康紅普

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013）

煤礦預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

康紅普1,2

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013）

介紹我國(guó)煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程,分析預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)作用機(jī)理與影響因素,確定錨桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的原則是控制圍巖不出現(xiàn)明顯離層與拉應(yīng)力區(qū),得出不同錨桿的預(yù)應(yīng)力取值范圍,分析影響錨桿預(yù)應(yīng)力的主要因素。論述預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索對(duì)支護(hù)材料的要求,介紹高強(qiáng)度、高延伸率錨桿與錨索材料力學(xué)性能,高預(yù)應(yīng)力施加方法與機(jī)具。最后,介紹預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索支護(hù)在復(fù)雜困難巷道中的應(yīng)用,包括支護(hù)形式與支護(hù)效果。指出預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索支護(hù),必要時(shí)進(jìn)行注漿加固,是一種復(fù)雜困難巷道有效的支護(hù)形式。

煤礦巷道;錨桿支護(hù);錨索;預(yù)應(yīng)力;發(fā)展;應(yīng)用

我國(guó)大中型煤礦每年新掘進(jìn)的巷道總長(zhǎng)度高達(dá)10000km左右,而且 80%以上是煤巷與半煤巖巷,地下巷道工程巨大。煤礦沉積巖層強(qiáng)度低、破碎,絕大部分煤巷受到采煤工作面動(dòng)壓影響。隨著煤礦開采深度增加,不僅原巖應(yīng)力高,而且與不斷變化的采動(dòng)應(yīng)力疊加,導(dǎo)致高應(yīng)力、大變形巷道所占比重很大。煤礦特殊地質(zhì)環(huán)境與生產(chǎn)條件,決定了巷道支護(hù)難度大,對(duì)支護(hù)技術(shù)要求高。

煤礦巷道支護(hù)經(jīng)歷了木支護(hù)、砌碹支護(hù)、型鋼支護(hù)到錨桿支護(hù)的發(fā)展過(guò)程。國(guó)內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,錨桿支護(hù)是煤礦巷道經(jīng)濟(jì)、有效的支護(hù)技術(shù)。不僅提高了巷道支護(hù)效果,降低了巷道支護(hù)成本,而且十分有利于采煤工作面的快速推進(jìn)和煤炭產(chǎn)量的提高[1]。目前,錨桿支護(hù)技術(shù)已成為我國(guó)煤礦巷道首選的、安全高效的主要支護(hù)方式。

錨桿支護(hù)經(jīng)歷了從低強(qiáng)度、高強(qiáng)度到高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)的發(fā)展過(guò)程。通過(guò)不斷研究、試驗(yàn)與推廣應(yīng)用,逐步認(rèn)識(shí)到預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的重要作用,預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)得到大面積推廣應(yīng)用。本文在介紹煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展過(guò)程的基礎(chǔ)上,論述預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)作用機(jī)理、預(yù)應(yīng)力參數(shù)設(shè)計(jì)、預(yù)應(yīng)力支護(hù)材料與施工機(jī)具,介紹預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用情況。

1 煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程

我國(guó)煤礦從 1956年開始使用錨桿支護(hù),至今已有 50多年的歷史。錨桿支護(hù)首先在巖巷中應(yīng)用成功,隨后大力推廣應(yīng)用了以 “三小”為代表的錨噴支護(hù)技術(shù),使得錨噴支護(hù)成為巖巷的主要支護(hù)方式。20世紀(jì) 60年代錨桿支護(hù)開始在采區(qū)巷道中應(yīng)用。但是,由于煤巷圍巖比較松軟破碎,又受到采煤工作面動(dòng)壓影響,圍巖變形大,加之我國(guó)早期錨桿支護(hù)強(qiáng)度、剛度低,錨桿支護(hù)理論、支護(hù)材料、施工機(jī)具及監(jiān)測(cè)儀器等還不成熟,導(dǎo)致煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展緩慢。1990年我國(guó)國(guó)有重點(diǎn)煤礦煤巷錨桿支護(hù)僅為 5%。

