预应力锚杆在巷道支护中的应用

郭 刚

（山西华实矿山设备有限公司， 山西 太原 030024）

引言

巷道支护质量直接决定工作面巷道生产的安全性。目前，工作面最普遍的支护方式为锚杆+锚索联合支护方式，而锚杆支护处于被动状态，表现为锚杆的长度短、直径小、支护强度小的问题。实际生产中，为了增加巷道的支护效果通过增加锚杆密度，此举在一定程度上增加了巷道支护的成本[1]。为此，提出将预应力锚杆应用于巷道的支护中的方案。

1 工程概况

本文以山西华实矿31303 工作面为载体，该工作面巷道的顶底板情况如表1 所示：

表1 31303 工作面顶顶情况

经现场监测，可将31303 工作面巷道围岩的稳定性分为四类，其对应的位置及其安全系数如表2所示。

2 预应力锚杆作用机理研究

综采工作面的采掘打破了工作面围岩原先的平衡状态，使得巷道的应力状态发生变化，从平衡的三向应力变为双向应力或单向应力，从而使得工作面巷道承受围岩载荷的能力变小。故，为保证工作面的安全生产，需对其进行支护设计[2]。经实践表明，目前应用于工作面支护锚杆的间距一般在0.7～1 m 之间，而且当巷道发生离层现象时，锚杆所分担的力很小。

表2 31303 工作面围岩稳定性分类

因此，为提升锚杆支护的可靠性在锚杆上施加一定的力以提高锚杆支护的效果。预应力锚杆提升巷道支护质量的作用机理主要体现如下：

1）预应力锚杆能够及时向巷道围岩表面提供足够的支护抗力，进而限制巷道围岩的变形；

2）基于预应力锚杆支护在巷道顶底板以及两帮表面形成组合梁合或者组合拱以达到加固巷道围岩的目的；

3）基于预应力锚杆能够达到改善巷道围岩力学参数、改善围岩体的受力状态和应力场的目的。

4）预应力锚杆将围岩与锚杆形成一个整体的承载结构，降低巷道围岩和锚杆失效的概率。

普通锚杆支护和预应力锚杆支护下支护效果的对比如下页图1 所示。

普通锚杆支护下，围岩开裂到一定程度时锚杆支护才发挥作用，前期的支护力仅由围岩的支撑力提供；而在预应力锚杆支护下，巷道支护力始终为围岩、锚杆、网以及喷层的支护总和[3]。因此，预应力锚杆支护效果明显优于普通锚杆支护。

3 预应力锚杆支护的应用

结合31303 工作面的顶底板情况和预应力锚杆支护的优势，该工作面采用预应力锚杆支护验证锚杆支护的效果。

图1 支护效果对比

3.1 锚杆支护参数的确定

3.1.1 锚杆长度的确定

锚杆支护长度主要由锚杆的外露长度、锚杆的有效长度以及锚杆的锚固长度决定。其中，锚杆的有效长度由围岩稳定性的等级所决定；锚杆的外露长度一般取0.1 m，锚固长度一般取0.5 m。

因此，根据工作面围岩的稳定性等级所确定锚杆总长度参数如下：1 围岩锚杆总长度为1.8 m；2 号围岩锚杆总长度为4 m；3 号围岩锚杆总长度为5 m；4 号围岩锚杆总长度为5 m。

3.1.2 锚杆直径的确定

锚杆直径的计算公式如式（1）所示：

式中：K 为不同围岩稳定性下的安全系数，取2；L2为锚杆的有效长度，取2 m；α1为锚杆的间距，取1 m；α2为锚杆的排距，取1 m；γ 为巷道不稳定围岩的平均重力密度，取25 kN/m3；σ 为锚杆杆体的抗拉强度，经查阅资料可知，树脂锚杆杆体的抗拉强度为400 MPa，螺旋钢锚杆的抗拉强度为350 MPa[4]。

将数值代入公式可得：采用树脂锚杆支护时对应锚杆直径的理论值为17.8 MPa，将其圆整为16 mm 或18 mm；采用螺旋缸锚杆直径的理论值为19.1 mm，将其圆整为20 mm。

综上所述，针对31303 工作面不同等级围岩稳定性，所确定的支护参数如下：

1 号稳定围岩：锚杆长度为1.8 m；锚杆类型为树脂锚杆，锚杆直径为16 mm，对应锚杆间排距均为1 m，每排锚杆的数量为4 根。

2 号中等稳定围岩：锚杆长度为4 m；锚杆类型为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆直径为20 mm，对应锚杆间排距均为1 m，每排锚杆的数量为2 根。

3 号不稳定围岩：锚杆长度为5 m；锚杆类型为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆直径为20 mm，对应锚杆间排距均为1 m，每排锚杆的数量为2 根。

4 号中等稳定围岩：锚杆长度为5 m；锚杆类型为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆直径为20 mm，对应锚杆间排距均为1 m，每排锚杆的数量为3 根。

3.2 锚杆预应力值的确定

经理论分析可知，对于稳定围岩和中等稳定而言，对应支护效果最佳的锚杆预应力取值范围为0.02～0.1 MPa；对于不稳定围岩和极不稳定围岩而言，对应支护效果最佳的锚杆应力取值范围为0.05～0.15 MPa[5]。

因此，结合31303 工作面顶底板情况设定稳定围岩（1 号）所采用锚杆支护的预应力值为0.055 7 MPa；中等稳定围岩（2 号）所采用锚杆的预应力值为0.0621MPa；不稳定围岩（3 号）所采用锚杆支护的预应力值为0.115 MPa；中等稳定围岩（2 号）所采用锚杆的预应力值为0.121 MPa。

31303 工作面预应力锚杆的安装效果如图2所示：

图2 31303 工作面锚杆安装效果图

4 结语

1）预应力锚杆可在当围岩开裂初期发挥其支护作用；而普通锚杆只有当围岩开裂到一定程度后才能发挥支护作用。

2）以山西华实矿31303 工作面为研究载体，根据其顶底板情况对其围岩稳定性的等级进行划分，并根据不同稳定性的围岩确定对应的锚杆直径、长度、类型以及预应力值。将稳定围岩和中等稳定的预应力值确定在0.05～0.1 MPa 之间；将不稳定围岩和极不稳定围岩的预应力确定在0.1～0.15 MPa。