骆驼山煤矿预应力锚杆支护技术分析

黄小平

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

目前，锚杆(索)支护技术已经在我国煤矿大量推广，与传统刚性支护技术相比，锚杆(索)能够起到主动、及时支护的作用，可以有效控制顶板的初期变形，同时，锚杆(索)支护允许一定的变形，能够在后期起到让压支护的作用[1-2]。

随着对锚杆(索)支护技术研究的深入，众多学者认识到预应力是锚杆支护中的关键参数。朱浮生[3]的研究结果表明，当锚杆预紧力达到60 kN以上时，控制围岩变形效果较好。张农等[4]指出施加锚杆预紧力能显著减小巷道变形量。康红普等[5]利用数值模拟方法研究了锚杆预紧力对巷道围岩附加应力场的影响，认为较高的预紧力形成有效压应力范围广，能够对整个顶板起到支护作用，使锚杆的主动支护效果得到发挥。

由于预应力对锚杆支护的重要影响，本文将从预应力对围岩的作用机理、提高预应力的措施两方面展开研究。

1 锚杆预应力对提高支护效果的作用机理

1.1 锚杆预紧力对支护的影响

通过众多学者的研究，总结锚杆预紧力对巷道支护的影响有以下3个方面[6]。

控制巷道初期变形：在巷道开挖初期，围岩受到采动影响将出现较大幅度的变形，此时施加较高的预紧力，可以有效地悬吊顶板，限制巷道围岩的进一步变形。

能够提高围岩的承载能力：提高预紧力以后能够有效限制围岩节理面的开裂、滑移，阻止塑性区的发展，从而提高围岩的承载能力。

能够提高最终支护强度：高预紧力锚杆在巷道围岩变形以后，本体拉力迅速提高，接近锚杆所能承受最大拉力；同没有施加预紧力的锚杆相比，预应力锚杆最终支护强度普遍偏高，因此，提高的巷道的最终支护强度。

1.2 锚杆预紧力力学模型与分析

巷道开挖以后，会在其上方形成一个椭球型的松动圈，若不及时支护，会形成冒落拱。锚杆支护能够将松动的岩石锚固在上方坚硬顶板上。为了起到有效的悬吊作用，锚杆的预紧力需要足够大，如图1所示[5]。

图1 拱形巷道围岩破坏机制

冒落拱高度计算：冒落拱的高度可以参照《公路隧道设计规范》,按式(1)进行计算

h=0.45×2s-1w

(1)

式中：h—冒落拱高度；s—围岩级别；w—宽度影响系数；w=1+i(B-5)；B—硐室宽度，m；i—每增加1 m时的围岩压力增减率，以B=5 m的围岩垂直均布压力为准。当B<5 m时，取i=0.2；当B>5 m时，取i=0.1。

锚杆预紧力计算：锚杆预紧力应当满足式(2)

(2)

式中：a—锚杆间、排距，m；G—锚杆预紧力，kN/根；k—安全系数，一般取1.5～1.8(松散系数)；h—有效长度；γ—岩体容重。

锚杆扭矩确定：锚杆螺母扭矩与锚杆预紧力的力学关系见式(3)

(3)

式中：P—锚杆预紧力,kN;M—施加的扭矩,N·m;D—锚杆的直径,m;K—与锚杆螺纹的形式、接触面、材料、导程、杆径等有关的系数。在工程实践中，常用的K值取值范围见表1。

表1 常用K值取值范围

由式(3)可知，锚杆预紧力与预紧扭矩成正相关关系。预紧扭矩越大，预紧力相应也越大。根据《煤矿巷道断面和交叉点设计规范》，锚杆的预紧力需达到50 kN，计算可得预紧扭矩为200 kN以上。

1.3 提高锚杆预紧力的措施

施工时采用专用器械：例如采用大扭矩的锚杆钻机、扭矩倍增器、扭矩扳手等。其中煤矿应用最多为气动扭矩扳手，该扳手基本采用冲击旋转式。气动扳手可以产生较大的预紧扭矩，满足绝大多数锚杆预紧力的设计要求。

合理选用锚固剂：锚杆与围岩的粘结作用是通过锚固剂产生的，围岩变形经锚固剂传递给锚杆, 锚杆对围岩的约束也是通过锚固剂传递的。因此，锚固剂的粘结力一定程度上决定着锚杆的支护阻力。目前，锚固剂根据凝固速度分为超快、快速、中速和慢速，一般情况下，孔底应送入快速或者超快速的树脂锚固剂，远离孔底处应该使用中速锚固剂，以加快锚固剂凝结速度。锚固剂的用量需要根据锚杆支护阻力进行计算，保证锚固力大于锚杆杆体的抗拉强度。

合理选择三径：由于预紧力和锚杆直径成反比，直径越小，相同扭矩下的预紧力就越大，因此，应优先选用小直径锚杆。同时，应当注意三径配合，合理的三径匹配关系可以保证树脂药卷的均匀混合,药卷的成本合理,并降低钻孔时间, 同时最主要的是可以保证合理的树脂环形厚度，一般情况下树脂环形厚度约为4～6 mm，用钻头直径为27 mm(孔径约为28 mm) , 锚杆直径为18 mm或20 mm, 药卷直径为23 mm或25 mm。

提高锚杆螺母与杆体的装配精度：提高装配精度，可减小两者之间的摩擦系数。这可以通过提高加工工艺水平，或者在锚杆螺纹部分适当增加润滑剂来实现[5]。

2 工程实践

骆驼山煤矿首采采区采用集中上山布置，其中2号集中回风上山为矩形，沿9#煤层底板掘进，9#煤厚度平均为4.3 m，倾角平均约9°，埋深约210～400之间。9#煤顶底板岩性为砂质泥岩、中粗粒砂岩，岩石强度尚可，泥岩遇水膨胀性弱。

巷道断面为矩形，净宽4.0 m，净高3.6 m；锚杆间排距为800 mm×800 mm，锚索间排距为2 m×2.4 m。该巷道锚杆支护方案如图2所示。

图2 2号集中回风上山支护方案

锚杆直径20 mm，长度2.5 m，托板规格150 mm×150 mm×8 mm；金属网采用φ6 mm钢筋焊接；每根锚杆采用1卷MSK23/35，2卷MSZ23/35型药卷进行锚固。

锚索采用φ17.8 mm的钢绞线，锚索长7.3 m，每根锚索使用1卷MSK23/60，2卷MSZ23/60型树脂药卷。

按照式(1)、式(2)及式(3)进行计算，确定锚杆预紧扭矩为250 N·m，采用风动扳手紧固；锚索预紧力不低于150 kN，使用张拉千斤顶进行张拉。

巷道自掘进之后的变形数据如图3所示，从中可以看出，巷道变形量很小，符合使用要求。

图3 巷道变形

3 结论

(1)锚杆支护的关键点是有较高的初始预紧力，初始预紧力越高，锚杆的主动支护效果越强，可大大减小巷道的初始变形。

(2)预紧力的大小可根据理论公式与现场经验相结合来确定。

(3)提高预紧力可使用扭矩扳手，风动扳手，在螺母和球垫中增加尼龙垫圈，提供锚杆尾部螺纹的加工精度等方法来实现。

(4)合理的预紧力是实现锚杆主动支护作用，同时也是减小初期围岩变形的关键，在工程实践和理论研究中，应当进一步加强对锚杆预紧力的研究。