張拉預緊式錨桿在深部巷道圍巖變形控制中應用

趙丙珍

（山西鋪龍灣煤業有限公司，山西 大同 037104）

動壓巷道受采動支承應力影響，圍巖變形量大，維護較為困難，制約礦井高產高效和經濟、社會效益，威脅礦井安全[1-3]。動壓巷道的支護是當前礦井面臨的難題之一，國內外眾多學者進行了大量研究，并針對傳統轉矩式的錨桿支護預應力較小的問題，提出通過監測錨桿內力、補打錨桿等方式，提高錨桿支護強度。但補打錨桿費力費工，制約巷道維護速度，影響礦井的經濟效益[4-8]。平煤礦區是我國典型深部開采礦區，開采深度已超過800m，巷道圍巖軟弱破碎、持續變形嚴重，支護維護困難，返修率高，礦井提出采用張拉預緊式錨桿對原錨桿重復預緊，預緊后巷道圍巖變形量得到明顯改善，有效提高了動壓巷道圍巖穩定性，減少了返修次數。

1 工作面概況

2308運輸巷在西翼皮帶大巷西端開口，西側、北側為實體煤；南側距2306 回風巷446.3m；東側距2306 工作面采空區（2306 回風順槽）37.8m。巷道沿3#煤底板掘進，煤層平均厚度4.65m，平距傾角3.5°，煤層頂板為泥巖、各粒度砂巖、砂質泥巖；底板為砂質泥巖、粉砂巖。巷道掘進平距深度850m以上，受礦壓、采動影響，巷道兩幫擠出、底鼓嚴重，從巷道二部皮帶架子246 架向外，需擴幫作業，擴幫深部約0.6～1.0m。

2 傳統轉矩式錨桿預緊力現狀

（1）由于傳統轉矩式錨桿施工要求與預緊方式不匹配，影響轉矩轉化為預緊力效率。

（2）如果為了提高預應力而過度提高轉矩，錨桿會承受較大的疊加應力載荷，發生破斷。

（3）巷道擴幫、巖層松軟等因素造成錨桿預緊實效后，錨桿無法重復預緊，造成資源浪費。

3 張拉預緊式錨桿支護系統

張拉預緊式錨桿支護系統主要由鎖具、張拉千斤頂及錨桿攪拌器組成。

3.1 鎖具結構設計

張拉預緊式錨桿鎖具代替傳統轉矩式錨桿螺母對圍巖施加預緊力，鎖具由夾片和錨環構成，如圖1所示。

圖1 鎖具工作原理圖

由圖1可知，將夾片推入鎖環后，實現錨桿的高預緊力，同時托盤也會受到巷道圍巖的反作用力，這個力通過托盤傳遞到鎖環，而鎖環的倒圓臺結構將這個沿錨桿徑向的力改變為垂直于鎖具夾片的力，從而使夾片鎖的更緊，即實現了鎖具的自鎖，當圍巖的反作用力越大時，鎖具咬的越緊，避免了退錨的發生。

錨桿夾片硬度不宜過大或過小，硬度過大韌性不足，易發生開裂破壞；硬度過小無法咬住，易發生退錨。結合2308 運輸巷地質條件，最終確定采用500MPa錨桿的鎖具夾片，硬度需大于HRC35。

3.2 張拉千斤頂結構設計

（1）千斤頂結構設計。張拉千斤頂主要由張拉油缸、帶銷夾片、錨具及固定架組成，其工作原理類似錨索夾片和錨環鎖定錨桿實現高的預緊力，如圖2所示。現場施工時，鎖具與張拉千斤頂相互配合，通過張拉千斤頂推動鎖具將錨桿鎖緊，達到提高錨桿預緊力的目的。

圖2 張拉千斤頂結構工作原理圖

（2）張拉壓力與預緊力對應關系計算。張拉千斤頂油缸活塞直徑d 為50mm，共有兩個油缸，則油缸的受力面積S為：

帶入參數可得S=3925mm2。

綜上所述，通過對給排水設計的實施優化，保證設計時可以進行最優化的配置，進而達到節能的效果。在設計質量得到保證時，給排水工程在各個環節都可以實現節能效果，并將城市功能提升得恰到好處，進而帶動城市的發展。為實現保護環境和節約能源的目標，在給排水系統節能設計時，應合理規劃排水工程，全方面地完善施工建設。

千斤頂1MPa受力f如下：

f=S×10-6m2×1×106N/m

=3.93kN/MPa

帶入參數可得f=3.93kN/MPa。

如?20mmHRB500錨桿，屈服載荷157kN，設計預緊力F為95kN（屈服載荷的60%），則錨桿張拉應力P為：

帶入參數可得P=24MPa。

3.3 攪拌器結構設計

由于張拉式鎖具錨桿已無需尾紋，為解決常規攪拌器無法攪拌此類錨桿的問題，需配套采用一種抱鎖式錨桿攪拌器。

4 張拉預緊式錨桿錨固數值模擬

4.1 模擬方案

取出巷道錨固分離體，探查巷道圍巖裂隙節理發育規律，利用3DEC7.0 建立含初始損傷的單軸抗壓數值模型，模型尺寸為1.6m×3m×3m，施加預緊力分別為0kN、30kN、60kN、90kN，具體參數如表1、表2所示。

