基于預應力錨索技術的礦山井巷掘進研究

徐春常　徐　成

摘要：預應力錨索是一種把鋼絞線埋入巖層內部進行預加應力的施工技術。錨索具有普通錨桿的懸吊作用、組合梁作用、組合拱作用等。文章對錨索材料、錨索長度、錨索間排距、施工工藝等進行了研究。

關鍵詞：預應力錨索；錨桿支護技術；錨索技術

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A

文章編號：1674-1145（2009）12-0175-02

錨桿支護技術已經得到大面積推廣應用，成為煤礦巷道首選的安全高效支護方式；但是，隨著煤礦開采強度的大幅度增加，礦井向深度及廣度發展，對巷道支護技術提出了更高的要求。部分礦區的錨桿支護巷道圍巖變形強烈，支護效果較差，巷道安全得不到保證。主要局限性表現為：錨桿預應力小，預應力擴散效果差，支護剛度低，致使錨桿主動支護作用不能充分發揮，不能有效控制圍巖離層與破壞；不同程度地出現錨桿被拉斷、剪斷和彎曲斷裂；錨桿支護深度不夠，導致直接頂脫落。使用錨索配合錨桿支護，合理利用錨索的支護原理，就能夠彌補錨桿支護的不足，從而使巷道支護取得更好的效果。

一、預應力錨索的作用原理與特點

（一）預應力錨索的作用原理

預應力錨索是一種把鋼絞線埋入巖層內部進行預加應力的施工技術，傳遞主體結構的支護應力到深部穩定巖層的主動支護方式。錨索安設鎖緊后，錨索集中應力以45°壓力分線傳遞到支護結構物上，在預應力作用下，圍巖產生壓縮并在錨索的彈性壓縮下形成“承載拱”，提高圍巖的整體性和內在抗力，增加其強度，增大圍巖的穩定強度。

（二）預應力錨索的主要特點

1．具有一定的柔性：預應力錨索是一種細長受拉桿狀構件，柔度較大，具有柔性可調的特點，用于加固圍巖時能與圍巖共同作用，充分發揮兩者的能力。

2．深層加固：預應力錨索的長度，可根據工程需要確定，加固深度可達數10m。錨索應錨固在圍巖內部較穩定的巖層中，可根據巖性和鉆眼機具能力等綜合考慮，井下一般為5～10m。

3．主動加固：預應力錨索具有很強的主動調控性，通過主動建立的后張預應力場，來抑制減低、消除天然力場對工程地質體或構筑物所造成的危害。它能充分調用圍巖自身潛在的穩定性，并改善其內部應力狀態。對錨索施加預應力，能夠主動控制圍巖變形，調整圍巖應力狀態，有利于圍巖的穩定性。

4．施工快捷靈活：預應力錨索施工采用機械化作業，具有工藝靈巧、施工進度快、工期短、施工安全等特點，其安放數量，安放位置、深度、方向，施加預應力的大小，均可依據現場需求加以調整。

二、預應力錨索在樹脂錨桿支護中的作用

預應力錨索在巷道支護中的作用機理與錨桿相比，錨索具有錨固深度大、錨固力大、可施加較大的預緊力等諸多優點。錨索同樣具有普通錨桿的懸吊作用、組合梁作用、組合拱作用等。錨索、樹脂和巖層之間的作用關系是：錨索在軸向阻止巖層繼續膨脹擴容，錨桿支護則是通過圍巖內部的桿體，改變圍巖本身的力學狀態，提高圍巖的強度，從而在巷道周圍巖體內形成一個完整穩定的承載體，與圍巖共同作用，達到維護巷道的目的。錨桿支護通常用錨索進行加強支護，錨索起到補強加固作用。

另外，根據不同的巖體強度理論分析，預應力錨索還有以下作用：（1）從脆性斷裂強度理論分析，具有降低裂隙間應力強度因子，阻礙裂隙擴展的作用；（2）從結構面剪切破壞角度分析，具有承剪阻滑的作用；（3）從節理巖體的強度理論分析，具有增強節理巖體的裂隙前緣巖土斷裂韌度的作用，使裂隙斷裂擴展力不但要克服巖橋的阻力，還要提供錨索的橋聯作用，因而阻止了裂隙的進一步擴展與貫通。

