨于穩定所需時間縮短，當錨桿預緊扭矩為300 N·m時對應穩定時間為41 d，而當錨桿預緊扭矩為600 N·m時對應穩定時間為35 d；隨著錨桿預緊扭矩的增加巷道頂板的離層量明顯降低，當錨桿預緊扭矩為300 N·m時對應頂板離層量的平均值為57 mm，而當錨桿預緊扭矩為600 N·m時對應頂板離層量的平均值僅為4 mm。即說明，錨桿預緊力可對巷道頂板的離層量進行有效控制。

3.3 不同錨桿預應力下錨桿受力情況對比

不同錨桿預應力下錨桿的受力變化情況如表3所示。

表3 錨桿受力變化情況對比

如表3所示，隨著錨桿預應力的增加，將開采初期錨桿的受力與開采完畢后錨桿的受力情況進行對比，二者的差值明顯降低。即說明，錨桿預應力適當增加可保證錨桿的受力情況基本無變化。

4 結語

預應力錨桿為當前工作面巷道支護常采用的支護手段，為保證預應力錨桿在實際應用中的支護效果。本文開展了預應力錨桿的理論和實踐應用研究，具體總結如下：

1）不同預緊扭矩由于所應用工作面的不同，其對應預應力值不同；

2）隨著錨桿預應力值的增大，工作面巷道的表面圍巖、頂板離層量等均能夠得到有效控制，而且在施工期間錨桿的受力變化量很小。