李久云

（長(zhǎng)治市煤礦安全儀器儀表檢測(cè)中心， 山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

煤礦巷道支護(hù)經(jīng)歷了木支護(hù)、砌碹支護(hù)、型鋼支護(hù)、錨桿支護(hù)到錨索支護(hù)的發(fā)展過程[1]。錨索具有錨固深度大、承載能力高、可施加較大預(yù)應(yīng)力的特點(diǎn)，能夠獲得比較理想的支護(hù)效果[2]。錨索支護(hù)技術(shù)在土木加固工程中應(yīng)用十分廣泛，目前在煤礦巷道中的應(yīng)用也越來越普遍。實(shí)踐表明，在破碎、復(fù)合頂板巷道，高地應(yīng)力和受采動(dòng)影響的巷道，放頂煤開采的煤頂巷道，以及大斷面巷道和交叉點(diǎn)等應(yīng)用錨索，具有良好的支護(hù)效果[3-4]，再配合錨桿支護(hù)，可顯著拓寬錨桿支護(hù)的支護(hù)范圍，保證巷道的安全狀況。

1 錨索支護(hù)的發(fā)展過程

早在1890年的北威爾士煤礦加固工程中就開始使用鋼筋加固巖層的辦法，1911年美國(guó)弗里登斯煤礦在巷道中首先使用了錨桿支護(hù)技術(shù)，1918年美國(guó)西利西安煤礦首先使用了錨索支護(hù)技術(shù)[5]。此后，錨固技術(shù)的應(yīng)用范圍開始迅速擴(kuò)大。1978年，英國(guó)人TonyBarley在鋼絞線的一端安裝上錨具，在另一端用樹脂密封作為承壓錨固段，隨后將3根這樣的單元體按照一定的間距分散連接到一根2 m長(zhǎng)的鋼管上，然后對(duì)鋼管施加拉力。實(shí)驗(yàn)證明，這種方式可以充分地將載荷分散傳遞給樹脂密封段并使支護(hù)更加牢固。1988年，壓力分散型錨索技術(shù)首次應(yīng)用在英國(guó)南安普敦的黏土地層中，錨索承載力高達(dá)1337kN[6]。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的錨索技術(shù)發(fā)展起步較晚，20世紀(jì)90年代錨索支護(hù)技術(shù)才開始在國(guó)內(nèi)應(yīng)用[7]。1997年煤炭科學(xué)研究總院北京建井研究院和北京開采研究所成功研制了小孔徑錨索支護(hù)技術(shù)，從此錨索支護(hù)技術(shù)在國(guó)內(nèi)開始廣泛應(yīng)用。

2 錨索支護(hù)原理

2.1 自承拱

如圖1所示，錨索固定好之后，鎖具的集中應(yīng)力以45°壓力分布傳遞到支護(hù)結(jié)構(gòu)體上，在預(yù)應(yīng)力的作用下，破碎的巖體形成壓力拱圈，有效提高了巖體的承載能力，使圍巖更加穩(wěn)定。

圖1 自承拱作用示意圖

2.2 組合梁

組合梁是指錨索穿過層狀巖層時(shí)，由于預(yù)緊力使層狀巖層的層面之間壓力變大，進(jìn)而增大其摩擦力，提高了圍巖整體性，使巖層之間不易分離和產(chǎn)生位移，巖層的抗彎強(qiáng)度增大。其中當(dāng)錨索與巖層成垂直狀態(tài)時(shí)組合梁效果最好。

2.3 懸吊

懸吊作用是指不穩(wěn)定的巖石塊在錨索的作用下與穩(wěn)定的巖體相連，防止其產(chǎn)生位移而造成冒落危險(xiǎn)。

3 錨索支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 錨索的結(jié)構(gòu)

如下頁(yè)圖2所示，錨索主要由毛齒、擋箍、鋼絞線、墊板和錨具等組成。

1）毛齒是由螺栓或點(diǎn)焊方式固定在鋼絞線上起打爛和攪拌樹脂卷作用的小齒，同樣也起到使鋼絞線局中定位的作用。毛齒沿鋼絞線固定，一般相鄰間距為 200～300 mm。

2）擋箍是固定在鋼絞線上的直徑小于孔徑的柱形橡膠或塑料，其主要作用是在攪拌樹脂和推送鋼絞線的過程中使膠狀樹脂不向外流出。

3）鋼絞線是錨索結(jié)構(gòu)的主體，由多根較細(xì)的鋼絲組成，其長(zhǎng)度根據(jù)孔深的不同而不同，一般比孔的深度長(zhǎng)0.5 m即可，總長(zhǎng)通常為5～8 m。

4）墊板和錨具是安裝在錨索端部的最終受力部件，墊板一般由槽鋼和錨桿盤組成。

圖2 錨索結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 錨索支護(hù)參數(shù)

錨索支護(hù)應(yīng)按照懸吊作用進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以保證錨索能夠承載潛在冒落的巖層質(zhì)量。