從錨桿支護(hù)型式的發(fā)展過(guò)程看,我國(guó)最早采用的主要是機(jī)械錨固錨桿和鋼絲繩砂漿錨桿;1974年開始研制和試驗(yàn)樹脂錨桿,并于 1976年在淮南、雞西、徐州等礦區(qū)進(jìn)行了井下試驗(yàn),取得較好效果;我國(guó)還引進(jìn)和應(yīng)用了管縫式錨桿、脹管式錨桿等,開發(fā)研制了廉價(jià)的快硬水泥錨桿;1996年又從澳大利亞引進(jìn)高強(qiáng)度樹脂錨固錨桿,并針對(duì)我國(guó)煤礦條件進(jìn)行了二次開發(fā)和完善提高。可以說(shuō),國(guó)外使用過(guò)的錨桿支護(hù)型式國(guó)內(nèi)基本上都用過(guò)。

為了解決煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)難題,在 1991-1995年,國(guó)家將煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)列為重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目,完成了 “采準(zhǔn)巷道組合錨桿支護(hù)技術(shù)”、“采準(zhǔn)巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護(hù)規(guī)范”等一批水平較高的科研項(xiàng)目,研究成果應(yīng)用于新汶、鐵法、兗州、峰峰、淮南等多個(gè)礦區(qū),取得較好的支護(hù)效果。到 1995年,國(guó)有重點(diǎn)煤礦當(dāng)年新掘的巷道中,錨桿支護(hù)所占比重為 28.19%,其中巖巷占 57.2%,煤巷占 15.15%。在這一階段,雖然煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)取得一定進(jìn)展,但發(fā)展較慢,主要應(yīng)用在圍巖條件比較好的巷道。

在“九五”期間,原煤炭部又把煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)列為重點(diǎn)課題進(jìn)行了攻關(guān)研究。特別是1996-1997年我國(guó)引進(jìn)了澳大利亞錨桿支護(hù)技術(shù),在邢臺(tái)礦務(wù)局進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)演示,完成了重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“邢臺(tái)礦務(wù)局煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)研究”,顯著提高了我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)水平[1]。開發(fā)出以地應(yīng)力為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)方法、高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿、小孔徑樹脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索、頂板離層指示儀、測(cè)力錨桿等新技術(shù)、新材料、新產(chǎn)品,并應(yīng)用于煤頂巷道、復(fù)合與破碎頂板巷道等困難條件,取得良好的支護(hù)效果。

進(jìn)入 21世紀(jì)后,隨著綜采放頂煤、厚煤層一次采全高開采技術(shù)的快速發(fā)展和大面積應(yīng)用,對(duì)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)提出更高要求。煤頂和全煤巷道、大斷面巷道、沿空掘巷及破碎圍巖巷道所占的比重越來(lái)越大,支護(hù)難度顯著加大。為此,多個(gè)礦區(qū)相繼開展了煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)研究、試驗(yàn)與推廣應(yīng)用,顯著提高了巷道支護(hù)效果,降低了支護(hù)成本,為礦井安全、高效生產(chǎn)創(chuàng)造了良好條件。

2005年以來(lái),為了解決深部高地應(yīng)力巷道、受強(qiáng)烈采動(dòng)影響巷道、沿空留巷等復(fù)雜困難條件支護(hù)難題,我國(guó)又開發(fā)出高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿與錨索支護(hù)技術(shù)[2-3]。井下應(yīng)用大幅度減少了巷道圍巖變形與破壞,巷道支護(hù)與安全狀況發(fā)生了本質(zhì)改變。同時(shí),實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度的“三高一低”的現(xiàn)代錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)理念,在保證支護(hù)效果的前提下,顯著提高了巷道掘進(jìn)速度與工效。

到目前為止,國(guó)有大中型煤礦的煤巷錨桿支護(hù)率達(dá)到 60%,有些礦區(qū)超過(guò)了 90%,甚至達(dá)到100%。我國(guó)煤礦已經(jīng)形成了具有中國(guó)特色的錨桿支護(hù)成套技術(shù)體系。該技術(shù)深刻改變了礦井的開拓部署與巷道布置方式,對(duì)我國(guó)礦井建設(shè)、煤炭產(chǎn)量與效益的大幅度提高及安全狀況的改善,起到不可替代的重要作用。

