靳 帥

(潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100)

0 引言

煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展為煤礦工程的安全性及穩(wěn)固性提供了重要保障，巷道支護(hù)由最初的木支護(hù)發(fā)展到砌碹支護(hù)，而后又發(fā)展至型鋼和錨桿支護(hù)，其中錨桿支護(hù)為當(dāng)前的新技術(shù)，錨桿支護(hù)中的預(yù)應(yīng)力應(yīng)用能夠降低支護(hù)成本和強(qiáng)化支護(hù)的安全性[1]。為此，其也成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。需要從預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)原理，來(lái)探討其參數(shù)及支護(hù)效果，以期為煤礦開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)性、安全性提供參考。

1 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的原理

1.1 錨桿支護(hù)功能分析

錨桿支護(hù)是常用的支護(hù)技術(shù)，同傳統(tǒng)的砌碹支護(hù)、木支護(hù)相比，錨桿支護(hù)會(huì)影響圍巖性質(zhì)，對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及應(yīng)力產(chǎn)生作用。錨桿支護(hù)可以將圍巖極限強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)指標(biāo)大大提高[2]，從而改變了其力學(xué)特征，減少了屈服圍巖的變形力度，而錨桿給圍巖結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度也會(huì)帶來(lái)極大影響，圍巖受到錨桿提供的切向力、軸向力后，會(huì)使其軸向及抗剪等承載力得到顯著提升，從而阻止圍巖結(jié)構(gòu)面的滑移，保證圍巖完整。此外，圍巖還受到錨桿的特定壓力，這種壓力有利于改善圍巖的應(yīng)力狀況，對(duì)圍巖受拉區(qū)域的拉應(yīng)力起到抵消的作用，并利用增加其摩擦力等方法來(lái)強(qiáng)化圍巖受剪區(qū)域的抗剪承載力。

1.2 預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的作用分析

預(yù)應(yīng)力錨桿主要是利用對(duì)圍巖裂隙及變形的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以保障受固區(qū)域圍巖的完整性，使其受到的作用力下降，以確保錨固區(qū)承載力極限、剛度的提高[3]。將預(yù)應(yīng)力注入錨桿中，可使支護(hù)效果大大提高，實(shí)際應(yīng)用中，在每根錨桿中不斷地施加一定強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力，添加托板等相關(guān)構(gòu)件，幫助預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到圍巖，在此過(guò)程中，添加的構(gòu)件能夠?qū)﹀^桿的固定起到重要作用。同時(shí)，在錨桿支護(hù)系統(tǒng)中，其重要功能便是臨界支護(hù)的剛度作用，如果臨界支護(hù)剛度高于支護(hù)系統(tǒng)的剛度，則圍巖支護(hù)效果減弱，不利于其狀態(tài)的穩(wěn)定，在荷載作用下，圍巖容易出現(xiàn)滑移、裂縫等問(wèn)題。但錨桿支護(hù)并不能極有效地控制圍巖變形，如果圍巖出現(xiàn)滑移，其整體性的變形不能利用錨桿作用來(lái)改善，因此，在錨桿支護(hù)系統(tǒng)中，預(yù)應(yīng)力必須有一定量的沖擊韌性，以確保圍巖釋放變形及防止錨桿被拉斷。

2 設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)中的預(yù)應(yīng)力參數(shù)

2.1 設(shè)計(jì)錨桿預(yù)應(yīng)力參數(shù)

在錨桿支護(hù)中，預(yù)應(yīng)力的參數(shù)直接關(guān)系到其支護(hù)效果，但設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力參數(shù)必須以降低圍巖承受的拉力作用和防止其明顯滑移為原則[4]。實(shí)踐顯示，預(yù)應(yīng)力參數(shù)的合理性能夠控制圍巖變形的程度，使巷道的安全性增強(qiáng)。從國(guó)內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)來(lái)看，設(shè)計(jì)錨桿預(yù)應(yīng)力應(yīng)參照錨桿的屈服強(qiáng)度，取其30%～50%作為預(yù)應(yīng)力，錨桿的直徑同錨桿屈服強(qiáng)度間的關(guān)系密切，錨桿直徑大，強(qiáng)度也大，隨著強(qiáng)度的增大，其對(duì)預(yù)應(yīng)力的要求也相應(yīng)的提高。