1）巷道單位長(zhǎng)度內(nèi)潛在冒落巖層的質(zhì)量：

式中：FZ為巷道單位長(zhǎng)度內(nèi)潛在冒落巖層的質(zhì)量，t/m；B為巷道寬度，m；Kd為頂板巖性系數(shù)；f為頂板硬性系數(shù)；γ1為頂板煤巖容量，t/m3。

2）單根錨索可承擔(dān)的冒落長(zhǎng)度：

式中：hs為單根錨索可承擔(dān)的冒落長(zhǎng)度，m；As為鋼絞線截面積，mm2；ηs為錨具的效率系數(shù)，一般取0.9～0.95；Ptk為錨索強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，MPa。

3）錨固長(zhǎng)度：

式中：La為理論錨固長(zhǎng)度，mm；Ka為安全系數(shù)；Φs為鋼絞線直徑，mm；fcs為錨固劑的設(shè)計(jì)黏結(jié)強(qiáng)度，t/m2；Ls為實(shí)際錨固長(zhǎng)度，mm；Φ1為樹脂直徑，mm；lj為樹脂長(zhǎng)度，mm。

4）錨索總長(zhǎng)度：

式中：L為錨索總長(zhǎng)度，mm；Kb為整體安全系數(shù)；n為每排錨索數(shù)量；Lw為錨索外露的長(zhǎng)度，mm。

4 錨索安裝工藝流程

錨索安裝的工藝流程如圖3所示。

1）定位是指控制鉆孔機(jī)構(gòu)到需要鉆孔的位置，以確保錨索裝置的實(shí)際安裝與設(shè)計(jì)一致。

2）鉆孔時(shí)，按照設(shè)計(jì)的孔的位置，用錨桿鉆孔機(jī)鉆出預(yù)設(shè)深度和角度的孔，其中45°角以下的孔在鉆完時(shí)需要進(jìn)行吹掃處理。

3）向孔內(nèi)放入樹脂卷，不同凝固速度的樹脂卷按照順序送入（如圖4所示），采用套筒自鎖裝置進(jìn)行樹脂卷的送放。

圖4 錨索安裝示意圖

4）錨索安裝如圖4所示，緩慢推動(dòng)錨索，使錨索頂住樹脂卷達(dá)到孔底。

5）將錨索尾部固定在錨桿鉆機(jī)上，一人扶穩(wěn)錨索，一人開動(dòng)鉆機(jī)，剛開始攪拌要慢，之后逐漸提高攪拌速度，整個(gè)過程要控制在20～30 s之間；其中攪拌推進(jìn)的過程中不能有停頓，攪拌完成后需要穩(wěn)住錨索不動(dòng)等待30 s左右的時(shí)間，以保證錨固劑的初凝，然后拆除攪拌系統(tǒng)。

6）攪拌完成后，一般需要等待30 min以使錨固劑充分凝固，若條件允許可加長(zhǎng)等待時(shí)間。

7）如圖5所示，將張拉機(jī)具與錨索安裝連接好，緩慢加壓對(duì)錨索進(jìn)行張拉，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)的應(yīng)力值時(shí)停止加壓，搬動(dòng)換向閥，使油缸回缸，使錨具鎖緊，取下張拉機(jī)具，到此，張拉完成。

8）錨索張拉完成后需要對(duì)多余的錨索進(jìn)行切除，利用專用的錨索切斷器與手動(dòng)油泵想配合進(jìn)行錨索切斷作業(yè)。安裝好的錨索如圖6所示。

圖5 錨索張拉示意圖

圖6 安裝好的錨索結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

1）錨索支護(hù)具有施工速度快、承載高、對(duì)圍巖適應(yīng)性強(qiáng)、工程質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)；錨索支護(hù)應(yīng)根據(jù)巷道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，并嚴(yán)格依照錨索安裝工藝流程進(jìn)行安裝。

2）錨索支護(hù)易于和錨桿、金屬網(wǎng)等支護(hù)方式相配合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，這對(duì)于降低支護(hù)成本，增加效益，提高支護(hù)可靠性具有重要意義。

[1]康紅普.煤礦預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].煤礦開采，2011（3）：25-30；131.

[2]康紅普，林健，吳擁政.全斷面高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)技術(shù)及其在動(dòng)壓巷道中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009，34（9）：1153-1159.

[3]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

[4]王金華.我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的新發(fā)展[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（2）：113-118.

[5]楊為民.錨固體應(yīng)力分布規(guī)律和錨桿承載力的計(jì)算研究[D].洛陽(yáng)：河南科技大學(xué)，2008.

[6]郭建龍.高應(yīng)力條件下錨桿+錨索在巷道支護(hù)技術(shù)中的應(yīng)用及研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2017，32（2）：16-17；20.

[7]白海波.煤礦巷道錨桿錨索共同支護(hù)技術(shù)研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2016，31（11）：53-55.