錨桿預應力與煤礦巷道支護效果的關系

＊付松濤

（陽煤集團一礦 山西 045000）

隨著我國煤礦開采工作的不斷加強，越來越多的問題也開始逐漸體現出來，尤其是煤礦巷道的支護問題始終是困擾相關人員的重要問題之一，如何提高煤礦巷道的支護效果就成為首要分析目標。近些年來，我國的煤礦開采深度也正在逐漸加深，目前為止開采深度已經達到了1500m，在如此深的位置進行開采其工作難度也是可想而知的，時常會發生煤與瓦斯突出等動態現象。其次，我國大部分地區都屬于軟巖破碎采區，通常體現為開采區巖層強度差、結構松散等現象。最后，隨著煤礦生產規模的增加，開采設備體積也相對較大、重型化要求的巷道斷面也逐漸加大。

1.錨桿支護模式的工作原理

(1)錨桿支護作用模式

根據相關資料而言，國內外許多學者均提出果錨桿支護理論，根據其作用原理可以將其分為三種支護模式：①被動懸架破壞或潛在破壞范圍的煤巖體；②在錨固區形成梁、層、拱、殼等物理結構；③完善錨固區圍巖力學性能與應力情況，尤其是在完善圍巖屈服后的受力表現。

最先提出的支護模式便是利用模式①通過將錨桿支護和圍巖進行分離，將損壞的圍巖視為載體的一種。這種支護模式的工作原理與以往的支架工作原理并沒有本質上的區別，區別便是支架的受力點是在巷道處，而模式①的受力點是在較為穩定的巖層處。懸架理論只是充分了完善了錨桿的抗拉效果，并沒有考慮到其抗剪效果。而模式②則是通過將錨桿和圍巖的有效結合，不再將圍巖單純的視為載荷，而是一種承載體。利用錨桿的作用，在錨固區形成受力結構，有效利用圍巖自身的承受能力，模式②完善了模式①中沒有考慮到抗剪作用的缺點，同時加強了錨固體的整體強度。而模式③則是將錨固體視為高強度復合材料的一種，在圍巖中完成錨桿安裝后，不僅可以在不同程度的加強圍巖的力學性能，同時還可以利用錨桿在巷道表面起到相應的約束力，以此來完善圍巖的受力情況[1]。

(2)預應力錨桿支護原理

現階段，主要是通過兩種方式來形容錨桿支護能力的指標：第一種是通過強度，也就是所謂的抗損壞性能，其中包含了抗拉能力、抗剪能力等。第二種便是剛度，也就是所謂的防形變能力。螺栓剛度與螺栓橫截面面積和彈性模量成正比，與螺栓長度成反比。錨固剛度還會受到錨桿的安裝時間以及錨固方式等因素的影響。錨桿的安裝與預應力成正比。此外，與頂部錨固相比而言，全長錨固具備了更好的剛度。以往，人們對錨桿支護強度的研究也相對較多。例如：對于相對繁瑣、難度較大的巷道，通常選用增加錨桿體自身強度進行支護。然而，此種方法并不適用，主要是因為此種方法會無視支護剛度的必要性[2]。

2.錨桿支護錨桿支護施工與監測

(1)錨桿支護施工設備與工藝

錨固支撐施工機械和工具包含了錨固鉆機、鉆頭和鉆桿、錨固預應力設備和電纜安裝設備等。其中，錨固鉆機為主要施工設備，鑿巖機是一種最初利用螺栓進行鉆孔工具。由于早期并沒有專用的螺栓安裝工具，螺栓的安裝比較復雜，也影響了施工質量。20世紀80年代，我國從西方發達國家引入了氣動頂單板螺栓鉆機，并通過研究實現國產[3]。此外，多臺機組還研制出了一系列單頂液壓錨鉆。此后，兩種頂板單錨桿鉆機也逐漸得到了有效落實。而對于煤側螺栓施工而言，很長時間都是運用煤電鉆進行施工，但煤電鉆其施工效率低下且安裝工作較為困難，為了有效加強煤側螺栓施工速度和質量，我國又研制出了氣動以及液壓錨栓鉆機，有效解決了煤栓鉆孔和安裝錨栓井的問題?，F階段，我國的單錨桿鉆機及其配套工具已經得到了有效完善，可以滿足地下錨桿施工的需要。除單錨桿鉆機外，國內還開展了針對掘進機用機載錨桿鉆機的研究與試驗，并取得了相應的作用[4]。

(2)錨桿支護礦壓監測

錨桿支護巷道礦壓監測內容主要包括圍巖位移、采動應力、支護體受力與變形，其中圍巖位移分為巷道表面位移、頂板離層、圍巖深部位移；財動應力分為煤柱應力、支撐壓力；圍巖深部位移分為錨桿受力變形、錨索受力變形、其他構件受力變形。在通過相應的設備通過對應的監測方法進行監測。隨著我國科技的不斷發展，我國科研人員已經研制了各種類型的頂板分離指示器和多點位移儀，以此來對監測錨固區內外深層圍巖的位移，同時對于錨桿以及錨索的受力情況也可以通過錨桿或是錨索測力儀器進行監測，在完成上述的研發后，還開發出了針對可以進行大面積無損傷監測儀。另外，還開發出了一種性能較為先進的巷道礦壓綜合在線監測系統。在對于井下收集數據傳輸上，有效落實了及時對礦壓監測以及數據傳輸分析。在運用井下監測數據評價錨桿支護效果和巷道安全性方面做了大量的工作。提出了移距邊界值、錨桿和錨索應力等反饋指標，對巷道穩定性分析和初步設計的修改起到了積極的作用[5]。

