煤矿巷道预应力锚杆支护技术

靳 帅

(潞安集团司马煤业有限公司，山西 长治 047100)

0 引言

煤矿巷道支护技术的发展为煤矿工程的安全性及稳固性提供了重要保障，巷道支护由最初的木支护发展到砌碹支护，而后又发展至型钢和锚杆支护，其中锚杆支护为当前的新技术，锚杆支护中的预应力应用能够降低支护成本和强化支护的安全性[1]。为此，其也成为业界关注的焦点。需要从预应力锚杆的支护原理，来探讨其参数及支护效果，以期为煤矿开采的经济性、安全性提供参考。

1 预应力锚杆支护的原理

1.1 锚杆支护功能分析

锚杆支护是常用的支护技术，同传统的砌碹支护、木支护相比，锚杆支护会影响围岩性质，对围岩结构、强度及应力产生作用。锚杆支护可以将围岩极限强度、弹性模量等力学指标大大提高[2]，从而改变了其力学特征，减少了屈服围岩的变形力度，而锚杆给围岩结构面的强度也会带来极大影响，围岩受到锚杆提供的切向力、轴向力后，会使其轴向及抗剪等承载力得到显著提升，从而阻止围岩结构面的滑移，保证围岩完整。此外，围岩还受到锚杆的特定压力，这种压力有利于改善围岩的应力状况，对围岩受拉区域的拉应力起到抵消的作用，并利用增加其摩擦力等方法来强化围岩受剪区域的抗剪承载力。

1.2 预应力在锚杆支护中的作用分析

预应力锚杆主要是利用对围岩裂隙及变形的控制来实现的，以保障受固区域围岩的完整性，使其受到的作用力下降，以确保锚固区承载力极限、刚度的提高[3]。将预应力注入锚杆中，可使支护效果大大提高，实际应用中，在每根锚杆中不断地施加一定强度的预应力，添加托板等相关构件，帮助预应力扩散到围岩，在此过程中，添加的构件能够对锚杆的固定起到重要作用。同时，在锚杆支护系统中，其重要功能便是临界支护的刚度作用，如果临界支护刚度高于支护系统的刚度，则围岩支护效果减弱，不利于其状态的稳定，在荷载作用下，围岩容易出现滑移、裂缝等问题。但锚杆支护并不能极有效地控制围岩变形，如果围岩出现滑移，其整体性的变形不能利用锚杆作用来改善，因此，在锚杆支护系统中，预应力必须有一定量的冲击韧性，以确保围岩释放变形及防止锚杆被拉断。

2 设计锚杆支护中的预应力参数

2.1 设计锚杆预应力参数

在锚杆支护中，预应力的参数直接关系到其支护效果，但设计预应力参数必须以降低围岩承受的拉力作用和防止其明显滑移为原则[4]。实践显示，预应力参数的合理性能够控制围岩变形的程度，使巷道的安全性增强。从国内外实践经验及数据来看，设计锚杆预应力应参照锚杆的屈服强度，取其30%～50%作为预应力，锚杆的直径同锚杆屈服强度间的关系密切，锚杆直径大，强度也大，随着强度的增大，其对预应力的要求也相应的提高。

2.2 锚杆的力学参数

锚杆抗剪程度、屈服强度、延伸率及抗拉等强度是锚杆的主要力学参数，这些参数都同锚杆材料有关，如果锚杆材料强度高，在直径相同的情况下，其所能承受的荷载也就越大；如果锚杆材料强度足够，则其还应具备相应的冲击韧性，以免锚杆发生脆断现象。当然，锚杆材料的选择应以强度大小为准，通常选用高强度锚杆来支护，以确保支护的效果。在锚杆支护速度方面，应选择适当的支护密度来调整支护的速度，并保证该强度与所加预应力相匹配，使锚杆支护效果得到充分发挥。