2 預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論

2.1 錨桿支護(hù)作用分析

錨桿支護(hù)作為圍巖的一種加固技術(shù),與設(shè)置在巷道開挖表面、限制開挖邊界位移的各種支護(hù)結(jié)構(gòu)（金屬支架,砌碹與混凝土襯砌等）的支護(hù)原理有本質(zhì)區(qū)別。通過(guò)對(duì)錨桿支護(hù)構(gòu)件作用、加固機(jī)理研究,結(jié)合圍巖性質(zhì)的三要素:圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)和圍巖應(yīng)力,對(duì)錨桿支護(hù)的作用有以下共識(shí)[3]:

（1）錨桿可不同程度地提高圍巖強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù),而且主要是改善圍巖屈服后的力學(xué)性質(zhì),顯著提高屈服后的強(qiáng)度,改變屈服后圍巖變形特性。

（2）錨桿對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度影響很大。通過(guò)錨桿提供的軸向力與切向力,提高結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度,阻止結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生移動(dòng)與滑動(dòng)。通過(guò)提高結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度,提高節(jié)理煤巖體整體強(qiáng)度、完整性。

（3）錨桿給圍巖施加一定壓應(yīng)力,改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于受拉區(qū)域,可抵消部分拉應(yīng)力;對(duì)于受剪區(qū)域,通過(guò)壓應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力,提高圍巖的抗剪能力。

2.2 預(yù)應(yīng)力對(duì)錨桿支護(hù)作用機(jī)理

近年來(lái),隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的快速發(fā)展,錨桿支護(hù)理論研究也有較大進(jìn)展。逐步認(rèn)識(shí)到提高錨固體的剛度非常重要,特別是預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的決定性作用。我國(guó)煤礦對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力重要性的認(rèn)識(shí)主要受美國(guó)的影響。美國(guó)礦山巷道錨桿預(yù)應(yīng)力一般為 100kN,達(dá)到錨桿桿體屈服強(qiáng)度的 50%～75%。高預(yù)應(yīng)力錨桿顯著提高了巷道支護(hù)效果與圍巖穩(wěn)定性,大幅度降低了頂板事故[4]。我國(guó)較早采用預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)的典型例子是 1996年以來(lái)推廣應(yīng)用的小孔徑預(yù)應(yīng)力樹脂錨固錨索。不僅因?yàn)殄^索錨固深度大,更主要的是錨索可以施加較大的預(yù)應(yīng)力,顯著提高了巷道支護(hù)效果,擴(kuò)大了錨桿應(yīng)用范圍。通過(guò)不斷研究與試驗(yàn),對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)機(jī)理有了比較深入的認(rèn)識(shí)[5-6]。

（1）預(yù)應(yīng)力錨桿的本質(zhì)作用在于控制錨固區(qū)圍巖離層、滑動(dòng)、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形與破壞,保持錨固區(qū)圍巖的完整性,減小錨固區(qū)圍巖強(qiáng)度的降低,在錨固區(qū)內(nèi)形成剛度較大的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)。

（2）錨桿預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散對(duì)支護(hù)效果起決定性作用。不僅要對(duì)單根錨桿施加較高的預(yù)應(yīng)力,而且必須通過(guò)托板、鋼帶等構(gòu)件將預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到圍巖中,護(hù)表構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。

（3）錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)剛度,即使錨固區(qū)不產(chǎn)生明顯離層和拉應(yīng)力區(qū)所需要支護(hù)系統(tǒng)提供的剛度。支護(hù)系統(tǒng)剛度小于臨界支護(hù)剛度,圍巖將長(zhǎng)期處于變形與不穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）錨桿支護(hù)對(duì)圍巖彈性變形、峰值強(qiáng)度之前的塑性變形及整體變形控制作用不明顯,要求支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的延伸率和沖擊韌性,使這類變形得以釋放,避免錨桿拉斷與脆斷。

（5）預(yù)應(yīng)力錨索的作用主要表現(xiàn)在兩方面:一是將錨桿支護(hù)形成的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連,提高預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,同時(shí)充分調(diào)動(dòng)深部圍巖的承載能力;二是錨索施加高預(yù)應(yīng)力,與錨桿形成的壓應(yīng)力區(qū)組合成骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),主動(dòng)支護(hù)圍巖。

