浅析煤矿巷道预应力锚索支护技术

崔少华

(长治三元中能煤业有限公司,山西 长治 046605)

1 前言

煤矿生产中，在安全及技术方面有高的要求，煤矿巷道进行支护处理是确保煤矿安全生产的前提。但由于煤矿开采条件逐渐复杂，尤其是受相应的地质构造应力影响，会在不同程度上破坏巷道围岩。因此，采用有效的巷道支护技术尤为重要。预应力锚索支护技术是煤矿巷道进行加固中最常应用的技术，其在整个锚杆支护方面发挥着重要的作用。同时，锚杆支护技术相对简单，采用这种技术进行巷道支护，对于保障煤矿生产安全意义重大。本文研究重点在于探讨预应力锚索支护在煤矿巷道中的应用，以提升煤矿巷道围岩的坚固性，确保煤矿生产安全、稳定进行。

2 预应力锚索支护工作原理及分类

2.1 工作原理

预应力锚索主要包含锚固剂、索体等，它的主要功能在于承受比预计更大的应力，因此得以在煤矿、铁路等多个领域使用。早期所用的锚索支护技术是运用大孔径进行注浆，这种方法必须配置2～7根钢绞线，这种锚索在实际应用中面临一些问题。随着科学技术的快速发展，预应力锚索支护也快速发展。预应力锚索中的锚固段在稳定土体中，主要功能是提供锚固力。自由段则是与锚固段相连接的部分，不仅能发挥传递锚固力的作用，也能为锚索锁定提供相应的延伸量。煤矿巷道中运用预应力锚索支护技术，不仅能对活动状态下的岩层实施悬吊，也可以对围岩展开有效的支护，与锚杆组合为更加稳定的预应力结构，确保围岩展现出稳定、连续的特征[1]。这种情况下，锚索会将巷道内的围岩和锚杆预应力实施连接，进一步提升围岩结构的承载能力及稳定性。对于煤矿巷道而言，其预应力状况对锚索支护参数有一定的影响，也会影响最终的支护效果。因此，想要保障锚索充分发挥自身的作用，必须全面掌握锚索应力场支护相关知识，以全面了解锚索预应力状况。详细分析发现，采用锚索支护进行加固处理时，都会产生相应的预应力，这种预应力显示椭圆形分布的特征。锚索尾部压应力一般比较大，与尾部相距越远，预应力会逐渐减弱。如果顶板与锚索尾部的距离占锚索场所的20%，压应力约降低0.06MPa[2]。多数情况下，锚索自由端中间位置的压应力均不会过大，而锚固始端下部的压应力比较集中，但其集中程度及范围非常小。因此需要对锚索施加一定的预应力，并对锚索的长度、密度等进行控制，从而使得支护阻力在巷道支护内真正发挥其作用，形成压应力区域，充分显示出锚索支护技术应用优势。

2.2 矿巷应用预应力锚索具体分类

矿用预应力锚索根据不同的分类方法有不同类型，但考虑到这种技术依然处在发展阶段，锚索类型还相对简单，依据实际用途和锚固方法综合分类如图1所示。

图1 矿用预应力锚索分类

煤矿巷道所用预应力锚索主要以小型为主，主要系列如表1。

表1 煤矿预应力锚索系列

3 预应力锚索支护的应用

3.1 限定支护材料

为达到煤矿巷道掘进操作的要求，顺利实现低成本、高效益发展目标，煤炭科学研究总院经过探索，开发了新型树脂锚固预应力锚索。这种锚索采用单根钢绞线，比传统的钻孔直径缩小了很多，且能对树脂搅拌锚固，主要优点：①安装程序简单，直径小，钻进速度快；②处理操作较快，可以及时施加一定的预应力，便于锚索主动承载相应的预应力[3-4]。依托原有建筑钢绞线研发出的新型1×19型钢绞线，增大钢绞线直径，在一定程度上提升锚索破断荷载及其延伸率。

3.2 支护形式

预应力锚索及锚杆相结合是煤矿巷道支护中最常使用的方法，依托锚索与锚杆之间的相互配合，能够发挥两者之间的优势，达到良好的加固支护效果。其中，锚索主要功能是作用在巷道顶板和底板上，将锚索及锚杆交叉或并排布置，可以大面积用到全煤巷道，特别是部分大断面及高应力煤矿巷道，能得到最佳的支护效果[5]。全锚索支护是对巷道的顶部、两帮等处开展锚索加固处理，真正展现出锚索支护用于煤矿巷道加固支护的优势，这种支护方式也在高地应力和受到动压影响大的巷道加固中使用。

3.3 设定合理的支护参数

采用预应力锚索进行支护时，必须设定索体直径、长度等各项参数。其中，预应力是锚索支护的重要参数之一。此外，由于锚索的长度及直径均比较大，能够施加的预应力自然也比较大。但支护操作中设定的锚索长度必须达到其可以固定在相对稳定岩层的具体要求。同时，锚索与钻孔直径需相互匹配，通常情况下，锚索直径一般设计为28mm，此时，索体和钻孔直径之间的差值要控制在6～10mm范围之内[6]。

3.4 应用实例

某煤矿运输巷道中，煤层的埋藏深度是1 270m，巷道需要沿着岩层具体走向展开施工。其中，巷道顶板属于中粒砂岩，而底板处是粉砂岩，该煤矿岩体整体强度较低。通过对巷道进行地应力检测发现，工程垂直应力高达31.5MPa，最大水平应力高达31.1MPa，最小水平主应力为16.5MPa。该煤矿巷道断面是半圆拱形，其高度和宽度分别为4.2m和4.5m。

通过对该煤矿巷道的分析，选定锚杆与锚索相互结合的方式进行支护，设置支护具体参数如下：锚杆直径为22mm，锚杆的长度控制为2.3m。锚杆的拉断强度应在600MPa水平，锚杆屈服强度控制为800MPa。对顶板及两帮进行注浆施工的锚索，直径也是22mm，钢绞线选用1×19型，并施加适当的预应力。但对于底板进行注浆锚固处理时，需要应用专用搅拌头实施钻孔操作，严格按照“上锚下注”的方法进行处理，通过树脂固定剂完成锚固处理。

通过相应的支护后，对巷道表面位移状况展开监测。根据监测结果可知，锚索加固5d之内的受力状况有一定程度的下降，随之受力状况慢慢增加，尤其在10d之后快速增加，到50d左右时趋于稳定状态。锚索所承受的最大力为430kN，且底板锚索受力明显比顶板及两帮小，变化状况趋于平缓状态。由此表明，煤矿巷道应用预应力锚索支护可获得良好的加固效果，保障煤矿巷道安全、稳定的开展生产工作。

4 结语

通过预应力锚索支护技术，可以有效解决煤矿巷道支护方面的问题，保障巷道施工在复杂的环境下可以顺利进行。为充分展现预应力锚索支护技术的优势，必须全面了解预应力锚索支护技术操作原理及具体分类，能够严格遵循应用流程展开施工，为煤矿企业提供安全的生产环境，对保障煤矿施工人员的安全及企业的经济效益有重要意义。