張拉預(yù)緊式錨桿在深部巷道圍巖變形控制中應(yīng)用

趙丙珍

（山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司，山西 大同 037104）

動(dòng)壓巷道受采動(dòng)支承應(yīng)力影響，圍巖變形量大，維護(hù)較為困難，制約礦井高產(chǎn)高效和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，威脅礦井安全[1-3]。動(dòng)壓巷道的支護(hù)是當(dāng)前礦井面臨的難題之一，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，并針對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩式的錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力較小的問(wèn)題，提出通過(guò)監(jiān)測(cè)錨桿內(nèi)力、補(bǔ)打錨桿等方式，提高錨桿支護(hù)強(qiáng)度。但補(bǔ)打錨桿費(fèi)力費(fèi)工，制約巷道維護(hù)速度，影響礦井的經(jīng)濟(jì)效益[4-8]。平煤礦區(qū)是我國(guó)典型深部開采礦區(qū)，開采深度已超過(guò)800m，巷道圍巖軟弱破碎、持續(xù)變形嚴(yán)重，支護(hù)維護(hù)困難，返修率高，礦井提出采用張拉預(yù)緊式錨桿對(duì)原錨桿重復(fù)預(yù)緊，預(yù)緊后巷道圍巖變形量得到明顯改善，有效提高了動(dòng)壓巷道圍巖穩(wěn)定性，減少了返修次數(shù)。

1 工作面概況

2308運(yùn)輸巷在西翼皮帶大巷西端開口，西側(cè)、北側(cè)為實(shí)體煤；南側(cè)距2306 回風(fēng)巷446.3m；東側(cè)距2306 工作面采空區(qū)（2306 回風(fēng)順槽）37.8m。巷道沿3#煤底板掘進(jìn)，煤層平均厚度4.65m，平距傾角3.5°，煤層頂板為泥巖、各粒度砂巖、砂質(zhì)泥巖；底板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。巷道掘進(jìn)平距深度850m以上，受礦壓、采動(dòng)影響，巷道兩幫擠出、底鼓嚴(yán)重，從巷道二部皮帶架子246 架向外，需擴(kuò)幫作業(yè)，擴(kuò)幫深部約0.6～1.0m。

2 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩式錨桿預(yù)緊力現(xiàn)狀

（1）由于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩式錨桿施工要求與預(yù)緊方式不匹配，影響轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力效率。

（2）如果為了提高預(yù)應(yīng)力而過(guò)度提高轉(zhuǎn)矩，錨桿會(huì)承受較大的疊加應(yīng)力載荷，發(fā)生破斷。

（3）巷道擴(kuò)幫、巖層松軟等因素造成錨桿預(yù)緊實(shí)效后，錨桿無(wú)法重復(fù)預(yù)緊，造成資源浪費(fèi)。

3 張拉預(yù)緊式錨桿支護(hù)系統(tǒng)

張拉預(yù)緊式錨桿支護(hù)系統(tǒng)主要由鎖具、張拉千斤頂及錨桿攪拌器組成。

3.1 鎖具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張拉預(yù)緊式錨桿鎖具代替?zhèn)鹘y(tǒng)轉(zhuǎn)矩式錨桿螺母對(duì)圍巖施加預(yù)緊力，鎖具由夾片和錨環(huán)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 鎖具工作原理圖

由圖1可知，將夾片推入鎖環(huán)后，實(shí)現(xiàn)錨桿的高預(yù)緊力，同時(shí)托盤也會(huì)受到巷道圍巖的反作用力，這個(gè)力通過(guò)托盤傳遞到鎖環(huán)，而鎖環(huán)的倒圓臺(tái)結(jié)構(gòu)將這個(gè)沿錨桿徑向的力改變?yōu)榇怪庇阪i具夾片的力，從而使夾片鎖的更緊，即實(shí)現(xiàn)了鎖具的自鎖，當(dāng)圍巖的反作用力越大時(shí)，鎖具咬的越緊，避免了退錨的發(fā)生。

錨桿夾片硬度不宜過(guò)大或過(guò)小，硬度過(guò)大韌性不足，易發(fā)生開裂破壞；硬度過(guò)小無(wú)法咬住，易發(fā)生退錨。結(jié)合2308 運(yùn)輸巷地質(zhì)條件，最終確定采用500MPa錨桿的鎖具夾片，硬度需大于HRC35。