3 預(yù)應(yīng)力參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 錨桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

井下實(shí)踐證明,合理的預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索支護(hù)能夠有效控制離層與滑動(dòng),因此,錨桿與錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的原則是控制圍巖不出現(xiàn)明顯的離層、滑動(dòng)與拉應(yīng)力區(qū)。借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn),結(jié)合國(guó)內(nèi)部分礦區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),可選擇錨桿預(yù)應(yīng)力為桿體屈服載荷的30%～60%。表 1列出了不同錨桿的預(yù)應(yīng)力取值（桿體屈服載荷的 50%）?？梢?jiàn),錨桿直徑越大,桿體材質(zhì)強(qiáng)度越高,要求的預(yù)應(yīng)力值越高。

3.2 錨桿預(yù)應(yīng)力影響因素

目前,錨桿主要是通過(guò)擰緊螺母獲得預(yù)應(yīng)力,這種方式的影響因素很多。錨桿預(yù)應(yīng)力不僅與螺母預(yù)緊力矩相關(guān),而且還取決于扭矩轉(zhuǎn)換系數(shù)。影響轉(zhuǎn)換系數(shù)的因素有:螺母與錨桿螺紋段的摩擦系數(shù),摩擦系數(shù)越大,轉(zhuǎn)換系數(shù)越小;螺母、墊圈端面的摩擦系數(shù),摩擦系數(shù)越小,轉(zhuǎn)換系數(shù)越大;錨桿直徑,錨桿越粗,轉(zhuǎn)換系數(shù)越小。

實(shí)驗(yàn)室在不同端面減摩條件下 （不使用減摩墊片,減摩墊片分別為聚四氟乙烯、1010尼龍、改性 1010尼龍及高密度聚乙烯）,M24螺紋預(yù)緊力矩與預(yù)應(yīng)力的關(guān)系如圖 1。可見(jiàn),預(yù)緊力矩與預(yù)應(yīng)力基本成線性關(guān)系;在相同預(yù)緊力矩下,減摩墊片可使錨桿預(yù)應(yīng)力顯著提高。其中,1010尼龍墊片的減摩效果最為明顯。

表1 不同材質(zhì)與規(guī)格錨桿的預(yù)應(yīng)力值

圖1 M24錨桿預(yù)緊力矩與預(yù)應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線

井下對(duì) φ25mm的錨桿預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表 2。可見(jiàn),井下錨桿預(yù)應(yīng)力隨力矩增加逐漸增大,但當(dāng)力矩超過(guò)400N·m時(shí),預(yù)應(yīng)力增加變得緩慢。實(shí)驗(yàn)室錨桿預(yù)應(yīng)力隨力矩增加基本線性增大,隨著力矩增加,實(shí)驗(yàn)室與井下數(shù)據(jù)差值逐步增大。

表2 實(shí)驗(yàn)室與井下實(shí)測(cè)錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)比 （φ25mm錨桿）

導(dǎo)致出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因:一是實(shí)驗(yàn)室采用的錨桿螺紋為標(biāo)準(zhǔn)螺栓,加工精度高,螺母與螺紋間的摩擦力小,扭矩轉(zhuǎn)換系數(shù)大,預(yù)應(yīng)力高;而井下使用的錨桿,采用滾絲加工工藝,精度低,螺母與螺紋間的摩擦力大,扭矩轉(zhuǎn)換系數(shù)小,預(yù)應(yīng)力低;二是實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)條件與井下有較大差別。

3.3 提高錨桿預(yù)應(yīng)力的方法

提高錨桿預(yù)應(yīng)力的技術(shù)措施分為兩方面:其一是提高螺母預(yù)緊力矩;其二是提高扭矩轉(zhuǎn)換系數(shù)。

美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家,普遍采用錨桿臺(tái)車、掘錨聯(lián)合機(jī)組施工錨桿。錨桿鉆機(jī)的輸出扭矩大,有的超過(guò) 500N·m,能夠保證錨桿的高預(yù)應(yīng)力。國(guó)內(nèi)普遍采用單體錨桿鉆機(jī)鉆裝錨桿,這種錨桿鉆機(jī)輸出扭矩一般為 100～150N·m,無(wú)法實(shí)現(xiàn)錨桿的高預(yù)應(yīng)力。為了顯著提高錨桿預(yù)緊力矩,措施之一是采用專門的高扭矩螺母擰緊設(shè)備 （如大扭矩扳手及扭矩倍增器）;其二是在適宜的條件下,引進(jìn)、開發(fā)錨桿臺(tái)車和掘錨聯(lián)合機(jī)組,保證錨桿快速、高質(zhì)量安裝。