2.2 錨桿的力學(xué)參數(shù)

錨桿抗剪程度、屈服強(qiáng)度、延伸率及抗拉等強(qiáng)度是錨桿的主要力學(xué)參數(shù)，這些參數(shù)都同錨桿材料有關(guān)，如果錨桿材料強(qiáng)度高，在直徑相同的情況下，其所能承受的荷載也就越大；如果錨桿材料強(qiáng)度足夠，則其還應(yīng)具備相應(yīng)的沖擊韌性，以免錨桿發(fā)生脆斷現(xiàn)象。當(dāng)然，錨桿材料的選擇應(yīng)以強(qiáng)度大小為準(zhǔn)，通常選用高強(qiáng)度錨桿來(lái)支護(hù)，以確保支護(hù)的效果。在錨桿支護(hù)速度方面，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)密度來(lái)調(diào)整支護(hù)的速度，并保證該強(qiáng)度與所加預(yù)應(yīng)力相匹配，使錨桿支護(hù)效果得到充分發(fā)揮。

2.3 錨桿直徑的控制

通常情況下，我國(guó)錨桿直徑為16.0～25.0 mm間，確定錨桿直徑需要考慮下列因素。

首先，同鉆孔直徑匹配，錨桿直徑和鉆孔直徑差應(yīng)控制在6～10 mm間，鉆孔直徑與樹(shù)脂錨固劑直徑之差應(yīng)控制在4～8 mm間。

其次，施加預(yù)應(yīng)力與錨桿直徑的匹配，選擇錨桿直徑應(yīng)充分考慮巷道圍巖狀況，依據(jù)所應(yīng)施加預(yù)應(yīng)力大小來(lái)確定錨桿的直徑。

2.4 確定錨桿長(zhǎng)度

當(dāng)前，我國(guó)煤礦巷道錨桿支護(hù)選用的錨桿長(zhǎng)度為2 m左右，而確定錨桿長(zhǎng)度應(yīng)注意以下兩個(gè)方面。①錨固區(qū)承載結(jié)構(gòu)應(yīng)穩(wěn)定，若錨桿的長(zhǎng)度不足，或過(guò)短，且錨固區(qū)的厚度又太小，那么巷道頂板就難以保證其穩(wěn)定性。如果錨桿的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)影響其承載力，因此錨桿長(zhǎng)度的選擇必須在合理的范圍內(nèi)；②錨桿長(zhǎng)度必須同錨桿直徑、錨桿強(qiáng)度及預(yù)應(yīng)力等參數(shù)值相匹配。如果錨桿預(yù)應(yīng)力不高，且直徑又小，那么其長(zhǎng)度就不應(yīng)過(guò)大，當(dāng)其較大時(shí)，其預(yù)應(yīng)力也應(yīng)相應(yīng)加大。

2.5 錨桿的錨固方法

錨固錨桿的方法主要有加長(zhǎng)錨固、端部及全長(zhǎng)等錨固方法，其中端部錨固時(shí)錨桿的預(yù)應(yīng)力分布較為均勻，難以有效感知到變形區(qū)域的圍巖，為確保錨桿的支護(hù)效果，必須增加其預(yù)應(yīng)力。在全長(zhǎng)錨固法中，預(yù)應(yīng)力的分布呈不均勻狀態(tài)，在圍巖滑動(dòng)區(qū)域，錨桿的受力比較大，對(duì)圍巖的變形能夠敏銳地感知到。加長(zhǎng)錨固是全長(zhǎng)錨固、端部錨固特點(diǎn)的綜合，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用。錨固方法的選擇，應(yīng)充分考慮其預(yù)應(yīng)力的作用效果，而端部錨固的效果相對(duì)較好，然而，端部錨固法的應(yīng)用也有一定的限制，因此，選擇錨桿錨固方法應(yīng)根據(jù)實(shí)際狀況進(jìn)行選擇。