3.錨桿支護應用

錨桿支護技術因其使用壽命長并且不會受到開采巷道和硐室的影響可以從平穩煤層、較平穩煤層，到不平穩煤層；從巖石圍繞巷道到破碎巖石圍繞巷道等，包括了中國多種形式的巷道。同時每一種類型巷道都具備其獨特優勢，錨桿支護是巷道支護中常見的支護方式之一。預應力錨桿可以使頂板在規定的關鍵層內形成組合梁，防止錨固區內的頂板離層，起到穩定巷道頂部圍巖的作用。預應力的大小對錨桿支護效果影響很大[6]。錨桿支護是巷道支護中的重要組成部分，錨桿能夠將頂板利用關鍵層創建組合梁，減少錨固區內出現頂板離層現象，為巷道頂部圍巖的穩定性提供有效保障。此外，錨桿的支護效果非常容易受到預應力的影響，尤其在大跨度等高應力巷道支護中?，F階段，我國巷道錨桿支護技術逐漸成熟，錨桿支護技術的不斷應用，有效提升煤礦開拓效率，也使支護效果得到提升，減少生產系統的運作壓力，為煤礦業的安全性及可靠性提供保障。

4.相關數值模擬分析

針對不同預應力條件下所產生的應力場擴散情況的模擬，主要會應用flac進行模擬，在此基礎上，對錨桿預應力與煤礦巷道支護效果的關系進行研究。通過這種方式，可以更加直觀的體現出二者之間存在的關系，有助于提升錨桿支護的效果，并且能夠對錨桿支護技術的改善起到重要的參考作用。在錨桿支護的過程中，圍巖在錨桿預應力的作用下會產生壓應力區域，并且其壓應力區域會不斷疊加，同時應力場的范圍也會隨之擴大，應力的強度越來越大。這種情況下，能夠使巷道圍巖始終處于受壓的狀態下，進而促進巷道圍巖承載力的提升，保障巷道的穩定性以及煤礦生產的安全性。通過相關的試驗可以證明在圍巖壓力為0時，則其殘余強度也更加接近為0，與此同時，在圍巖壓力增加到9MPa時，其殘余強度也會隨著提升至9MPa左右。通過這一試驗可以證明殘余強度會受圍巖壓力的影響，二者呈正比例關系，并且殘余強度對圍巖的強度變化十分敏感。而在錨桿支護過程中，即便錨桿所生成的應力場較小，但是也會促進圍巖殘余強度的提升，同時也促進了圍巖承載能力的提升，這充分證明了錨桿支護的效果比較理想。而采用預應力錨桿支護的方式，則能進一步提升支護抗力，促進圍巖承載能力的提升。在預應力錨桿的作用下，可以促使巷道圍巖參數降低，這對于解決圍巖的受力問題以及圍巖的壓力問題等具有十分重要的意義。除此之外，這種方式還有助于促進頂板預應力的承載能力。通過預應力支護，能夠促使頂板巖層處于橫向壓縮的狀態，這樣一來，便可以避免高水平應力對巷道周圍巖體產生的影響，起到了有效的保護作用，同時也促使錨固區的載荷能夠實現平穩傳遞，避免了對圍巖造成的負面影響。

由于錨桿的圍巖條件差異，所以預應力錨桿試驗結果和實際情況必然也會存在一定差異，為了減少這種差異，在實踐應用中應該更加注重對不同的圍巖條件下修正系數的選擇和取值區間作出相應的調整，與此同時，也需要對錨桿的預緊扭矩及其在軸向上的預應力進行相應的調整。通過對錨桿進行預應力支護試驗，我們能夠認識到錨桿的預應力和巷道變形量之間呈反比例的關系，因此通過采用錨桿的預應力支護技術，能夠有效地控制圍巖變形，更好地保障了圍巖穩定。在確保巷道安全支護的基礎上，并非一定必須采用架棚式支護方法進行巷道安全支護，完全可以應用錨桿支護來替代架棚支護，并且錨桿支護也能完全保證巷道掘進的各方面要求，能夠確保相關工作的安全性。同時，加強對錨桿支護的應用還有助于減少工作量和降低成本。

5.結束語

綜上所述，我國在20世紀50年代初開始應用錨桿支護技術，經過多年的科研人員不斷的開發研究，已經取得了不小的成果。雖然我國煤礦巷道錨桿支護技術已經取得的不小的成果，但是因為煤礦巷道的特殊條件以及其自身的復雜性與多變性依舊還需要不斷的研究。