提高扭矩轉(zhuǎn)換系數(shù)的主要措施是:提高螺紋加工精度等級(jí),降低螺母與錨桿螺紋段的摩擦系數(shù);在螺母與托板之間加減摩墊片,減小螺母、墊圈端面的摩擦系數(shù)。

3.4 錨索預(yù)應(yīng)力

錨索與錨桿相比,具有長(zhǎng)度大、破斷載荷高等特點(diǎn),因此,錨索的預(yù)應(yīng)力應(yīng)更大。錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的原則為:錨索與錨桿預(yù)應(yīng)力形成的有效壓應(yīng)力區(qū)相互連接、重疊,形成以錨索為骨架、錨桿為連續(xù)帶的骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[6],對(duì)錨桿、錨索之間圍巖起到有效的主動(dòng)支護(hù)作用。

錨索越長(zhǎng)、直徑越大、強(qiáng)度越高,施加的預(yù)應(yīng)力應(yīng)越大。根據(jù)我國(guó)煤礦巷道條件、現(xiàn)有錨索規(guī)格及張拉設(shè)備,錨索預(yù)應(yīng)力一般應(yīng)為其拉斷載荷的40%～70%。

4 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)材料

錨桿支護(hù)材料包括桿體、托板、螺母、錨固劑、組合構(gòu)件、金屬網(wǎng)、錨索等。對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨桿,支護(hù)材料除應(yīng)符合錨桿的基本要求外,還應(yīng)滿足以下要求:

（1）錨桿桿體應(yīng)具有較高的抗拉強(qiáng)度,以便施加較大的預(yù)應(yīng)力。同時(shí),桿體應(yīng)具有較大的延伸率及沖擊韌性,保證在高預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下不破斷。

（2）桿體尾部有利于施加較大的預(yù)應(yīng)力。應(yīng)優(yōu)化尾部螺紋形狀與幾何尺寸,提高螺紋加工精度,以提高螺母扭矩轉(zhuǎn)換系數(shù)。

（3）錨桿托板、螺母、球形墊圈、減摩墊圈應(yīng)與桿體匹配,一方面有利于提高錨桿預(yù)應(yīng)力,另一方面使桿體處于較好的受力狀態(tài),避免桿體處于拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲及剪切等不利的組合應(yīng)力狀態(tài)。

（4）錨索應(yīng)具有較高的破斷載荷與延伸率,以便施加高預(yù)應(yīng)力,索體不破斷。

（5）托板、鋼帶、金屬網(wǎng)等護(hù)表構(gòu)件的力學(xué)性能應(yīng)與錨桿、錨索相匹配,以實(shí)現(xiàn)錨桿、錨索預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散。

為了滿足第 1個(gè)條件,開發(fā)出 2個(gè)級(jí)別的高強(qiáng)度錨桿螺紋鋼筋,力學(xué)性能見(jiàn)表 3。對(duì)于 φ22mm的 BHRB600型鋼筋,屈服力達(dá) 228kN,破斷力達(dá)304kN,延伸率達(dá) 25%,沖擊吸收功達(dá) 50J,實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高延伸率及高沖擊韌性。

表3 高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿鋼筋的力學(xué)性能

針對(duì)國(guó)內(nèi)錨桿尾部螺紋加工精度低、質(zhì)量差等問(wèn)題,對(duì)螺紋幾何形狀與尺寸進(jìn)行了優(yōu)化,對(duì)加工工藝與設(shè)備進(jìn)行了深入研究,在一定程度上提高了螺紋加工精度與質(zhì)量。

