回采巷道顶板锚索预紧力的研究与应用

昝东峰1,2,刘 展3,谭辅清1,2

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州221008;2.煤炭资源与安全开采重点实验室,江苏徐州221008;3.中国矿业大学力学与建筑工程学院,江苏徐州08)

在回采巷道围岩控制方法中,锚杆 (索)支护以其成本低、操作方便,以及良好的支护效果受到现场的广泛应用[1]。研究表明,锚杆 (索)的支护效果主要取决于3个方面,一是巷道的采矿地质条件;二是锚杆 (索)支护各组成部分 (杆体、锚固剂、托盘、钢带、网)的材质与尺寸;三是锚杆 (索)支护的布置参数,主要包括锚杆 (索)长度、间距、排距、安装角度以及施工过程中所施加的预紧力。目前,国内对锚杆预紧力的研究较多,根据国内部分矿区的试验数据,一般可选择锚杆预紧力为杆体屈服强度的30%～50%。[2]

而锚索的预紧力目前为止还没有定论,数值模拟仅能得到一些定性的结论,缺乏理论量化的计算。本文在分析锚杆锚索各自支护作用的基础上,确定出了基于组合固支梁下回采巷道顶板锚索支护的预紧力计算公式,以求为现场应用提供参考。

1 锚杆 (索)支护与围岩相互作用原理

1.1 锚杆锚索在支护体系中的作用

对于回采巷道,其顶板岩层绝大多数属于层状分布,在锚杆支护的组合、悬吊、挤压加固3种作用中,锚杆一般主要起组合作用,即是将顶板锚杆锚固范围内的岩层组合成为一个整体,实现其整体变形。但是,单凭锚杆支护避免不了在锚杆长度以外的顶板中发生离层,并导致锚固区整体垮冒。

采用锚索与锚杆相结合,可以很好解决这一问题。一般情况下锚索的预紧力要远大于锚杆的预紧力,锚索所起的作用是将锚杆形成的整体组合梁悬吊起来,阻止组合梁与上覆岩层的离层,从而限制了巷道的变形失稳。

1.2 预紧力在锚杆 (索)支护体系中的作用

预紧力是指锚索安装后张拉千斤顶对其施加的张拉力,它是区分锚索属于主动支护还是被动支护的关键参数,也是防止顶板岩层之间发生离层的必要条件。只有具有较高预应力的锚索,才属于真正的主动支护,才能及时控制锚固区围岩的过度变形与破坏[3],相反,没有预紧力或预紧力较低的锚索,则属于被动支护[4].

鉴于预紧力在锚索支护体系中的重要作用,国内外学者对锚杆预紧力进行了详细的研究,得到了锚杆预紧力与螺母预紧力矩、螺纹规格及摩擦系数等因数之间的关系式,并根据现场实测确定了不同材质与规格锚杆所需的预紧力值。但是,锚索的预紧力一直没有详细的分析及研究,以下将从理论上对其进行计算。

2 锚索预紧力的理论确定

2.1 锚索预紧力力学模型的建立

由于锚杆对巷道顶部岩层离层的产生起着一定的阻碍作用,增大了岩层间的摩擦力,与锚杆本身的抗剪作用共同阻止岩层间产生相对错动,从而将巷道顶板锚固范围内的各岩层夹紧形成一个较厚的组合梁[5]。巷道顶板结构如图1所示。

单根锚杆与锚索相比,拉力较小,可忽略不计。考虑到巷道走向长度远大于巷道宽度,可近似地认为顶板组合梁处于平面应变状态。根据弹性力学理论,可将组合梁简化为“固支梁”模型。组合梁以固支梁的形式放置在两帮的煤壁上,中部两根锚索锚入深部稳定岩层中 (本文仅讨论锚索的此种支护方式,其它支护方式的算法与文中方法相同),将巷道顶板潜在冒落高度的岩层以均布载荷q的形式施加于固支梁上。

