錨索支護在煤礦開采中的應用

李久云

（長治市煤礦安全儀器儀表檢測中心， 山西 長治 046000）

引言

煤礦巷道支護經歷了木支護、砌碹支護、型鋼支護、錨桿支護到錨索支護的發展過程[1]。錨索具有錨固深度大、承載能力高、可施加較大預應力的特點，能夠獲得比較理想的支護效果[2]。錨索支護技術在土木加固工程中應用十分廣泛，目前在煤礦巷道中的應用也越來越普遍。實踐表明，在破碎、復合頂板巷道，高地應力和受采動影響的巷道，放頂煤開采的煤頂巷道，以及大斷面巷道和交叉點等應用錨索，具有良好的支護效果[3-4]，再配合錨桿支護，可顯著拓寬錨桿支護的支護范圍，保證巷道的安全狀況。

1 錨索支護的發展過程

早在1890年的北威爾士煤礦加固工程中就開始使用鋼筋加固巖層的辦法，1911年美國弗里登斯煤礦在巷道中首先使用了錨桿支護技術，1918年美國西利西安煤礦首先使用了錨索支護技術[5]。此后，錨固技術的應用范圍開始迅速擴大。1978年，英國人TonyBarley在鋼絞線的一端安裝上錨具，在另一端用樹脂密封作為承壓錨固段，隨后將3根這樣的單元體按照一定的間距分散連接到一根2 m長的鋼管上，然后對鋼管施加拉力。實驗證明，這種方式可以充分地將載荷分散傳遞給樹脂密封段并使支護更加牢固。1988年，壓力分散型錨索技術首次應用在英國南安普敦的黏土地層中，錨索承載力高達1337kN[6]。

與國外相比，國內的錨索技術發展起步較晚，20世紀90年代錨索支護技術才開始在國內應用[7]。1997年煤炭科學研究總院北京建井研究院和北京開采研究所成功研制了小孔徑錨索支護技術，從此錨索支護技術在國內開始廣泛應用。

2 錨索支護原理

2.1 自承拱

如圖1所示，錨索固定好之后，鎖具的集中應力以45°壓力分布傳遞到支護結構體上，在預應力的作用下，破碎的巖體形成壓力拱圈，有效提高了巖體的承載能力，使圍巖更加穩定。

圖1 自承拱作用示意圖

2.2 組合梁

組合梁是指錨索穿過層狀巖層時，由于預緊力使層狀巖層的層面之間壓力變大，進而增大其摩擦力，提高了圍巖整體性，使巖層之間不易分離和產生位移，巖層的抗彎強度增大。其中當錨索與巖層成垂直狀態時組合梁效果最好。