2.3 锚杆直径的控制

通常情况下，我国锚杆直径为16.0～25.0 mm间，确定锚杆直径需要考虑下列因素。

首先，同钻孔直径匹配，锚杆直径和钻孔直径差应控制在6～10 mm间，钻孔直径与树脂锚固剂直径之差应控制在4～8 mm间。

其次，施加预应力与锚杆直径的匹配，选择锚杆直径应充分考虑巷道围岩状况，依据所应施加预应力大小来确定锚杆的直径。

2.4 确定锚杆长度

当前，我国煤矿巷道锚杆支护选用的锚杆长度为2 m左右，而确定锚杆长度应注意以下两个方面。①锚固区承载结构应稳定，若锚杆的长度不足，或过短，且锚固区的厚度又太小，那么巷道顶板就难以保证其稳定性。如果锚杆的长度过长，则会影响其承载力，因此锚杆长度的选择必须在合理的范围内；②锚杆长度必须同锚杆直径、锚杆强度及预应力等参数值相匹配。如果锚杆预应力不高，且直径又小，那么其长度就不应过大，当其较大时，其预应力也应相应加大。

2.5 锚杆的锚固方法

锚固锚杆的方法主要有加长锚固、端部及全长等锚固方法，其中端部锚固时锚杆的预应力分布较为均匀，难以有效感知到变形区域的围岩，为确保锚杆的支护效果，必须增加其预应力。在全长锚固法中，预应力的分布呈不均匀状态，在围岩滑动区域，锚杆的受力比较大，对围岩的变形能够敏锐地感知到。加长锚固是全长锚固、端部锚固特点的综合，现已被广泛应用。锚固方法的选择，应充分考虑其预应力的作用效果，而端部锚固的效果相对较好，然而，端部锚固法的应用也有一定的限制，因此，选择锚杆锚固方法应根据实际状况进行选择。

3 预应力锚杆支护的应用实践

司马井田现开采煤层为3#煤层，煤层顶、底板局部为砂岩或粉砂岩。煤层伪顶一般为不连续的泥岩或炭质泥岩，顶板岩土常为砂石泥岩、泥岩，部分是细粒砂石和粉砂岩。底板为砂质泥岩、泥岩，局部为砂岩或粉砂岩。司马井田地形总体呈西南高，北低的趋势，标高在931.07～993.33 m之间。

3.1 了解工程状况和支护方案

采3#煤层，煤层平均厚度6.62 m，硬度f小于1，倾角3°～6°，局部最大为11°。矿井地质类型为中等，井田构造复杂程度由简单偏向中等，底板局部有起伏变化，且存在陷落柱、断层等小型构造。煤矿煤层埋深极大，巷道常在地面800 m左右处，且存在许多断层，工作面内断层间高差在5～23 m间，围岩水平应力较大，从煤层顶板岩土质看，巷道顶板应采用复合型顶板，能够敏感地感知到围岩必行。在充分考虑施工条件及围岩特征的情况下，选择预应力锚杆支护为支护的方案。

3.2 计算锚杆长度

顶板锚杆长度L为：L=L1+L2+L3，其中,L1—外露的锚杆长度；L2—锚杆的有效长度；L3—端部锚固程度。

L1=铁垫板厚(铁托盘)+螺母厚+(20～30 mm)

其中:B—巷道宽度，k、m(取3～5)—安全系数；σt—岩层下位抗拉强度；σx—原始水平应力。

两帮锚杆长度为：L=L1+L2+L3

锚固力计算公式

Q=N+P0

其中：P0—围岩变形中锚杆受到的作用力。

计算锚杆直径：依据钢筋砼相关规范，预应力值应是其屈服应力的65%～75%间，所有锚杆直径计算公式为

其中：k—0.65～0.75；σr—钢材屈服极限。

4 支护效果分析

为分析各支护方案的支护效果，对预应力参数进行优化，在不同区段的巷道内，分别采用普通锚杆、锚杆预应力等方案来支护，以检测巷道的变形状况。结果如图1所示。

由图1可知，用普通锚杆支护巷道两帮的变形较大，巷道围岩处于变形态势中，而巷道顶板、底板的变形则不大。用预应力锚杆支护巷道底板、顶板、两帮的变形都在一定的范围内，且较为合理。所以，在巷道支护中，预应力锚杆支护的效果具有一定的优势。

a-普通锚杆支护；b-预应力锚杆支护图1 不同支护方案的比较

5 结语

煤矿巷道支护事关煤矿开采的安全性，煤矿巷道支护的方法较多，但预应力锚杆支护具有独特的优势。如果对预应力锚杆参数进行灵活调整，预应力大小、支护参数等应由巷道围岩性质来确定，以便于进一步对其支护效果进行优化。许多理论分析、现场观察和模拟实验结果都表明，在支护效果方面，应力锚杆支护更具安全性和稳定性，但应注意其各类参数的选择，利用不断的调整来实现优化。