3.2 張拉千斤頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）千斤頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。張拉千斤頂主要由張拉油缸、帶銷夾片、錨具及固定架組成，其工作原理類似錨索夾片和錨環(huán)鎖定錨桿實(shí)現(xiàn)高的預(yù)緊力，如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，鎖具與張拉千斤頂相互配合，通過(guò)張拉千斤頂推動(dòng)鎖具將錨桿鎖緊，達(dá)到提高錨桿預(yù)緊力的目的。

圖2 張拉千斤頂結(jié)構(gòu)工作原理圖

（2）張拉壓力與預(yù)緊力對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算。張拉千斤頂油缸活塞直徑d 為50mm，共有兩個(gè)油缸，則油缸的受力面積S為：

帶入?yún)?shù)可得S=3925mm2。

綜上所述，通過(guò)對(duì)給排水設(shè)計(jì)的實(shí)施優(yōu)化，保證設(shè)計(jì)時(shí)可以進(jìn)行最優(yōu)化的配置，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的效果。在設(shè)計(jì)質(zhì)量得到保證時(shí)，給排水工程在各個(gè)環(huán)節(jié)都可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，并將城市功能提升得恰到好處，進(jìn)而帶動(dòng)城市的發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源的目標(biāo)，在給排水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理規(guī)劃排水工程，全方面地完善施工建設(shè)。

千斤頂1MPa受力f如下：

f=S×10-6m2×1×106N/m

=3.93kN/MPa

帶入?yún)?shù)可得f=3.93kN/MPa。

如?20mmHRB500錨桿，屈服載荷157kN，設(shè)計(jì)預(yù)緊力F為95kN（屈服載荷的60%），則錨桿張拉應(yīng)力P為：

帶入?yún)?shù)可得P=24MPa。

3.3 攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于張拉式鎖具錨桿已無(wú)需尾紋，為解決常規(guī)攪拌器無(wú)法攪拌此類錨桿的問(wèn)題，需配套采用一種抱鎖式錨桿攪拌器。

4 張拉預(yù)緊式錨桿錨固數(shù)值模擬

4.1 模擬方案

取出巷道錨固分離體，探查巷道圍巖裂隙節(jié)理發(fā)育規(guī)律，利用3DEC7.0 建立含初始損傷的單軸抗壓數(shù)值模型，模型尺寸為1.6m×3m×3m，施加預(yù)緊力分別為0kN、30kN、60kN、90kN，具體參數(shù)如表1、表2所示。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

4.2 模擬結(jié)果分析

由圖3可知，安裝錨桿后，錨固體的強(qiáng)度峰值有所提高，且錨固體的強(qiáng)度與錨桿預(yù)緊力呈正相關(guān)。錨桿預(yù)緊力為30kN 時(shí)，錨固體峰值強(qiáng)度為7.83MPa，相比零預(yù)緊力的峰值7.53MPa提高了0.3MPa，峰值強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)為1.04；錨桿預(yù)緊力為60kN 時(shí)，錨固體峰值強(qiáng)度為7.98MPa，峰值強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)為1.06；當(dāng)預(yù)緊力提高到90kN 時(shí)，錨固體峰值強(qiáng)度提高到8.26MPa，峰值強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)為1.10。

圖3 錨固體全應(yīng)力—應(yīng)變曲線

（2）錨固體殘余強(qiáng)度強(qiáng)化作用分析。張拉預(yù)緊式錨桿預(yù)緊力為0、30kN、60kN、90kN 時(shí)，錨固體峰后破壞特征與全應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4所示。

由圖4可知，安裝錨桿后，錨固體的殘余強(qiáng)度顯著提高，且隨預(yù)緊力的增加而顯著增大無(wú)預(yù)緊力巖體的殘余強(qiáng)度為2.11MPa，當(dāng)預(yù)緊力為30kN、60kN、90kN時(shí)，殘余強(qiáng)度分別為2.38MPa、2.52MPa、2.72MPa，殘余強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)為1.128、1.194、1.29。因此，預(yù)緊力越大，對(duì)錨固體殘余強(qiáng)度的強(qiáng)化效率越高。

圖4 錨固體峰后破壞特征與全應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

（3）錨固體內(nèi)部裂隙擴(kuò)展規(guī)律分析。張拉預(yù)緊式錨桿預(yù)緊力為0、30kN、60kN、90kN 時(shí)，錨固體內(nèi)部剪切裂隙分布特征如圖5所示。

