回采巷道頂板錨索預緊力的研究與應用

昝東峰1,2,劉 展3,譚輔清1,2

(1.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇徐州221008;2.煤炭資源與安全開采重點實驗室,江蘇徐州221008;3.中國礦業大學力學與建筑工程學院,江蘇徐州08)

在回采巷道圍巖控制方法中,錨桿 (索)支護以其成本低、操作方便,以及良好的支護效果受到現場的廣泛應用[1]。研究表明,錨桿 (索)的支護效果主要取決于3個方面,一是巷道的采礦地質條件;二是錨桿 (索)支護各組成部分 (桿體、錨固劑、托盤、鋼帶、網)的材質與尺寸;三是錨桿 (索)支護的布置參數,主要包括錨桿 (索)長度、間距、排距、安裝角度以及施工過程中所施加的預緊力。目前,國內對錨桿預緊力的研究較多,根據國內部分礦區的試驗數據,一般可選擇錨桿預緊力為桿體屈服強度的30%～50%。[2]

而錨索的預緊力目前為止還沒有定論,數值模擬僅能得到一些定性的結論,缺乏理論量化的計算。本文在分析錨桿錨索各自支護作用的基礎上,確定出了基于組合固支梁下回采巷道頂板錨索支護的預緊力計算公式,以求為現場應用提供參考。

1 錨桿 (索)支護與圍巖相互作用原理

1.1 錨桿錨索在支護體系中的作用

對于回采巷道,其頂板巖層絕大多數屬于層狀分布,在錨桿支護的組合、懸吊、擠壓加固3種作用中,錨桿一般主要起組合作用,即是將頂板錨桿錨固范圍內的巖層組合成為一個整體,實現其整體變形。但是,單憑錨桿支護避免不了在錨桿長度以外的頂板中發生離層,并導致錨固區整體垮冒。

采用錨索與錨桿相結合,可以很好解決這一問題。一般情況下錨索的預緊力要遠大于錨桿的預緊力,錨索所起的作用是將錨桿形成的整體組合梁懸吊起來,阻止組合梁與上覆巖層的離層,從而限制了巷道的變形失穩。

1.2 預緊力在錨桿 (索)支護體系中的作用

預緊力是指錨索安裝后張拉千斤頂對其施加的張拉力,它是區分錨索屬于主動支護還是被動支護的關鍵參數,也是防止頂板巖層之間發生離層的必要條件。只有具有較高預應力的錨索,才屬于真正的主動支護,才能及時控制錨固區圍巖的過度變形與破壞[3],相反,沒有預緊力或預緊力較低的錨索,則屬于被動支護[4].

鑒于預緊力在錨索支護體系中的重要作用,國內外學者對錨桿預緊力進行了詳細的研究,得到了錨桿預緊力與螺母預緊力矩、螺紋規格及摩擦系數等因數之間的關系式,并根據現場實測確定了不同材質與規格錨桿所需的預緊力值。但是,錨索的預緊力一直沒有詳細的分析及研究,以下將從理論上對其進行計算。

2 錨索預緊力的理論確定

2.1 錨索預緊力力學模型的建立

由于錨桿對巷道頂部巖層離層的產生起著一定的阻礙作用,增大了巖層間的摩擦力,與錨桿本身的抗剪作用共同阻止巖層間產生相對錯動,從而將巷道頂板錨固范圍內的各巖層夾緊形成一個較厚的組合梁[5]。巷道頂板結構如圖1所示。

單根錨桿與錨索相比,拉力較小,可忽略不計。考慮到巷道走向長度遠大于巷道寬度,可近似地認為頂板組合梁處于平面應變狀態。根據彈性力學理論,可將組合梁簡化為“固支梁”模型。組合梁以固支梁的形式放置在兩幫的煤壁上,中部兩根錨索錨入深部穩定巖層中 (本文僅討論錨索的此種支護方式,其它支護方式的算法與文中方法相同),將巷道頂板潛在冒落高度的巖層以均布載荷q的形式施加于固支梁上。

