陳家溝煤礦強力錨索支護參數實驗研究

李學軍 馬鵬乾

(華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦，甘肅 華亭 744100)

陳家溝煤礦強力錨索支護參數實驗研究

李學軍 馬鵬乾

(華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦，甘肅 華亭 744100)

以8513運輸順槽掘進工作面錨索退錨原因調查為切入點，分析了錨索在支護體系中的作用，通過理論分析計算，重新設計了錨索長度和安裝預緊力，并在8513運輸順槽、3204掘進工作面進行了試驗，試驗研究結果證明錨網索支護增大了支護強度，在保證巷道安全性及今后支護參數選取上具有積極的參考意義。

錨索支護，預緊力，退錨，參數

1 研究背景

錨網索支護在陳家溝近10年的巷道支護中得到了普遍推廣應用，以往在錨索支護參數的選取上均依照最初設計和研究單位給定的數值，并結合現場經驗進行確定，經過多年實踐，支護參數也發生了較大變化。在工程實踐中，時有錨桿、錨索桿體拉斷破壞、錨索退錨現象，8513運輸順槽在掘進時即發生了部分錨索退錨，以此為切入點，通過理論分析和現場支護試驗，旨在科學進行支護參數設計，提高巷道支護安全性。

2 錨桿錨索支護體及其匹配關系分析

錨桿錨索聯合支護的原理是通過支護體所給的預緊力產生懸吊作用，進而在圍巖擠壓加固下，形成支護拱，控制巷道周邊圍巖，預緊力加載的合理性是控制圍巖最初產生大量位移變形的直接影響因素。而聯合支護結構中各個支護構件相互作用與圍巖結構的優化耦合是實現支護一體化和載荷均勻化的關鍵。巷道錨網索支護是通過錨索和錨桿長度配合來控制頂板，錨索在支護體中起補強作用。研究表明，各支護參數對于控制巷道圍巖收斂均有影響，但最敏感的因素是錨桿間排距和桿體長度，對于錨索來說主要是其安裝密度和直徑，同時要考慮動力條件下所承受的能量和自身變形。巷道斷面形狀在一定程度上決定著圍巖控制的穩固性，但在無支護狀態下，巷道表層圍巖塑性松散層自然垮落后的斷面形狀既不是梯形，也不是拱形，即不取決于巷道設計的斷面形狀，真正起穩固作用息止頂板圍巖冒落的是松散層的深度和穩定圍巖的擠壓作用，圍巖具有自穩能力(如圖1所示)。

適當減小錨索長度、增大錨桿長度，可以有效提高支護效果。一方面已經將錨索布置在巷道頂板的塑性區以上的范圍內，另外一方面，適當減小錨索長度，有利于減弱錨索所承受的應變能和系統動能，進而和錨桿形成較好匹配，減少斷裂的趨勢。同時，錨索支護作為一種高承載力的支護手段，也能減輕巷旁壓力。根據現場測試結果和理論分析，錨索參數調整如下：1)錨索長度：由7.3 m縮小為6.5 m；2)錨索密度：1 m×1 m；3)錨索直徑：由17.8 mm增大到22 mm；4)增加讓壓環和球形墊板。

通過在8513掘進工作面進行工程實踐，表明增大索體直徑，支護材料自身承載強度增大，明顯減少了斷錨現象的發生。據不完全統計，8512工作面掘進過程中，因受壓拉斷的錨索達3 538套；8513運輸順槽新掘近1 000 m巷道斷錨數量僅37套。

3 錨索預緊力實驗研究

對于施加主動應力來阻止下沉為目的的錨索設計，可按設計錨固力施加應力，設計時應考慮錨索與圍巖的變形協調，使錨索充分發揮作用，一般對錨索施加初始預應力為設計錨固力的30%～80%，根據行業標準MT/T 942—2005計算出的設計錨固力為352.7 kN(88 MPa)，因此，陳家溝煤礦使用的skp21.8-1/1860錨索初始預應力應為105.8 kN(26.5 MPa)～282.2 kN(70.6 MPa)。

