基于预应力锚索技术的矿山井巷掘进研究

徐春常　徐　成

摘要：预应力锚索是一种把钢绞线埋入岩层内部进行预加应力的施工技术。锚索具有普通锚杆的悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用等。文章对锚索材料、锚索长度、锚索间排距、施工工艺等进行了研究。

关键词：预应力锚索；锚杆支护技术；锚索技术

中图分类号：TD353 文献标识码：A

文章编号：1674-1145（2009）12-0175-02

锚杆支护技术已经得到大面积推广应用，成为煤矿巷道首选的安全高效支护方式；但是，随着煤矿开采强度的大幅度增加，矿井向深度及广度发展，对巷道支护技术提出了更高的要求。部分矿区的锚杆支护巷道围岩变形强烈，支护效果较差，巷道安全得不到保证。主要局限性表现为：锚杆预应力小，预应力扩散效果差，支护刚度低，致使锚杆主动支护作用不能充分发挥，不能有效控制围岩离层与破坏；不同程度地出现锚杆被拉断、剪断和弯曲断裂；锚杆支护深度不够，导致直接顶脱落。使用锚索配合锚杆支护，合理利用锚索的支护原理，就能够弥补锚杆支护的不足，从而使巷道支护取得更好的效果。

一、预应力锚索的作用原理与特点

（一）预应力锚索的作用原理

预应力锚索是一种把钢绞线埋入岩层内部进行预加应力的施工技术，传递主体结构的支护应力到深部稳定岩层的主动支护方式。锚索安设锁紧后，锚索集中应力以45°压力分线传递到支护结构物上，在预应力作用下，围岩产生压缩并在锚索的弹性压缩下形成“承载拱”，提高围岩的整体性和内在抗力，增加其强度，增大围岩的稳定强度。

（二）预应力锚索的主要特点

1．具有一定的柔性：预应力锚索是一种细长受拉杆状构件，柔度较大，具有柔性可调的特点，用于加固围岩时能与围岩共同作用，充分发挥两者的能力。

2．深层加固：预应力锚索的长度，可根据工程需要确定，加固深度可达数10m。锚索应锚固在围岩内部较稳定的岩层中，可根据岩性和钻眼机具能力等综合考虑，井下一般为5～10m。

3．主动加固：预应力锚索具有很强的主动调控性，通过主动建立的后张预应力场，来抑制减低、消除天然力场对工程地质体或构筑物所造成的危害。它能充分调用围岩自身潜在的稳定性，并改善其内部应力状态。对锚索施加预应力，能够主动控制围岩变形，调整围岩应力状态，有利于围岩的稳定性。

4．施工快捷灵活：预应力锚索施工采用机械化作业，具有工艺灵巧、施工进度快、工期短、施工安全等特点，其安放数量，安放位置、深度、方向，施加预应力的大小，均可依据现场需求加以调整。

二、预应力锚索在树脂锚杆支护中的作用

预应力锚索在巷道支护中的作用机理与锚杆相比，锚索具有锚固深度大、锚固力大、可施加较大的预紧力等诸多优点。锚索同样具有普通锚杆的悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用等。锚索、树脂和岩层之间的作用关系是：锚索在轴向阻止岩层继续膨胀扩容，锚杆支护则是通过围岩内部的杆体，改变围岩本身的力学状态，提高围岩的强度，从而在巷道周围岩体内形成一个完整稳定的承载体，与围岩共同作用，达到维护巷道的目的。锚杆支护通常用锚索进行加强支护，锚索起到补强加固作用。

另外，根据不同的岩体强度理论分析，预应力锚索还有以下作用：（1）从脆性断裂强度理论分析，具有降低裂隙间应力强度因子，阻碍裂隙扩展的作用；（2）从结构面剪切破坏角度分析，具有承剪阻滑的作用；（3）从节理岩体的强度理论分析，具有增强节理岩体的裂隙前缘岩土断裂韧度的作用，使裂隙断裂扩展力不但要克服岩桥的阻力，还要提供锚索的桥联作用，因而阻止了裂隙的进一步扩展与贯通。

三、预应力锚索主要参数确定

（一）锚索材料选择

构成锚索的主要材料是预应力钢绞线，一般选用强度高、韧性好、低松弛值的高强预应力绞线、高强度预应力钢丝或精轧螺纹钢筋等。通常用于井巷工程的锚索由既有一定刚度又有柔软性的钢绞线制作而成，运输安装较方便，金佳矿选用的锚索是高强度低松弛值的钢绞线。Φ15.3mm、强度等级为1860MPa的钢绞线。钢绞线由7根Φ5mm的钢丝组成，屈服荷载为221.5kN，破坏荷载为260.7kN。

（二）锚索长度

锚索应锚固在围岩内部较稳定的岩层中，可根据岩性和钻眼机具能力等综合考虑，井下一般为5~10 m。锚头端张拉长度≥300mm。锚索长度L由下式计算：

L=L₁+L₂+L₃

式中：L1—锚索外露长度，取300mm；

L2—锚索自由段长度，根据直接顶厚度、围岩性质、其他支护方式等方面的因素决定，一般取4.0～8.0m；

L3—锚索锚固长度，取1.0～2.0m。

代入上式计算得L=5.3～10.3m，根据锚索锚固长度，每根锚索配备2个CK2335和3个Z2335树脂药卷，托板为350 mm×350mm×10mm的钢板。

（三）锚索间排距

锚索间排距和长度一般宜满足：L(长度)/S(间距)≥2，取锚索间排距为2m。

四、预应力锚索的施工工艺

1．先在地面用电动砂轮机将锚索截割成设计长度后运到井下施工地点。

2．钻孔。使用锚索钻机，按照设计位置、角度和深度进行钻孔施工。

3．安装钻杆。金佳矿使用三山牌B22可连接钻杆，每根长1.0m。

4．锚固。金佳矿采用CK2335和Z2335型树脂锚固剂。每孔放置2根CK2335和3根Z2335锚固剂，搅拌时间维持在20～30s。

5．安装锚索托盘。金佳矿采用350mm×350mm×10mm的钢板加工而成的金属托盘。

6．张拉。采用专用张拉千斤顶进行张拉，至30～35MPa即可。

五、结论

在树脂锚杆支护巷道掘进过程中使用预应力锚索控制顶板，可利用锚索锚固深度大、锚固力大、可施加较大的预紧力等优点来弥补树脂锚杆支护的不足。锚索、锚杆、W钢带、树脂和岩层之间相互作用后，在巷道周围岩体内形成一个完整稳定的承载体，提高了顶板的完整性，改善了安全生产条件，减少了巷道的维修量，加快了巷道的掘进进度，取得了良好的安全经济效益。

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