在錨桿托板、螺母、球形墊圈、減摩墊圈的設(shè)計(jì)及力學(xué)性能方面進(jìn)行了深入研究,優(yōu)化了托板、球形墊圈、減摩墊圈的幾何形狀與尺寸,優(yōu)選了托板與墊圈的材料,基本滿足高預(yù)應(yīng)力錨桿的要求。

在小孔徑樹脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索方面,針對(duì)原有錨索直徑小、破斷載荷小、延伸率低、預(yù)應(yīng)力水平低等問(wèn)題,開發(fā)出大直徑、高噸位的錨索[7]。一方面加大錨索索體直徑,最大達(dá) 28.6mm,顯著提高了索體的破斷力;另一方面,改變了索體結(jié)構(gòu),采用 19根鋼絲代替原來(lái)的 7根鋼絲 （圖 2）,明顯提高了錨索的延伸率。如 φ22mm的錨索破斷力超過(guò) 600kN,索體延伸率接近 7%。此外,開發(fā)出與強(qiáng)力錨索配套的拱形托板,并配調(diào)心球墊,改善了錨索受力狀態(tài),使錨索支護(hù)能力得以充分發(fā)揮。

圖2 強(qiáng)力錨索結(jié)構(gòu)

5 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)施工機(jī)具

5.1 預(yù)應(yīng)力錨桿

國(guó)內(nèi)外從施工機(jī)具方面提高錨桿預(yù)應(yīng)力主要有2種方法:一是提高螺母的擰緊力矩;二是采用錨桿張拉器,給錨桿施加較大的預(yù)應(yīng)力。

提高螺母擰緊力矩的方法有:

（1）采用大扭矩錨桿鉆機(jī) 不僅可提高錨桿擰緊力矩,而且可實(shí)現(xiàn)錨桿安裝一體化,提高施工速度。如國(guó)外普遍采用的掘錨機(jī)組 （ABM20）,其錨桿鉆機(jī)的扭矩可達(dá) 270～380N·m;與連續(xù)采煤機(jī)配套的錨桿臺(tái)車,大都以液壓為動(dòng)力,錨桿鉆機(jī)的扭矩也達(dá)到 300N·m以上。

（2）采用扭矩倍增器 為了提高錨桿鉆機(jī)的安裝扭矩,在鉆機(jī)上采用扭矩倍增器可成倍增加錨桿螺母的擰緊力矩。扭矩倍增器的扭矩放大倍數(shù)從幾倍到十幾倍不等,可根據(jù)具體條件進(jìn)行選擇。

（3）采用扭矩扳手 采用大扭矩的預(yù)緊扳手?jǐn)Q緊錨桿螺母是提高錨桿預(yù)應(yīng)力的有效手段。國(guó)內(nèi)外目前有多種形式扭矩扳手,按動(dòng)力源可分為液壓、氣動(dòng)扭矩扳手;按工作原理可分為旋轉(zhuǎn)式、沖擊式扭矩扳手。

采用錨桿張拉器,是錨桿獲得高預(yù)應(yīng)力的另一條有效途徑。錨桿預(yù)應(yīng)力與螺母擰緊力矩之間的關(guān)系比較復(fù)雜,受多種因素影響。采用錨桿張拉器能夠獲得比較大的、確定的預(yù)應(yīng)力,而且使錨桿僅處于拉伸狀態(tài)。但是,錨桿張拉器存在 2個(gè)明顯缺點(diǎn):一是增加了錨桿安裝設(shè)備;二是增加了錨桿張拉工序,比較耗時(shí)、耗力,影響施工速度。

5.2 預(yù)應(yīng)力錨索

錨索預(yù)應(yīng)力一般通過(guò)張拉獲得,是決定錨索施工質(zhì)量的關(guān)鍵工序,張拉設(shè)備的技術(shù)性能與質(zhì)量明顯影響錨索支護(hù)效果。國(guó)內(nèi)針對(duì)小孔徑樹脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索特點(diǎn),開發(fā)出各種型式與規(guī)格的錨索張拉設(shè)備,主要包括油泵、張拉千斤頂和液壓切斷器。按油泵動(dòng)力源不同,可分為手動(dòng)、電動(dòng)和氣動(dòng)式錨索張拉設(shè)備。

