預(yù)應(yīng)力錨桿在巷道支護(hù)中的應(yīng)用

郭 剛

（山西華實礦山設(shè)備有限公司， 山西 太原 030024）

引言

巷道支護(hù)質(zhì)量直接決定工作面巷道生產(chǎn)的安全性。目前，工作面最普遍的支護(hù)方式為錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式，而錨桿支護(hù)處于被動狀態(tài)，表現(xiàn)為錨桿的長度短、直徑小、支護(hù)強(qiáng)度小的問題。實際生產(chǎn)中，為了增加巷道的支護(hù)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(hù)的成本[1]。為此，提出將預(yù)應(yīng)力錨桿應(yīng)用于巷道的支護(hù)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?shù)装迩闆r如表1 所示：

表1 31303 工作面頂頂情況

經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測，可將31303 工作面巷道圍巖的穩(wěn)定性分為四類，其對應(yīng)的位置及其安全系數(shù)如表2所示。

2 預(yù)應(yīng)力錨桿作用機(jī)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(tài)，使得巷道的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從平衡的三向應(yīng)力變?yōu)殡p向應(yīng)力或單向應(yīng)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(chǎn)，需對其進(jìn)行支護(hù)設(shè)計[2]。經(jīng)實踐表明，目前應(yīng)用于工作面支護(hù)錨桿的間距一般在0.7～1 m 之間，而且當(dāng)巷道發(fā)生離層現(xiàn)象時，錨桿所分擔(dān)的力很小。

表2 31303 工作面圍巖穩(wěn)定性分類

因此，為提升錨桿支護(hù)的可靠性在錨桿上施加一定的力以提高錨桿支護(hù)的效果。預(yù)應(yīng)力錨桿提升巷道支護(hù)質(zhì)量的作用機(jī)理主要體現(xiàn)如下：

1）預(yù)應(yīng)力錨桿能夠及時向巷道圍巖表面提供足夠的支護(hù)抗力，進(jìn)而限制巷道圍巖的變形；

2）基于預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)在巷道頂?shù)装逡约皟蓭捅砻嫘纬山M合梁合或者組合拱以達(dá)到加固巷道圍巖的目的；

3）基于預(yù)應(yīng)力錨桿能夠達(dá)到改善巷道圍巖力學(xué)參數(shù)、改善圍巖體的受力狀態(tài)和應(yīng)力場的目的。

4）預(yù)應(yīng)力錨桿將圍巖與錨桿形成一個整體的承載結(jié)構(gòu)，降低巷道圍巖和錨桿失效的概率。

普通錨桿支護(hù)和預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)下支護(hù)效果的對比如下頁圖1 所示。

普通錨桿支護(hù)下，圍巖開裂到一定程度時錨桿支護(hù)才發(fā)揮作用，前期的支護(hù)力僅由圍巖的支撐力提供；而在預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)下，巷道支護(hù)力始終為圍巖、錨桿、網(wǎng)以及噴層的支護(hù)總和[3]。因此，預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效果明顯優(yōu)于普通錨桿支護(hù)。

3 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的應(yīng)用

結(jié)合31303 工作面的頂?shù)装迩闆r和預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的優(yōu)勢，該工作面采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)驗證錨桿支護(hù)的效果。

圖1 支護(hù)效果對比

3.1 錨桿支護(hù)參數(shù)的確定

3.1.1 錨桿長度的確定

錨桿支護(hù)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(wěn)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(jù)工作面圍巖的穩(wěn)定性等級所確定錨桿總長度參數(shù)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(wěn)定性下的安全系數(shù)，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(wěn)定圍巖的平均重力密度，取25 kN/m3；σ 為錨桿桿體的抗拉強(qiáng)度，經(jīng)查閱資料可知，樹脂錨桿桿體的抗拉強(qiáng)度為400 MPa，螺旋鋼錨桿的抗拉強(qiáng)度為350 MPa[4]。

將數(shù)值代入公式可得：采用樹脂錨桿支護(hù)時對應(yīng)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(wěn)定性，所確定的支護(hù)參數(shù)如下：

1 號穩(wěn)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(yīng)錨桿間排距均為1 m，每排錨桿的數(shù)量為4 根。

2 號中等穩(wěn)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(yīng)錨桿間排距均為1 m，每排錨桿的數(shù)量為2 根。

3 號不穩(wěn)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(yīng)錨桿間排距均為1 m，每排錨桿的數(shù)量為2 根。

4 號中等穩(wěn)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(yīng)錨桿間排距均為1 m，每排錨桿的數(shù)量為3 根。

3.2 錨桿預(yù)應(yīng)力值的確定

經(jīng)理論分析可知，對于穩(wěn)定圍巖和中等穩(wěn)定而言，對應(yīng)支護(hù)效果最佳的錨桿預(yù)應(yīng)力取值范圍為0.02～0.1 MPa；對于不穩(wěn)定圍巖和極不穩(wěn)定圍巖而言，對應(yīng)支護(hù)效果最佳的錨桿應(yīng)力取值范圍為0.05～0.15 MPa[5]。

因此，結(jié)合31303 工作面頂?shù)装迩闆r設(shè)定穩(wěn)定圍巖（1 號）所采用錨桿支護(hù)的預(yù)應(yīng)力值為0.055 7 MPa；中等穩(wěn)定圍巖（2 號）所采用錨桿的預(yù)應(yīng)力值為0.0621MPa；不穩(wěn)定圍巖（3 號）所采用錨桿支護(hù)的預(yù)應(yīng)力值為0.115 MPa；中等穩(wěn)定圍巖（2 號）所采用錨桿的預(yù)應(yīng)力值為0.121 MPa。

31303 工作面預(yù)應(yīng)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(jié)語

1）預(yù)應(yīng)力錨桿可在當(dāng)圍巖開裂初期發(fā)揮其支護(hù)作用；而普通錨桿只有當(dāng)圍巖開裂到一定程度后才能發(fā)揮支護(hù)作用。

2）以山西華實礦31303 工作面為研究載體，根據(jù)其頂?shù)装迩闆r對其圍巖穩(wěn)定性的等級進(jìn)行劃分，并根據(jù)不同穩(wěn)定性的圍巖確定對應(yīng)的錨桿直徑、長度、類型以及預(yù)應(yīng)力值。將穩(wěn)定圍巖和中等穩(wěn)定的預(yù)應(yīng)力值確定在0.05～0.1 MPa 之間；將不穩(wěn)定圍巖和極不穩(wěn)定圍巖的預(yù)應(yīng)力確定在0.1～0.15 MPa。