2.3 懸吊

懸吊作用是指不穩定的巖石塊在錨索的作用下與穩定的巖體相連，防止其產生位移而造成冒落危險。

3 錨索支護設計

3.1 錨索的結構

如下頁圖2所示，錨索主要由毛齒、擋箍、鋼絞線、墊板和錨具等組成。

1）毛齒是由螺栓或點焊方式固定在鋼絞線上起打爛和攪拌樹脂卷作用的小齒，同樣也起到使鋼絞線局中定位的作用。毛齒沿鋼絞線固定，一般相鄰間距為 200～300 mm。

2）擋箍是固定在鋼絞線上的直徑小于孔徑的柱形橡膠或塑料，其主要作用是在攪拌樹脂和推送鋼絞線的過程中使膠狀樹脂不向外流出。

3）鋼絞線是錨索結構的主體，由多根較細的鋼絲組成，其長度根據孔深的不同而不同，一般比孔的深度長0.5 m即可，總長通常為5～8 m。

4）墊板和錨具是安裝在錨索端部的最終受力部件，墊板一般由槽鋼和錨桿盤組成。

圖2 錨索結構示意圖

3.2 錨索支護參數

錨索支護應按照懸吊作用進行設計計算，以保證錨索能夠承載潛在冒落的巖層質量。

1）巷道單位長度內潛在冒落巖層的質量：

式中：FZ為巷道單位長度內潛在冒落巖層的質量，t/m；B為巷道寬度，m；Kd為頂板巖性系數；f為頂板硬性系數；γ1為頂板煤巖容量，t/m3。

2）單根錨索可承擔的冒落長度：

式中：hs為單根錨索可承擔的冒落長度，m；As為鋼絞線截面積，mm2；ηs為錨具的效率系數，一般取0.9～0.95；Ptk為錨索強度標準，MPa。

3）錨固長度：

式中：La為理論錨固長度，mm；Ka為安全系數；Φs為鋼絞線直徑，mm；fcs為錨固劑的設計黏結強度，t/m2；Ls為實際錨固長度，mm；Φ1為樹脂直徑，mm；lj為樹脂長度，mm。

4）錨索總長度：

式中：L為錨索總長度，mm；Kb為整體安全系數；n為每排錨索數量；Lw為錨索外露的長度，mm。

4 錨索安裝工藝流程

錨索安裝的工藝流程如圖3所示。

1）定位是指控制鉆孔機構到需要鉆孔的位置，以確保錨索裝置的實際安裝與設計一致。

2）鉆孔時，按照設計的孔的位置，用錨桿鉆孔機鉆出預設深度和角度的孔，其中45°角以下的孔在鉆完時需要進行吹掃處理。

3）向孔內放入樹脂卷，不同凝固速度的樹脂卷按照順序送入（如圖4所示），采用套筒自鎖裝置進行樹脂卷的送放。

圖4 錨索安裝示意圖

4）錨索安裝如圖4所示，緩慢推動錨索，使錨索頂住樹脂卷達到孔底。

5）將錨索尾部固定在錨桿鉆機上，一人扶穩錨索，一人開動鉆機，剛開始攪拌要慢，之后逐漸提高攪拌速度，整個過程要控制在20～30 s之間；其中攪拌推進的過程中不能有停頓，攪拌完成后需要穩住錨索不動等待30 s左右的時間，以保證錨固劑的初凝，然后拆除攪拌系統。

6）攪拌完成后，一般需要等待30 min以使錨固劑充分凝固，若條件允許可加長等待時間。

7）如圖5所示，將張拉機具與錨索安裝連接好，緩慢加壓對錨索進行張拉，當達到設計的應力值時停止加壓，搬動換向閥，使油缸回缸，使錨具鎖緊，取下張拉機具，到此，張拉完成。

8）錨索張拉完成后需要對多余的錨索進行切除，利用專用的錨索切斷器與手動油泵想配合進行錨索切斷作業。安裝好的錨索如圖6所示。

圖5 錨索張拉示意圖

圖6 安裝好的錨索結構

5 結論

1）錨索支護具有施工速度快、承載高、對圍巖適應性強、工程質量可靠等優點；錨索支護應根據巷道現場實際情況進行設計，并嚴格依照錨索安裝工藝流程進行安裝。

2）錨索支護易于和錨桿、金屬網等支護方式相配合，取長補短，這對于降低支護成本，增加效益，提高支護可靠性具有重要意義。

[1]康紅普.煤礦預應力錨桿支護技術的發展與應用[J].煤礦開采，2011（3）：25-30；131.

[2]康紅普，林健，吳擁政.全斷面高預應力強力錨索支護技術及其在動壓巷道中的應用[J].煤炭學報，2009，34（9）：1153-1159.

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

[4]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.

[5]楊為民.錨固體應力分布規律和錨桿承載力的計算研究[D].洛陽：河南科技大學，2008.

[6]郭建龍.高應力條件下錨桿+錨索在巷道支護技術中的應用及研究[J].機械管理開發，2017，32（2）：16-17；20.

[7]白海波.煤礦巷道錨桿錨索共同支護技術研究[J].機械管理開發，2016，31（11）：53-55.