為滿足高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨索的要求,又研制出與 φ22mm強(qiáng)力錨索相配套的錨索張拉設(shè)備。該張拉設(shè)備額定壓力為 50MPa,額定張拉力為 450kN,行程為 150mm。

6 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)已在潞安、晉城、山西焦煤、大同、新汶、徐州、淮南、平莊、寧煤、華亭等 20余個(gè)礦區(qū)得到推廣應(yīng)用。應(yīng)用的巷道條件包括:超千米深井高地應(yīng)力巷道,深部沿空留巷,極軟巖巷道,破碎圍巖巷道,特大斷面巷道及強(qiáng)烈動(dòng)壓影響巷道等,涵蓋了我國(guó)復(fù)雜困難巷道類型。

6.1 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)形式

根據(jù)巷道圍巖地質(zhì)與生產(chǎn)條件不同,預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)有多種形式,如圖 3。

圖3 預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索支護(hù)形式

（1）預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù) 僅采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)巷道 （圖 3a、圖 3b）,適用于圍巖比較完整的巖石巷道、巖石頂板煤巷等條件。如新汶?yún)f(xié)莊礦1202E運(yùn)輸巷,埋深為 1200m,屬超千米深井高應(yīng)力巷道。該巷道沿煤層頂板掘進(jìn),直接頂砂質(zhì)頁(yè)巖。采用 BHRB600型、φ25mm、長(zhǎng)度 2.4m的強(qiáng)力錨桿,配合強(qiáng)力鋼帶與金屬網(wǎng)的預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng),解決了深井高應(yīng)力巷道支護(hù)難題[8]。

（2）預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索支護(hù) 采用預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索支護(hù)巷道 （圖 3c）,兩者相互配合,充分發(fā)揮各自的作用,共同支護(hù)圍巖。不僅提高了錨桿支護(hù)效果,而且擴(kuò)大了錨桿支護(hù)適用范圍。這種方式可用于支護(hù)頂板、兩幫,甚至可用于底板支護(hù)。錨桿與錨索可交錯(cuò)布置,也可布置在一排。目前,這種支護(hù)方式已經(jīng)大面積應(yīng)用于煤頂和全煤巷道,沿空掘巷與留巷,軟巖巷道,深部高應(yīng)力巷道,動(dòng)壓影響巷道及大斷面巷道等多種條件,成為主要的錨桿支護(hù)形式。

（3）全預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù) 巷道頂板、兩幫,甚至底板全部采用預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)方式 （圖3d）,適用于受強(qiáng)烈動(dòng)壓影響巷道,極高地應(yīng)力巷道,軟巖巷道等非常困難的條件。如潞安漳村礦有一種掘進(jìn)與采煤工作面對(duì)穿的強(qiáng)烈動(dòng)壓影響巷道,采用高預(yù)應(yīng)力、全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固、短強(qiáng)力錨索 （1 1 9結(jié)構(gòu),φ22 mm,長(zhǎng)度 4.3 m）支護(hù)方式,有效控制了圍巖強(qiáng)烈變形[9]。

（4）預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索與注漿聯(lián)合加固 當(dāng)巷道圍巖松軟破碎,錨桿與錨索錨固力不能保證時(shí),預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索與注漿聯(lián)合是一種有效的加固技術(shù)。注漿可將松軟破碎圍巖粘結(jié),提高圍巖整體強(qiáng)度,同時(shí)為錨桿與錨索提供可錨的基礎(chǔ),保證錨桿與錨索預(yù)應(yīng)力與工作阻力能有效擴(kuò)散到圍巖中。注漿后采用預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索支護(hù),有效控制圍巖擴(kuò)容變形。如潞安屯留礦針對(duì)井底車場(chǎng)松軟破碎圍巖硐室群,采用深孔高壓注漿配合強(qiáng)力錨桿、錨索的加固形式,有效控制了松軟破碎硐室群變形與破壞[10]。

6.2 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效果

多個(gè)礦區(qū)的井下實(shí)踐表明,預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索支護(hù),必要時(shí)進(jìn)行注漿加固,是復(fù)雜困難巷道一種有效的支護(hù)形式。

