张拉预紧式锚杆在深部巷道围岩变形控制中应用

赵丙珍

（山西铺龙湾煤业有限公司，山西 大同 037104）

动压巷道受采动支承应力影响，围岩变形量大，维护较为困难，制约矿井高产高效和经济、社会效益，威胁矿井安全[1-3]。动压巷道的支护是当前矿井面临的难题之一，国内外众多学者进行了大量研究，并针对传统转矩式的锚杆支护预应力较小的问题，提出通过监测锚杆内力、补打锚杆等方式，提高锚杆支护强度。但补打锚杆费力费工，制约巷道维护速度，影响矿井的经济效益[4-8]。平煤矿区是我国典型深部开采矿区，开采深度已超过800m，巷道围岩软弱破碎、持续变形严重，支护维护困难，返修率高，矿井提出采用张拉预紧式锚杆对原锚杆重复预紧，预紧后巷道围岩变形量得到明显改善，有效提高了动压巷道围岩稳定性，减少了返修次数。

1 工作面概况

2308运输巷在西翼皮带大巷西端开口，西侧、北侧为实体煤；南侧距2306 回风巷446.3m；东侧距2306 工作面采空区（2306 回风顺槽）37.8m。巷道沿3#煤底板掘进，煤层平均厚度4.65m，平距倾角3.5°，煤层顶板为泥岩、各粒度砂岩、砂质泥岩；底板为砂质泥岩、粉砂岩。巷道掘进平距深度850m以上，受矿压、采动影响，巷道两帮挤出、底鼓严重，从巷道二部皮带架子246 架向外，需扩帮作业，扩帮深部约0.6～1.0m。

2 传统转矩式锚杆预紧力现状

（1）由于传统转矩式锚杆施工要求与预紧方式不匹配，影响转矩转化为预紧力效率。

（2）如果为了提高预应力而过度提高转矩，锚杆会承受较大的叠加应力载荷，发生破断。

（3）巷道扩帮、岩层松软等因素造成锚杆预紧实效后，锚杆无法重复预紧，造成资源浪费。

3 张拉预紧式锚杆支护系统

张拉预紧式锚杆支护系统主要由锁具、张拉千斤顶及锚杆搅拌器组成。

3.1 锁具结构设计

张拉预紧式锚杆锁具代替传统转矩式锚杆螺母对围岩施加预紧力，锁具由夹片和锚环构成，如图1所示。

图1 锁具工作原理图

由图1可知，将夹片推入锁环后，实现锚杆的高预紧力，同时托盘也会受到巷道围岩的反作用力，这个力通过托盘传递到锁环，而锁环的倒圆台结构将这个沿锚杆径向的力改变为垂直于锁具夹片的力，从而使夹片锁的更紧，即实现了锁具的自锁，当围岩的反作用力越大时，锁具咬的越紧，避免了退锚的发生。

锚杆夹片硬度不宜过大或过小，硬度过大韧性不足，易发生开裂破坏；硬度过小无法咬住，易发生退锚。结合2308 运输巷地质条件，最终确定采用500MPa锚杆的锁具夹片，硬度需大于HRC35。

3.2 张拉千斤顶结构设计

（1）千斤顶结构设计。张拉千斤顶主要由张拉油缸、带销夹片、锚具及固定架组成，其工作原理类似锚索夹片和锚环锁定锚杆实现高的预紧力，如图2所示。现场施工时，锁具与张拉千斤顶相互配合，通过张拉千斤顶推动锁具将锚杆锁紧，达到提高锚杆预紧力的目的。

图2 张拉千斤顶结构工作原理图

（2）张拉压力与预紧力对应关系计算。张拉千斤顶油缸活塞直径d 为50mm，共有两个油缸，则油缸的受力面积S为：

带入参数可得S=3925mm2。

综上所述，通过对给排水设计的实施优化，保证设计时可以进行最优化的配置，进而达到节能的效果。在设计质量得到保证时，给排水工程在各个环节都可以实现节能效果，并将城市功能提升得恰到好处，进而带动城市的发展。为实现保护环境和节约能源的目标，在给排水系统节能设计时，应合理规划排水工程，全方面地完善施工建设。