2.2 锚索预紧力计算

2.2.1 二次超静定梁支座反力的计算

利用计算莫尔积分的图乘法,可知右端C点的位移δ为

因为右端为固支端,所以δ=0,又因为本结构为对称结构,所以将其代入式(1),可知右端支座对梁的弯矩为

2.2.2 计算锚索张拉力 F

当右端 C点支座反力MO、F’,梁上均布载荷q、左侧锚索、右侧锚索分别作用时,B点的位移总和为

锚索张拉力需要保证锚固范围内不发生离层现象,故B点的位移量为0,即

代入相关数据,可知锚索的张拉力为

此张拉力即为锚索所需要的预紧力。

3 工程实践

3.1 工程概况

山西国阳集团80509工作面回风巷位于15#煤层,沿煤层底板掘进,一侧为已稳定采空区,巷道平均埋深约550m。该巷道所处15#煤层属复杂结构煤层,容重1.4t/m3,平均倾角4°。煤层顶底板条件见表1。

表1 15#煤层顶底板岩性

沿空巷道净宽×净高=4.0m×2.8m,采用锚网带索支护,矩形断面。顶部锚杆 (索)的间排距为700mm×800mm,锚杆采用等强无纵筋左旋螺纹钢锚杆,规格为Φ20mm×2400mm,同时在每排锚索中的相应位置布置锚索,锚索为单根Φ17.8mm×7300mm的钢铰线,钢带采用厚度较大的M型钢带(4mm厚)。金属网采用菱形金属网。

煤帮采用锚网带支护方式。锚杆规格为Φ20mm×2400mm,两角锚杆分别距顶底板200mm,角度30°,其余锚杆均垂直煤帮岩面布置。锚杆的间排距为800mm×800mm。钢带采用厚度较大的M型钢带,金属网采用菱形金属网。

3.2 锚索预紧力计算

根据本文锚索预紧力的理论计算过程,经分析确定,巷道潜在冒落高度为巷道上方4.11m厚的顶煤,故均布力 q=58kN/m;锚索距离左右煤壁的距离分别为 b=3m,a=1m;巷道宽度 L=4m。将以上参数代入式 (5),得到顶板不发生离层时锚索的张拉力为104 kN,所以锚索的预紧力不应低于104 kN。考虑到锚索张拉千斤顶的额定张拉力,最终将锚索的预紧力确定为120 kN。

在施工中,采用张拉千斤顶对锚索进行张拉,使其预紧力至少达到120kN。

3.3 巷道围岩变形实测

在本工作面回风巷道距离巷道出口300～650m地段布置8个测站,测站间距为50m。采用“十字测量法”进行监测,用皮尺进行测量,并记录测站至掘进工作面的距离,每天观测一次。

由图1可以看出,随着掘进工作面推进,巷道围岩表面变形迅速增大。当掘进工作面向前推进200m后,巷道表面变形速度减小,逐渐趋于稳定;当掘进工作面向前推进300 m后,巷道顶底板相对移近量为80 mm,两帮相对移近量平均为110 mm。支护效果符合使用要求。

图1 掘进期间巷道顶底板、两帮移近量变化曲线

4 结论

1)在锚杆 (索)支护体系中,锚杆将顶板锚固范围内的各岩层夹紧成为一个组合梁;而锚索将此组合梁悬吊起来,阻止组合梁与上覆岩层间的离层,从而限制了巷道的变形失稳。

2)预紧力是防止顶板岩层离层的必要条件,只有具有较高预紧力的锚索,才属于真正的主动支护,才能及时控制锚固区围岩的过度变形与破坏。

3)锚索的预紧力,可以通过将巷道顶板简化为组合固支梁模型进行计算。

[1] 王金华.我国煤巷锚杆支护技术的新发展 [J].煤炭学报,2007,32(2):113-118.

[2] 康红普,王金华,等.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京:煤炭工业出版社,2007.

[3] 程良奎,范景伦,韩军,等.岩土锚固 [M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[4] 康红普,姜铁明,高富强.预应力在锚杆支护中的作用[J].煤炭学报,2007,32(7):673-678.

[5] 曾佑富,伍永平,来兴平,等.复杂条件下大断面巷道顶板冒落失稳分析 [J].采矿与安全工程学报,2009,26(4):423-427.