新汶?yún)f(xié)莊礦超千米深井高地應(yīng)力巷道,采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)后,巷道圍巖位移降低70%左右,頂板離層降低 90%;淮南謝一礦采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿與錨索支護(hù)、單體支柱加強(qiáng)支護(hù)配合膏體充填巷旁支護(hù),有效控制了深部沿空留巷在服務(wù)期間的變形,圍巖與充填體穩(wěn)定,滿足了安全生產(chǎn)的要求;潞安漳村礦針對(duì)掘進(jìn)與采煤工作面對(duì)穿的強(qiáng)烈動(dòng)壓影響巷道,采用全斷面、高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù),巷道兩幫移近量與原支護(hù)相比降低90%,而且主要是整體位移,頂板幾乎無(wú)離層;潞安屯留礦采用預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索及注漿綜合加固技術(shù),有效控制了松軟破碎硐室群圍巖的長(zhǎng)期流變,保證了硐室群的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

7 結(jié)論

（1）預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的本質(zhì)作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、張開裂縫等擴(kuò)容變形與破壞,保持錨固區(qū)圍巖完整,減小錨固區(qū)圍巖強(qiáng)度降低,在錨固區(qū)內(nèi)形成剛度較大的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)。錨桿預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散對(duì)支護(hù)效果起決定性作用。

（2）錨桿與錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的原則是控制圍巖不出現(xiàn)明顯的離層、滑動(dòng)與拉應(yīng)力區(qū)。錨桿預(yù)應(yīng)力可選取桿體屈服載荷的 30%～60%,錨索預(yù)應(yīng)力一般應(yīng)為其拉斷載荷的 40%～70%。

（3）預(yù)應(yīng)力錨桿應(yīng)具有較高的抗拉強(qiáng)度、足夠的延伸率及沖擊韌性。桿體尾部螺紋有利于施加較大的預(yù)應(yīng)力。托板、螺母、球形墊圈、減摩墊圈及鋼帶、金屬網(wǎng)等應(yīng)與桿體匹配,以提高錨桿預(yù)應(yīng)力,改善其受力狀態(tài),實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散。

（4）錨桿與錨索施加預(yù)應(yīng)力是決定支護(hù)質(zhì)量的關(guān)鍵工序,施加設(shè)備的技術(shù)性能明顯影響支護(hù)效果。應(yīng)根據(jù)巷道圍巖條件與錨桿、錨索支護(hù)形式,選擇合理的施工設(shè)備,確保預(yù)應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（5）預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索支護(hù),必要時(shí)進(jìn)行注漿加固,是一種復(fù)雜困難巷道有效的支護(hù)形式。這種支護(hù)方式能夠有效控制了巷道變形與破壞,保持了圍巖穩(wěn)定。

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[9]孫玉福 .潞安礦區(qū)動(dòng)壓影響巷道錨桿支護(hù)技術(shù)及應(yīng)用[D].北京:煤炭科學(xué)研究總院,2010.

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Development and Application of Pre-stress Anchored Bolt Supporting Technology in Coal Mine

KANG Hong-pu1,2
（1.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China;
2.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China）

By introducing development procedure of anchored bolt supporting in China and analyzing action mechanis m and influence factors of pre-stress anchored bolt,principle of anchored bolt supporting design was confir med that there was no obvious separation and tension stress area in surrounding rock.Pre-stress value range of different anchored boltwas obtained and main factors influencing prestresswere analyzed.Requirement of pre-stress anchored bolt and rope for supporting materialwas discussed.Mechanical properties of anchored boltwith high strength and high extension ratio,and pre-stress forcingmethod and instrumentwere introduced.Application of pre-stress anchored bolt and rope supporting in roadway with complex conditions including supporting model and effect was introduced.Pre-stress anchored bolt and rope,adding grouting for reinforcement if necessary,was an effective supporting manner for roadwaywith complex conditions.

roadway in coalmine;anchored bolt supporting;anchored rope;pre-stress;development;application

TD353.6

A

1006-6225（2011）03-0025-06

2011-03-28

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目:大斷面煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)與材料研發(fā) （2008BAB36B07）

康紅普 （1965-）,男,山西五臺(tái)人,研究員,博士生導(dǎo)師,從事巷道支護(hù)理論技術(shù)研究工作。

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