黃小平

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

目前，錨桿(索)支護(hù)技術(shù)已經(jīng)在我國煤礦大量推廣，與傳統(tǒng)剛性支護(hù)技術(shù)相比，錨桿(索)能夠起到主動(dòng)、及時(shí)支護(hù)的作用，可以有效控制頂板的初期變形，同時(shí)，錨桿(索)支護(hù)允許一定的變形，能夠在后期起到讓壓支護(hù)的作用[1-2]。

隨著對錨桿(索)支護(hù)技術(shù)研究的深入，眾多學(xué)者認(rèn)識(shí)到預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵參數(shù)。朱浮生[3]的研究結(jié)果表明，當(dāng)錨桿預(yù)緊力達(dá)到60 kN以上時(shí)，控制圍巖變形效果較好。張農(nóng)等[4]指出施加錨桿預(yù)緊力能顯著減小巷道變形量?？导t普等[5]利用數(shù)值模擬方法研究了錨桿預(yù)緊力對巷道圍巖附加應(yīng)力場的影響，認(rèn)為較高的預(yù)緊力形成有效壓應(yīng)力范圍廣，能夠?qū)φ麄€(gè)頂板起到支護(hù)作用，使錨桿的主動(dòng)支護(hù)效果得到發(fā)揮。

由于預(yù)應(yīng)力對錨桿支護(hù)的重要影響，本文將從預(yù)應(yīng)力對圍巖的作用機(jī)理、提高預(yù)應(yīng)力的措施兩方面展開研究。

1 錨桿預(yù)應(yīng)力對提高支護(hù)效果的作用機(jī)理

1.1 錨桿預(yù)緊力對支護(hù)的影響

通過眾多學(xué)者的研究，總結(jié)錨桿預(yù)緊力對巷道支護(hù)的影響有以下3個(gè)方面[6]。

控制巷道初期變形：在巷道開挖初期，圍巖受到采動(dòng)影響將出現(xiàn)較大幅度的變形，此時(shí)施加較高的預(yù)緊力，可以有效地懸吊頂板，限制巷道圍巖的進(jìn)一步變形。

能夠提高圍巖的承載能力：提高預(yù)緊力以后能夠有效限制圍巖節(jié)理面的開裂、滑移，阻止塑性區(qū)的發(fā)展，從而提高圍巖的承載能力。

能夠提高最終支護(hù)強(qiáng)度：高預(yù)緊力錨桿在巷道圍巖變形以后，本體拉力迅速提高，接近錨桿所能承受最大拉力；同沒有施加預(yù)緊力的錨桿相比，預(yù)應(yīng)力錨桿最終支護(hù)強(qiáng)度普遍偏高，因此，提高的巷道的最終支護(hù)強(qiáng)度。

1.2 錨桿預(yù)緊力力學(xué)模型與分析

巷道開挖以后，會(huì)在其上方形成一個(gè)橢球型的松動(dòng)圈，若不及時(shí)支護(hù)，會(huì)形成冒落拱。錨桿支護(hù)能夠?qū)⑺蓜?dòng)的巖石錨固在上方堅(jiān)硬頂板上。為了起到有效的懸吊作用，錨桿的預(yù)緊力需要足夠大，如圖1所示[5]。

圖1 拱形巷道圍巖破壞機(jī)制

冒落拱高度計(jì)算：冒落拱的高度可以參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》,按式(1)進(jìn)行計(jì)算

h=0.45×2s-1w

(1)

式中：h—冒落拱高度；s—圍巖級(jí)別；w—寬度影響系數(shù)；w=1+i(B-5)；B—硐室寬度，m；i—每增加1 m時(shí)的圍巖壓力增減率，以B=5 m的圍巖垂直均布?jí)毫闇?zhǔn)。當(dāng)B<5 m時(shí)，取i=0.2；當(dāng)B>5 m時(shí)，取i=0.1。

錨桿預(yù)緊力計(jì)算：錨桿預(yù)緊力應(yīng)當(dāng)滿足式(2)

(2)

式中：a—錨桿間、排距，m；G—錨桿預(yù)緊力，kN/根；k—安全系數(shù)，一般取1.5～1.8(松散系數(shù))；h—有效長度；γ—巖體容重。

錨桿扭矩確定：錨桿螺母扭矩與錨桿預(yù)緊力的力學(xué)關(guān)系見式(3)

(3)

式中：P—錨桿預(yù)緊力,kN;M—施加的扭矩,N·m;D—錨桿的直徑,m;K—與錨桿螺紋的形式、接觸面、材料、導(dǎo)程、桿徑等有關(guān)的系數(shù)。在工程實(shí)踐中，常用的K值取值范圍見表1。

表1 常用K值取值范圍

由式(3)可知，錨桿預(yù)緊力與預(yù)緊扭矩成正相關(guān)關(guān)系。預(yù)緊扭矩越大，預(yù)緊力相應(yīng)也越大。根據(jù)《煤礦巷道斷面和交叉點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)范》，錨桿的預(yù)緊力需達(dá)到50 kN，計(jì)算可得預(yù)緊扭矩為200 kN以上。