1)礦用錨索最大力計算：

Ru=ηa×n×Sn×Rm

(1)

Ru=0.95×1×301×1 860=531 867 N，即54.272 t。

其中，Ru為礦用錨索最大力，N；ηa為錨具效率系數，取0.95；n為鋼絞線根數；Sn為單根鋼絞線參考截面面積，mm2；Rm為鋼絞線抗拉強度，MPa。

2)礦用錨索設計承載力計算：

Nt=m×n×Sn×Rm

(2)

Nt=0.6×1×301×1 860=335 916 N，即34.277 t。

其中，Nt為礦用錨索設計承載力，N；m為礦用錨索張拉應力控制系數，取值不大于0.6；n為鋼絞線根數；Sn為單根鋼絞線參考截面面積，mm2；Rm為鋼絞線抗拉強度，MPa。

3)礦用錨索設計安全系數：

K=Ru/Nt

(3)

K=531 867/335 916=1.583≥1.5，滿足要求。

其中，K為礦用錨索安全系數，取值不小于1.5；Ru為礦用錨索最大力，N；Nt為礦用錨索設計承載力，N。

4)礦用錨索錨固力計算公式：

錨固力必須大于設計承載力的1.05倍，則有：

Nm≥Nt×1.05

(4)

Nm≥335 916×1.05=352 712 N，為35.991 t。

其中，Nm為礦用錨索錨固力，N；Nt為礦用錨索設計承載力，N。

對于施加主動應力來阻止下滑為目的的錨索設計，可按設計錨固力施加應力，設計時應考慮錨索與圍巖的變形協調，使錨索充分發揮作用，一般對錨索施加初始預應力為設計錨固力的30%～80%。按照上述數據計算，初始預應力應在105.8 kN～282.2 kN之間。

表1 8513運輸順槽試驗段錨索退、脫錨情況統計表

根據現場經驗，由于張拉作用會引起被加固體產生較大的蠕動和塑性變形，通常進行張拉試驗來決定初始預應力值，一般對錨索施加初始預應力為設計錨固力的60%。即為：Nm×60%=352.712×0.6=211.6 kN。依據GB 50213—2010煤礦井巷工程質量驗收規范中第9.2.5條規定預應力錨索鎖定后的預應力值不應小于設計值的90%，即190.44 kN。經觀測，在動壓影響區域，退錨現象明顯減少，根據頂板離層分析，頂板壓縮變形為220 mm，頂底板移近量不超過300 mm，且主要為底鼓，表明頂板支護對頂板位移下沉的控制較好，提高支護預緊力可以控制頂板早期變形。8513運輸順槽試驗段錨索退、脫錨情況見表1。

4 結語

1)巷道圍巖松散冒落層以外具有隱形自穩拱，將錨索錨桿支護體安裝在塑性擠壓區以上，即可以起到與圍巖耦合加固作用。2)合理調整錨桿錨索支護參數，提高支護體自身強度，有利于減弱錨索所承受的應變能和系統動能，進而和錨桿形成較好匹配，減少斷裂的趨勢。3)合理確定錨索初始預緊力，可以預防頂板圍巖初期變形，及早控制圍巖位移松動。

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Study on parameter of power anchor & rope supporting for Chenjiagou coal

Li Xuejun Ma Pengqian

(HuatingCoalandElectricityCo.,Ltd,ChenjiagouCoalMine，Huating744100，China)

The investigation on unload the cable bolts as the breakthrough point happened in with 8513 loading, it analyzes that the anchor cable in the role of supporting system, by theoretical calculation, redesigns the prestressing force and the length of anchor cable. By taking the test in 8513 transport gateway and 3204 tunneling working face, it proves that the anchor net supporting can increases the strength system, it has positive reference meaning for safety and asselection of supporting parameters in future.

cablebolting, pretension force, hauling-off anchor, parameter

2015-01-27

李學軍(1974- )，男，工程師; 馬鵬乾(1987- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)10-0088-02

TU463

A