锚索支护在煤矿开采中的应用

李久云

（长治市煤矿安全仪器仪表检测中心， 山西 长治 046000）

引言

煤矿巷道支护经历了木支护、砌碹支护、型钢支护、锚杆支护到锚索支护的发展过程[1]。锚索具有锚固深度大、承载能力高、可施加较大预应力的特点，能够获得比较理想的支护效果[2]。锚索支护技术在土木加固工程中应用十分广泛，目前在煤矿巷道中的应用也越来越普遍。实践表明，在破碎、复合顶板巷道，高地应力和受采动影响的巷道，放顶煤开采的煤顶巷道，以及大断面巷道和交叉点等应用锚索，具有良好的支护效果[3-4]，再配合锚杆支护，可显著拓宽锚杆支护的支护范围，保证巷道的安全状况。

1 锚索支护的发展过程

早在1890年的北威尔士煤矿加固工程中就开始使用钢筋加固岩层的办法，1911年美国弗里登斯煤矿在巷道中首先使用了锚杆支护技术，1918年美国西利西安煤矿首先使用了锚索支护技术[5]。此后，锚固技术的应用范围开始迅速扩大。1978年，英国人TonyBarley在钢绞线的一端安装上锚具，在另一端用树脂密封作为承压锚固段，随后将3根这样的单元体按照一定的间距分散连接到一根2 m长的钢管上，然后对钢管施加拉力。实验证明，这种方式可以充分地将载荷分散传递给树脂密封段并使支护更加牢固。1988年，压力分散型锚索技术首次应用在英国南安普敦的黏土地层中，锚索承载力高达1337kN[6]。

与国外相比，国内的锚索技术发展起步较晚，20世纪90年代锚索支护技术才开始在国内应用[7]。1997年煤炭科学研究总院北京建井研究院和北京开采研究所成功研制了小孔径锚索支护技术，从此锚索支护技术在国内开始广泛应用。

2 锚索支护原理

2.1 自承拱

如图1所示，锚索固定好之后，锁具的集中应力以45°压力分布传递到支护结构体上，在预应力的作用下，破碎的岩体形成压力拱圈，有效提高了岩体的承载能力，使围岩更加稳定。

图1 自承拱作用示意图

2.2 组合梁

组合梁是指锚索穿过层状岩层时，由于预紧力使层状岩层的层面之间压力变大，进而增大其摩擦力，提高了围岩整体性，使岩层之间不易分离和产生位移，岩层的抗弯强度增大。其中当锚索与岩层成垂直状态时组合梁效果最好。

2.3 悬吊

悬吊作用是指不稳定的岩石块在锚索的作用下与稳定的岩体相连，防止其产生位移而造成冒落危险。

3 锚索支护设计

3.1 锚索的结构

如下页图2所示，锚索主要由毛齿、挡箍、钢绞线、垫板和锚具等组成。

1）毛齿是由螺栓或点焊方式固定在钢绞线上起打烂和搅拌树脂卷作用的小齿，同样也起到使钢绞线局中定位的作用。毛齿沿钢绞线固定，一般相邻间距为 200～300 mm。

2）挡箍是固定在钢绞线上的直径小于孔径的柱形橡胶或塑料，其主要作用是在搅拌树脂和推送钢绞线的过程中使胶状树脂不向外流出。

3）钢绞线是锚索结构的主体，由多根较细的钢丝组成，其长度根据孔深的不同而不同，一般比孔的深度长0.5 m即可，总长通常为5～8 m。

4）垫板和锚具是安装在锚索端部的最终受力部件，垫板一般由槽钢和锚杆盘组成。

图2 锚索结构示意图

3.2 锚索支护参数

锚索支护应按照悬吊作用进行设计计算，以保证锚索能够承载潜在冒落的岩层质量。

1）巷道单位长度内潜在冒落岩层的质量：

式中：FZ为巷道单位长度内潜在冒落岩层的质量，t/m；B为巷道宽度，m；Kd为顶板岩性系数；f为顶板硬性系数；γ1为顶板煤岩容量，t/m3。

2）单根锚索可承担的冒落长度：

式中：hs为单根锚索可承担的冒落长度，m；As为钢绞线截面积，mm2；ηs为锚具的效率系数，一般取0.9～0.95；Ptk为锚索强度标准，MPa。

3）锚固长度：

式中：La为理论锚固长度，mm；Ka为安全系数；Φs为钢绞线直径，mm；fcs为锚固剂的设计黏结强度，t/m2；Ls为实际锚固长度，mm；Φ1为树脂直径，mm；lj为树脂长度，mm。

4）锚索总长度：

式中：L为锚索总长度，mm；Kb为整体安全系数；n为每排锚索数量；Lw为锚索外露的长度，mm。

4 锚索安装工艺流程

锚索安装的工艺流程如图3所示。

1）定位是指控制钻孔机构到需要钻孔的位置，以确保锚索装置的实际安装与设计一致。

2）钻孔时，按照设计的孔的位置，用锚杆钻孔机钻出预设深度和角度的孔，其中45°角以下的孔在钻完时需要进行吹扫处理。

3）向孔内放入树脂卷，不同凝固速度的树脂卷按照顺序送入（如图4所示），采用套筒自锁装置进行树脂卷的送放。

图4 锚索安装示意图

4）锚索安装如图4所示，缓慢推动锚索，使锚索顶住树脂卷达到孔底。

5）将锚索尾部固定在锚杆钻机上，一人扶稳锚索，一人开动钻机，刚开始搅拌要慢，之后逐渐提高搅拌速度，整个过程要控制在20～30 s之间；其中搅拌推进的过程中不能有停顿，搅拌完成后需要稳住锚索不动等待30 s左右的时间，以保证锚固剂的初凝，然后拆除搅拌系统。

6）搅拌完成后，一般需要等待30 min以使锚固剂充分凝固，若条件允许可加长等待时间。

7）如图5所示，将张拉机具与锚索安装连接好，缓慢加压对锚索进行张拉，当达到设计的应力值时停止加压，搬动换向阀，使油缸回缸，使锚具锁紧，取下张拉机具，到此，张拉完成。

8）锚索张拉完成后需要对多余的锚索进行切除，利用专用的锚索切断器与手动油泵想配合进行锚索切断作业。安装好的锚索如图6所示。

图5 锚索张拉示意图

图6 安装好的锚索结构

5 结论

1）锚索支护具有施工速度快、承载高、对围岩适应性强、工程质量可靠等优点；锚索支护应根据巷道现场实际情况进行设计，并严格依照锚索安装工艺流程进行安装。

2）锚索支护易于和锚杆、金属网等支护方式相配合，取长补短，这对于降低支护成本，增加效益，提高支护可靠性具有重要意义。

[1]康红普.煤矿预应力锚杆支护技术的发展与应用[J].煤矿开采，2011（3）：25-30；131.

[2]康红普，林健，吴拥政.全断面高预应力强力锚索支护技术及其在动压巷道中的应用[J].煤炭学报，2009，34（9）：1153-1159.

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

[4]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.

[5]杨为民.锚固体应力分布规律和锚杆承载力的计算研究[D].洛阳：河南科技大学，2008.

[6]郭建龙.高应力条件下锚杆+锚索在巷道支护技术中的应用及研究[J].机械管理开发，2017，32（2）：16-17；20.

[7]白海波.煤矿巷道锚杆锚索共同支护技术研究[J].机械管理开发，2016，31（11）：53-55.