由圖5可知，隨預(yù)緊力增大，剪切裂隙貫通程度減小，以水平方向剪切裂隙減少顯著，錨桿主動(dòng)預(yù)緊力約束與被動(dòng)工作載荷約束，對(duì)圍巖表面施加一定的壓力，對(duì)巖體受載擴(kuò)容起到較好的限制作用淺部圍巖的張拉破壞明顯減小，這說(shuō)明預(yù)緊力的提升能有效控制淺部圍巖變形破壞，有利于減少片幫現(xiàn)象。

圖5 錨固體內(nèi)部剪切裂隙分布特征圖

（4）巷道圍巖整體變形破壞特征。張拉預(yù)緊式錨桿預(yù)緊力為0、30kN、60kN、90kN 時(shí)，巷道圍巖變形破壞特征如圖6所示。

由圖6可知，隨著預(yù)緊力的增大，巷道圍巖變形量及裂隙發(fā)育數(shù)量顯著減小。巷道錨桿預(yù)緊力為30、60、90kN時(shí)，相比無(wú)預(yù)緊力，兩幫相對(duì)移進(jìn)量減少了27%、50.7%、69%，裂隙發(fā)育數(shù)量減少了35%、49.2%、63%。

圖6 巷道圍巖變形破壞特征圖

5 工程實(shí)踐

2308運(yùn)輸巷原擴(kuò)修支護(hù)方案為幫部擴(kuò)修后重新補(bǔ)打3 根直徑為20mm、長(zhǎng)度為2400mm、強(qiáng)度為500MPa左旋高強(qiáng)樹脂錨桿，但擴(kuò)修后預(yù)緊力低，錨桿貼幫護(hù)幫效果差，巷道片幫嚴(yán)重，同時(shí)補(bǔ)打錨桿，費(fèi)力費(fèi)工，制約修巷速度。

采用張拉預(yù)緊式錨桿擴(kuò)幫支護(hù)，利用鎖具直接對(duì)擴(kuò)幫后遺留的2000mm 左右的錨桿重復(fù)預(yù)緊，并施加60kN以上預(yù)緊力，無(wú)需補(bǔ)打錨桿。

6 效果檢驗(yàn)

通過(guò)對(duì)比2308運(yùn)輸巷分別采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩式錨桿和張拉預(yù)緊式錨桿時(shí)巷道兩幫變形量，驗(yàn)證張拉預(yù)緊式錨桿對(duì)加固巷道圍巖的作用。在20d的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，巷道圍巖變形情況如圖7所示。

由圖7可知，2308 運(yùn)輸巷采用張拉預(yù)緊式錨桿時(shí)巷道最大圍巖變形量為315mm，較采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩式錨桿時(shí)減小了252mm。因此，張拉預(yù)緊式錨桿對(duì)原支護(hù)錨桿重復(fù)預(yù)緊后，能夠有效減小巷道圍巖變形量，保證圍巖穩(wěn)定性。

圖7 2308運(yùn)輸巷兩幫變形量

7 結(jié)論

（1）2308 運(yùn)輸巷采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩式的錨桿支護(hù)后巷道圍巖變形量大，補(bǔ)打錨桿不僅預(yù)緊力低，錨桿貼幫護(hù)幫效果差，巷道片幫嚴(yán)重，還費(fèi)力費(fèi)工，制約修巷速度。礦井提出采用張拉預(yù)緊式錨桿對(duì)原錨桿重復(fù)預(yù)緊，通過(guò)3DEC7.0 數(shù)值模擬可知，安裝錨桿后，巷道圍巖變形量及裂隙發(fā)育數(shù)量顯著減小，并與預(yù)緊力大小成正相關(guān)。

（2）通過(guò)監(jiān)測(cè)2308運(yùn)輸巷兩幫變形量可知，采用張拉預(yù)緊式錨桿時(shí)巷道最大圍巖變形量為315mm，較采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩式錨桿時(shí)減小了252mm。由此可知，采用張拉預(yù)緊式錨桿支護(hù)效果優(yōu)于補(bǔ)打傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩式錨桿，不僅提高了圍巖穩(wěn)定性，還減少了作業(yè)強(qiáng)度和支護(hù)成本。