表1 圍巖力學參數

4.2 模擬結果分析

由圖3可知，安裝錨桿后，錨固體的強度峰值有所提高，且錨固體的強度與錨桿預緊力呈正相關。錨桿預緊力為30kN 時，錨固體峰值強度為7.83MPa，相比零預緊力的峰值7.53MPa提高了0.3MPa，峰值強度強化系數為1.04；錨桿預緊力為60kN 時，錨固體峰值強度為7.98MPa，峰值強度強化系數為1.06；當預緊力提高到90kN 時，錨固體峰值強度提高到8.26MPa，峰值強度強化系數為1.10。

圖3 錨固體全應力—應變曲線

（2）錨固體殘余強度強化作用分析。張拉預緊式錨桿預緊力為0、30kN、60kN、90kN 時，錨固體峰后破壞特征與全應力—應變曲線如圖4所示。

由圖4可知，安裝錨桿后，錨固體的殘余強度顯著提高，且隨預緊力的增加而顯著增大無預緊力巖體的殘余強度為2.11MPa，當預緊力為30kN、60kN、90kN時，殘余強度分別為2.38MPa、2.52MPa、2.72MPa，殘余強度強化系數為1.128、1.194、1.29。因此，預緊力越大，對錨固體殘余強度的強化效率越高。

圖4 錨固體峰后破壞特征與全應力—應變曲線圖

（3）錨固體內部裂隙擴展規律分析。張拉預緊式錨桿預緊力為0、30kN、60kN、90kN 時，錨固體內部剪切裂隙分布特征如圖5所示。

由圖5可知，隨預緊力增大，剪切裂隙貫通程度減小，以水平方向剪切裂隙減少顯著，錨桿主動預緊力約束與被動工作載荷約束，對圍巖表面施加一定的壓力，對巖體受載擴容起到較好的限制作用淺部圍巖的張拉破壞明顯減小，這說明預緊力的提升能有效控制淺部圍巖變形破壞，有利于減少片幫現象。

圖5 錨固體內部剪切裂隙分布特征圖

（4）巷道圍巖整體變形破壞特征。張拉預緊式錨桿預緊力為0、30kN、60kN、90kN 時，巷道圍巖變形破壞特征如圖6所示。

由圖6可知，隨著預緊力的增大，巷道圍巖變形量及裂隙發育數量顯著減小。巷道錨桿預緊力為30、60、90kN時，相比無預緊力，兩幫相對移進量減少了27%、50.7%、69%，裂隙發育數量減少了35%、49.2%、63%。

圖6 巷道圍巖變形破壞特征圖

5 工程實踐

2308運輸巷原擴修支護方案為幫部擴修后重新補打3 根直徑為20mm、長度為2400mm、強度為500MPa左旋高強樹脂錨桿，但擴修后預緊力低，錨桿貼幫護幫效果差，巷道片幫嚴重，同時補打錨桿，費力費工，制約修巷速度。

采用張拉預緊式錨桿擴幫支護，利用鎖具直接對擴幫后遺留的2000mm 左右的錨桿重復預緊，并施加60kN以上預緊力，無需補打錨桿。

6 效果檢驗

通過對比2308運輸巷分別采用傳統轉矩式錨桿和張拉預緊式錨桿時巷道兩幫變形量，驗證張拉預緊式錨桿對加固巷道圍巖的作用。在20d的監測時間內，巷道圍巖變形情況如圖7所示。

由圖7可知，2308 運輸巷采用張拉預緊式錨桿時巷道最大圍巖變形量為315mm，較采用傳統轉矩式錨桿時減小了252mm。因此，張拉預緊式錨桿對原支護錨桿重復預緊后，能夠有效減小巷道圍巖變形量，保證圍巖穩定性。

圖7 2308運輸巷兩幫變形量

7 結論

（1）2308 運輸巷采用傳統轉矩式的錨桿支護后巷道圍巖變形量大，補打錨桿不僅預緊力低，錨桿貼幫護幫效果差，巷道片幫嚴重，還費力費工，制約修巷速度。礦井提出采用張拉預緊式錨桿對原錨桿重復預緊，通過3DEC7.0 數值模擬可知，安裝錨桿后，巷道圍巖變形量及裂隙發育數量顯著減小，并與預緊力大小成正相關。

（2）通過監測2308運輸巷兩幫變形量可知，采用張拉預緊式錨桿時巷道最大圍巖變形量為315mm，較采用傳統轉矩式錨桿時減小了252mm。由此可知，采用張拉預緊式錨桿支護效果優于補打傳統轉矩式錨桿，不僅提高了圍巖穩定性，還減少了作業強度和支護成本。