三、預應力錨索主要參數確定

（一）錨索材料選擇

構成錨索的主要材料是預應力鋼絞線，一般選用強度高、韌性好、低松弛值的高強預應力絞線、高強度預應力鋼絲或精軋螺紋鋼筋等。通常用于井巷工程的錨索由既有一定剛度又有柔軟性的鋼絞線制作而成，運輸安裝較方便，金佳礦選用的錨索是高強度低松弛值的鋼絞線。Φ15.3mm、強度等級為1860MPa的鋼絞線。鋼絞線由7根Φ5mm的鋼絲組成，屈服荷載為221.5kN，破壞荷載為260.7kN。

（二）錨索長度

錨索應錨固在圍巖內部較穩定的巖層中，可根據巖性和鉆眼機具能力等綜合考慮，井下一般為5~10 m。錨頭端張拉長度≥300mm。錨索長度L由下式計算：

L=L₁+L₂+L₃

式中：L1—錨索外露長度，取300mm；

L2—錨索自由段長度，根據直接頂厚度、圍巖性質、其他支護方式等方面的因素決定，一般取4.0～8.0m；

L3—錨索錨固長度，取1.0～2.0m。

代入上式計算得L=5.3～10.3m，根據錨索錨固長度，每根錨索配備2個CK2335和3個Z2335樹脂藥卷，托板為350 mm×350mm×10mm的鋼板。

（三）錨索間排距

錨索間排距和長度一般宜滿足：L(長度)/S(間距)≥2，取錨索間排距為2m。

四、預應力錨索的施工工藝

1．先在地面用電動砂輪機將錨索截割成設計長度后運到井下施工地點。

2．鉆孔。使用錨索鉆機，按照設計位置、角度和深度進行鉆孔施工。

3．安裝鉆桿。金佳礦使用三山牌B22可連接鉆桿，每根長1.0m。

4．錨固。金佳礦采用CK2335和Z2335型樹脂錨固劑。每孔放置2根CK2335和3根Z2335錨固劑，攪拌時間維持在20～30s。

5．安裝錨索托盤。金佳礦采用350mm×350mm×10mm的鋼板加工而成的金屬托盤。

6．張拉。采用專用張拉千斤頂進行張拉，至30～35MPa即可。

五、結論

在樹脂錨桿支護巷道掘進過程中使用預應力錨索控制頂板，可利用錨索錨固深度大、錨固力大、可施加較大的預緊力等優點來彌補樹脂錨桿支護的不足。錨索、錨桿、W鋼帶、樹脂和巖層之間相互作用后，在巷道周圍巖體內形成一個完整穩定的承載體，提高了頂板的完整性，改善了安全生產條件，減少了巷道的維修量，加快了巷道的掘進進度，取得了良好的安全經濟效益。

參考文獻

[1]洪海春．邊坡巖體錨固性能研究及其工程應用[D]．河海大學，2007．

[2]朱晗迓．破碎巖質邊坡錨固技術研究[D]．浙江大學，2005．

[3]呂慶．邊坡工程災害防治技術研究[D]．浙江大學，2006.

[4]張宏博，李英勇，宋修廣．邊坡錨固工程中錨索預應力的變化研究[J]．山東大學學報(工學版)，2002，（6）．

[5]高大水，曾勇．三峽永久船閘高邊坡錨索預應力狀態監測分析[J]．巖石力學與工程學報，2001，（5）．

[6]陳安敏，顧金才，沈俊，明治清．軟巖加固中錨索張拉噸位隨時間變化規律的模型試驗研究[J]．巖石力學與工程學報，2002，（2）．

[7]張發明，劉寧，陳祖煜，趙維炳．影響大噸位預應力長錨索錨固力損失的因素分析[J]．巖土力學，2003，（2）．