2.2 錨索預緊力計算

2.2.1 二次超靜定梁支座反力的計算

利用計算莫爾積分的圖乘法,可知右端C點的位移δ為

因為右端為固支端,所以δ=0,又因為本結構為對稱結構,所以將其代入式(1),可知右端支座對梁的彎矩為

2.2.2 計算錨索張拉力 F

當右端 C點支座反力MO、F’,梁上均布載荷q、左側錨索、右側錨索分別作用時,B點的位移總和為

錨索張拉力需要保證錨固范圍內不發生離層現象,故B點的位移量為0,即

代入相關數據,可知錨索的張拉力為

此張拉力即為錨索所需要的預緊力。

3 工程實踐

3.1 工程概況

山西國陽集團80509工作面回風巷位于15#煤層,沿煤層底板掘進,一側為已穩定采空區,巷道平均埋深約550m。該巷道所處15#煤層屬復雜結構煤層,容重1.4t/m3,平均傾角4°。煤層頂底板條件見表1。

表1 15#煤層頂底板巖性

沿空巷道凈寬×凈高=4.0m×2.8m,采用錨網帶索支護,矩形斷面。頂部錨桿 (索)的間排距為700mm×800mm,錨桿采用等強無縱筋左旋螺紋鋼錨桿,規格為Φ20mm×2400mm,同時在每排錨索中的相應位置布置錨索,錨索為單根Φ17.8mm×7300mm的鋼鉸線,鋼帶采用厚度較大的M型鋼帶(4mm厚)。金屬網采用菱形金屬網。

煤幫采用錨網帶支護方式。錨桿規格為Φ20mm×2400mm,兩角錨桿分別距頂底板200mm,角度30°,其余錨桿均垂直煤幫巖面布置。錨桿的間排距為800mm×800mm。鋼帶采用厚度較大的M型鋼帶,金屬網采用菱形金屬網。

3.2 錨索預緊力計算

根據本文錨索預緊力的理論計算過程,經分析確定,巷道潛在冒落高度為巷道上方4.11m厚的頂煤,故均布力 q=58kN/m;錨索距離左右煤壁的距離分別為 b=3m,a=1m;巷道寬度 L=4m。將以上參數代入式 (5),得到頂板不發生離層時錨索的張拉力為104 kN,所以錨索的預緊力不應低于104 kN。考慮到錨索張拉千斤頂的額定張拉力,最終將錨索的預緊力確定為120 kN。

在施工中,采用張拉千斤頂對錨索進行張拉,使其預緊力至少達到120kN。

3.3 巷道圍巖變形實測

在本工作面回風巷道距離巷道出口300～650m地段布置8個測站,測站間距為50m。采用“十字測量法”進行監測,用皮尺進行測量,并記錄測站至掘進工作面的距離,每天觀測一次。

由圖1可以看出,隨著掘進工作面推進,巷道圍巖表面變形迅速增大。當掘進工作面向前推進200m后,巷道表面變形速度減小,逐漸趨于穩定;當掘進工作面向前推進300 m后,巷道頂底板相對移近量為80 mm,兩幫相對移近量平均為110 mm。支護效果符合使用要求。

圖1 掘進期間巷道頂底板、兩幫移近量變化曲線

4 結論

1)在錨桿 (索)支護體系中,錨桿將頂板錨固范圍內的各巖層夾緊成為一個組合梁;而錨索將此組合梁懸吊起來,阻止組合梁與上覆巖層間的離層,從而限制了巷道的變形失穩。

2)預緊力是防止頂板巖層離層的必要條件,只有具有較高預緊力的錨索,才屬于真正的主動支護,才能及時控制錨固區圍巖的過度變形與破壞。

3)錨索的預緊力,可以通過將巷道頂板簡化為組合固支梁模型進行計算。

[1] 王金華.我國煤巷錨桿支護技術的新發展 [J].煤炭學報,2007,32(2):113-118.

[2] 康紅普,王金華,等.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].北京:煤炭工業出版社,2007.

[3] 程良奎,范景倫,韓軍,等.巖土錨固 [M].北京:中國建筑工業出版社,2003.

[4] 康紅普,姜鐵明,高富強.預應力在錨桿支護中的作用[J].煤炭學報,2007,32(7):673-678.

[5] 曾佑富,伍永平,來興平,等.復雜條件下大斷面巷道頂板冒落失穩分析 [J].采礦與安全工程學報,2009,26(4):423-427.