1.3 提高錨桿預(yù)緊力的措施

施工時(shí)采用專用器械：例如采用大扭矩的錨桿鉆機(jī)、扭矩倍增器、扭矩扳手等。其中煤礦應(yīng)用最多為氣動(dòng)扭矩扳手，該扳手基本采用沖擊旋轉(zhuǎn)式。氣動(dòng)扳手可以產(chǎn)生較大的預(yù)緊扭矩，滿足絕大多數(shù)錨桿預(yù)緊力的設(shè)計(jì)要求。

合理選用錨固劑：錨桿與圍巖的粘結(jié)作用是通過錨固劑產(chǎn)生的，圍巖變形經(jīng)錨固劑傳遞給錨桿, 錨桿對圍巖的約束也是通過錨固劑傳遞的。因此，錨固劑的粘結(jié)力一定程度上決定著錨桿的支護(hù)阻力。目前，錨固劑根據(jù)凝固速度分為超快、快速、中速和慢速，一般情況下，孔底應(yīng)送入快速或者超快速的樹脂錨固劑，遠(yuǎn)離孔底處應(yīng)該使用中速錨固劑，以加快錨固劑凝結(jié)速度。錨固劑的用量需要根據(jù)錨桿支護(hù)阻力進(jìn)行計(jì)算，保證錨固力大于錨桿桿體的抗拉強(qiáng)度。

合理選擇三徑：由于預(yù)緊力和錨桿直徑成反比，直徑越小，相同扭矩下的預(yù)緊力就越大，因此，應(yīng)優(yōu)先選用小直徑錨桿。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意三徑配合，合理的三徑匹配關(guān)系可以保證樹脂藥卷的均勻混合,藥卷的成本合理,并降低鉆孔時(shí)間, 同時(shí)最主要的是可以保證合理的樹脂環(huán)形厚度，一般情況下樹脂環(huán)形厚度約為4～6 mm，用鉆頭直徑為27 mm(孔徑約為28 mm) , 錨桿直徑為18 mm或20 mm, 藥卷直徑為23 mm或25 mm。

提高錨桿螺母與桿體的裝配精度：提高裝配精度，可減小兩者之間的摩擦系數(shù)。這可以通過提高加工工藝水平，或者在錨桿螺紋部分適當(dāng)增加潤滑劑來實(shí)現(xiàn)[5]。

2 工程實(shí)踐

駱駝山煤礦首采采區(qū)采用集中上山布置，其中2號(hào)集中回風(fēng)上山為矩形，沿9#煤層底板掘進(jìn)，9#煤厚度平均為4.3 m，傾角平均約9°，埋深約210～400之間。9#煤頂?shù)装鍘r性為砂質(zhì)泥巖、中粗粒砂巖，巖石強(qiáng)度尚可，泥巖遇水膨脹性弱。

巷道斷面為矩形，凈寬4.0 m，凈高3.6 m；錨桿間排距為800 mm×800 mm，錨索間排距為2 m×2.4 m。該巷道錨桿支護(hù)方案如圖2所示。

圖2 2號(hào)集中回風(fēng)上山支護(hù)方案

錨桿直徑20 mm，長度2.5 m，托板規(guī)格150 mm×150 mm×8 mm；金屬網(wǎng)采用φ6 mm鋼筋焊接；每根錨桿采用1卷MSK23/35，2卷MSZ23/35型藥卷進(jìn)行錨固。

錨索采用φ17.8 mm的鋼絞線，錨索長7.3 m，每根錨索使用1卷MSK23/60，2卷MSZ23/60型樹脂藥卷。

按照式(1)、式(2)及式(3)進(jìn)行計(jì)算，確定錨桿預(yù)緊扭矩為250 N·m，采用風(fēng)動(dòng)扳手緊固；錨索預(yù)緊力不低于150 kN，使用張拉千斤頂進(jìn)行張拉。

巷道自掘進(jìn)之后的變形數(shù)據(jù)如圖3所示，從中可以看出，巷道變形量很小，符合使用要求。

圖3 巷道變形

3 結(jié)論

(1)錨桿支護(hù)的關(guān)鍵點(diǎn)是有較高的初始預(yù)緊力，初始預(yù)緊力越高，錨桿的主動(dòng)支護(hù)效果越強(qiáng)，可大大減小巷道的初始變形。

(2)預(yù)緊力的大小可根據(jù)理論公式與現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合來確定。

(3)提高預(yù)緊力可使用扭矩扳手，風(fēng)動(dòng)扳手，在螺母和球墊中增加尼龍墊圈，提供錨桿尾部螺紋的加工精度等方法來實(shí)現(xiàn)。

(4)合理的預(yù)緊力是實(shí)現(xiàn)錨桿主動(dòng)支護(hù)作用，同時(shí)也是減小初期圍巖變形的關(guān)鍵，在工程實(shí)踐和理論研究中，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)對錨桿預(yù)緊力的研究。