3 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的應(yīng)用實(shí)踐

司馬井田現(xiàn)開(kāi)采煤層為3#煤層，煤層頂、底板局部為砂巖或粉砂巖。煤層偽頂一般為不連續(xù)的泥巖或炭質(zhì)泥巖，頂板巖土常為砂石泥巖、泥巖，部分是細(xì)粒砂石和粉砂巖。底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為砂巖或粉砂巖。司馬井田地形總體呈西南高，北低的趨勢(shì)，標(biāo)高在931.07～993.33 m之間。

3.1 了解工程狀況和支護(hù)方案

采3#煤層，煤層平均厚度6.62 m，硬度f(wàn)小于1，傾角3°～6°，局部最大為11°。礦井地質(zhì)類(lèi)型為中等，井田構(gòu)造復(fù)雜程度由簡(jiǎn)單偏向中等，底板局部有起伏變化，且存在陷落柱、斷層等小型構(gòu)造。煤礦煤層埋深極大，巷道常在地面800 m左右處，且存在許多斷層，工作面內(nèi)斷層間高差在5～23 m間，圍巖水平應(yīng)力較大，從煤層頂板巖土質(zhì)看，巷道頂板應(yīng)采用復(fù)合型頂板，能夠敏感地感知到圍巖必行。在充分考慮施工條件及圍巖特征的情況下，選擇預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)為支護(hù)的方案。

3.2 計(jì)算錨桿長(zhǎng)度

頂板錨桿長(zhǎng)度L為：L=L1+L2+L3，其中,L1—外露的錨桿長(zhǎng)度；L2—錨桿的有效長(zhǎng)度；L3—端部錨固程度。

L1=鐵墊板厚(鐵托盤(pán))+螺母厚+(20～30 mm)

其中:B—巷道寬度，k、m(取3～5)—安全系數(shù)；σt—巖層下位抗拉強(qiáng)度；σx—原始水平應(yīng)力。

兩幫錨桿長(zhǎng)度為：L=L1+L2+L3

錨固力計(jì)算公式

Q=N+P0

其中：P0—圍巖變形中錨桿受到的作用力。

計(jì)算錨桿直徑：依據(jù)鋼筋砼相關(guān)規(guī)范，預(yù)應(yīng)力值應(yīng)是其屈服應(yīng)力的65%～75%間，所有錨桿直徑計(jì)算公式為

其中：k—0.65～0.75；σr—鋼材屈服極限。

4 支護(hù)效果分析

為分析各支護(hù)方案的支護(hù)效果，對(duì)預(yù)應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在不同區(qū)段的巷道內(nèi)，分別采用普通錨桿、錨桿預(yù)應(yīng)力等方案來(lái)支護(hù)，以檢測(cè)巷道的變形狀況。結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，用普通錨桿支護(hù)巷道兩幫的變形較大，巷道圍巖處于變形態(tài)勢(shì)中，而巷道頂板、底板的變形則不大。用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)巷道底板、頂板、兩幫的變形都在一定的范圍內(nèi)，且較為合理。所以，在巷道支護(hù)中，預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的效果具有一定的優(yōu)勢(shì)。

a-普通錨桿支護(hù)；b-預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)圖1 不同支護(hù)方案的比較

5 結(jié)語(yǔ)

煤礦巷道支護(hù)事關(guān)煤礦開(kāi)采的安全性，煤礦巷道支護(hù)的方法較多，但預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。如果對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)整，預(yù)應(yīng)力大小、支護(hù)參數(shù)等應(yīng)由巷道圍巖性質(zhì)來(lái)確定，以便于進(jìn)一步對(duì)其支護(hù)效果進(jìn)行優(yōu)化。許多理論分析、現(xiàn)場(chǎng)觀察和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，在支護(hù)效果方面，應(yīng)力錨桿支護(hù)更具安全性和穩(wěn)定性，但應(yīng)注意其各類(lèi)參數(shù)的選擇，利用不斷的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。