預應力錨桿在巷道支護中的應用

郭 剛

（山西華實礦山設備有限公司， 山西 太原 030024）

引言

巷道支護質量直接決定工作面巷道生產的安全性。目前，工作面最普遍的支護方式為錨桿+錨索聯合支護方式，而錨桿支護處于被動狀態，表現為錨桿的長度短、直徑小、支護強度小的問題。實際生產中，為了增加巷道的支護效果通過增加錨桿密度，此舉在一定程度上增加了巷道支護的成本[1]。為此，提出將預應力錨桿應用于巷道的支護中的方案。

1 工程概況

本文以山西華實礦31303 工作面為載體，該工作面巷道的頂底板情況如表1 所示：

表1 31303 工作面頂頂情況

經現場監測，可將31303 工作面巷道圍巖的穩定性分為四類，其對應的位置及其安全系數如表2所示。

2 預應力錨桿作用機理研究

綜采工作面的采掘打破了工作面圍巖原先的平衡狀態，使得巷道的應力狀態發生變化，從平衡的三向應力變為雙向應力或單向應力，從而使得工作面巷道承受圍巖載荷的能力變小。故，為保證工作面的安全生產，需對其進行支護設計[2]。經實踐表明，目前應用于工作面支護錨桿的間距一般在0.7～1 m 之間，而且當巷道發生離層現象時，錨桿所分擔的力很小。

表2 31303 工作面圍巖穩定性分類

因此，為提升錨桿支護的可靠性在錨桿上施加一定的力以提高錨桿支護的效果。預應力錨桿提升巷道支護質量的作用機理主要體現如下：

1）預應力錨桿能夠及時向巷道圍巖表面提供足夠的支護抗力，進而限制巷道圍巖的變形；

2）基于預應力錨桿支護在巷道頂底板以及兩幫表面形成組合梁合或者組合拱以達到加固巷道圍巖的目的；

3）基于預應力錨桿能夠達到改善巷道圍巖力學參數、改善圍巖體的受力狀態和應力場的目的。

4）預應力錨桿將圍巖與錨桿形成一個整體的承載結構，降低巷道圍巖和錨桿失效的概率。

普通錨桿支護和預應力錨桿支護下支護效果的對比如下頁圖1 所示。

普通錨桿支護下，圍巖開裂到一定程度時錨桿支護才發揮作用，前期的支護力僅由圍巖的支撐力提供；而在預應力錨桿支護下，巷道支護力始終為圍巖、錨桿、網以及噴層的支護總和[3]。因此，預應力錨桿支護效果明顯優于普通錨桿支護。

3 預應力錨桿支護的應用

結合31303 工作面的頂底板情況和預應力錨桿支護的優勢，該工作面采用預應力錨桿支護驗證錨桿支護的效果。

圖1 支護效果對比

3.1 錨桿支護參數的確定

3.1.1 錨桿長度的確定

錨桿支護長度主要由錨桿的外露長度、錨桿的有效長度以及錨桿的錨固長度決定。其中，錨桿的有效長度由圍巖穩定性的等級所決定；錨桿的外露長度一般取0.1 m，錨固長度一般取0.5 m。

因此，根據工作面圍巖的穩定性等級所確定錨桿總長度參數如下：1 圍巖錨桿總長度為1.8 m；2 號圍巖錨桿總長度為4 m；3 號圍巖錨桿總長度為5 m；4 號圍巖錨桿總長度為5 m。

3.1.2 錨桿直徑的確定

錨桿直徑的計算公式如式（1）所示：

式中：K 為不同圍巖穩定性下的安全系數，取2；L2為錨桿的有效長度，取2 m；α1為錨桿的間距，取1 m；α2為錨桿的排距，取1 m；γ 為巷道不穩定圍巖的平均重力密度，取25 kN/m3；σ 為錨桿桿體的抗拉強度，經查閱資料可知，樹脂錨桿桿體的抗拉強度為400 MPa，螺旋鋼錨桿的抗拉強度為350 MPa[4]。

將數值代入公式可得：采用樹脂錨桿支護時對應錨桿直徑的理論值為17.8 MPa，將其圓整為16 mm 或18 mm；采用螺旋缸錨桿直徑的理論值為19.1 mm，將其圓整為20 mm。

綜上所述，針對31303 工作面不同等級圍巖穩定性，所確定的支護參數如下：

1 號穩定圍巖：錨桿長度為1.8 m；錨桿類型為樹脂錨桿，錨桿直徑為16 mm，對應錨桿間排距均為1 m，每排錨桿的數量為4 根。

2 號中等穩定圍巖：錨桿長度為4 m；錨桿類型為左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿直徑為20 mm，對應錨桿間排距均為1 m，每排錨桿的數量為2 根。

3 號不穩定圍巖：錨桿長度為5 m；錨桿類型為左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿直徑為20 mm，對應錨桿間排距均為1 m，每排錨桿的數量為2 根。

4 號中等穩定圍巖：錨桿長度為5 m；錨桿類型為左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿直徑為20 mm，對應錨桿間排距均為1 m，每排錨桿的數量為3 根。

3.2 錨桿預應力值的確定

經理論分析可知，對于穩定圍巖和中等穩定而言，對應支護效果最佳的錨桿預應力取值范圍為0.02～0.1 MPa；對于不穩定圍巖和極不穩定圍巖而言，對應支護效果最佳的錨桿應力取值范圍為0.05～0.15 MPa[5]。

因此，結合31303 工作面頂底板情況設定穩定圍巖（1 號）所采用錨桿支護的預應力值為0.055 7 MPa；中等穩定圍巖（2 號）所采用錨桿的預應力值為0.0621MPa；不穩定圍巖（3 號）所采用錨桿支護的預應力值為0.115 MPa；中等穩定圍巖（2 號）所采用錨桿的預應力值為0.121 MPa。

31303 工作面預應力錨桿的安裝效果如圖2所示：

圖2 31303 工作面錨桿安裝效果圖

4 結語

1）預應力錨桿可在當圍巖開裂初期發揮其支護作用；而普通錨桿只有當圍巖開裂到一定程度后才能發揮支護作用。

2）以山西華實礦31303 工作面為研究載體，根據其頂底板情況對其圍巖穩定性的等級進行劃分，并根據不同穩定性的圍巖確定對應的錨桿直徑、長度、類型以及預應力值。將穩定圍巖和中等穩定的預應力值確定在0.05～0.1 MPa 之間；將不穩定圍巖和極不穩定圍巖的預應力確定在0.1～0.15 MPa。