千斤顶1MPa受力f如下：

f=S×10-6m2×1×106N/m

=3.93kN/MPa

带入参数可得f=3.93kN/MPa。

如∅20mmHRB500锚杆，屈服载荷157kN，设计预紧力F为95kN（屈服载荷的60%），则锚杆张拉应力P为：

带入参数可得P=24MPa。

3.3 搅拌器结构设计

由于张拉式锁具锚杆已无需尾纹，为解决常规搅拌器无法搅拌此类锚杆的问题，需配套采用一种抱锁式锚杆搅拌器。

4 张拉预紧式锚杆锚固数值模拟

4.1 模拟方案

取出巷道锚固分离体，探查巷道围岩裂隙节理发育规律，利用3DEC7.0 建立含初始损伤的单轴抗压数值模型，模型尺寸为1.6m×3m×3m，施加预紧力分别为0kN、30kN、60kN、90kN，具体参数如表1、表2所示。

表1 围岩力学参数

4.2 模拟结果分析

由图3可知，安装锚杆后，锚固体的强度峰值有所提高，且锚固体的强度与锚杆预紧力呈正相关。锚杆预紧力为30kN 时，锚固体峰值强度为7.83MPa，相比零预紧力的峰值7.53MPa提高了0.3MPa，峰值强度强化系数为1.04；锚杆预紧力为60kN 时，锚固体峰值强度为7.98MPa，峰值强度强化系数为1.06；当预紧力提高到90kN 时，锚固体峰值强度提高到8.26MPa，峰值强度强化系数为1.10。

图3 锚固体全应力—应变曲线

（2）锚固体残余强度强化作用分析。张拉预紧式锚杆预紧力为0、30kN、60kN、90kN 时，锚固体峰后破坏特征与全应力—应变曲线如图4所示。

由图4可知，安装锚杆后，锚固体的残余强度显著提高，且随预紧力的增加而显著增大无预紧力岩体的残余强度为2.11MPa，当预紧力为30kN、60kN、90kN时，残余强度分别为2.38MPa、2.52MPa、2.72MPa，残余强度强化系数为1.128、1.194、1.29。因此，预紧力越大，对锚固体残余强度的强化效率越高。

图4 锚固体峰后破坏特征与全应力—应变曲线图

（3）锚固体内部裂隙扩展规律分析。张拉预紧式锚杆预紧力为0、30kN、60kN、90kN 时，锚固体内部剪切裂隙分布特征如图5所示。

由图5可知，随预紧力增大，剪切裂隙贯通程度减小，以水平方向剪切裂隙减少显著，锚杆主动预紧力约束与被动工作载荷约束，对围岩表面施加一定的压力，对岩体受载扩容起到较好的限制作用浅部围岩的张拉破坏明显减小，这说明预紧力的提升能有效控制浅部围岩变形破坏，有利于减少片帮现象。

图5 锚固体内部剪切裂隙分布特征图

（4）巷道围岩整体变形破坏特征。张拉预紧式锚杆预紧力为0、30kN、60kN、90kN 时，巷道围岩变形破坏特征如图6所示。

由图6可知，随着预紧力的增大，巷道围岩变形量及裂隙发育数量显著减小。巷道锚杆预紧力为30、60、90kN时，相比无预紧力，两帮相对移进量减少了27%、50.7%、69%，裂隙发育数量减少了35%、49.2%、63%。

图6 巷道围岩变形破坏特征图

5 工程实践

2308运输巷原扩修支护方案为帮部扩修后重新补打3 根直径为20mm、长度为2400mm、强度为500MPa左旋高强树脂锚杆，但扩修后预紧力低，锚杆贴帮护帮效果差，巷道片帮严重，同时补打锚杆，费力费工，制约修巷速度。

采用张拉预紧式锚杆扩帮支护，利用锁具直接对扩帮后遗留的2000mm 左右的锚杆重复预紧，并施加60kN以上预紧力，无需补打锚杆。

6 效果检验

通过对比2308运输巷分别采用传统转矩式锚杆和张拉预紧式锚杆时巷道两帮变形量，验证张拉预紧式锚杆对加固巷道围岩的作用。在20d的监测时间内，巷道围岩变形情况如图7所示。

由图7可知，2308 运输巷采用张拉预紧式锚杆时巷道最大围岩变形量为315mm，较采用传统转矩式锚杆时减小了252mm。因此，张拉预紧式锚杆对原支护锚杆重复预紧后，能够有效减小巷道围岩变形量，保证围岩稳定性。

图7 2308运输巷两帮变形量

7 结论

（1）2308 运输巷采用传统转矩式的锚杆支护后巷道围岩变形量大，补打锚杆不仅预紧力低，锚杆贴帮护帮效果差，巷道片帮严重，还费力费工，制约修巷速度。矿井提出采用张拉预紧式锚杆对原锚杆重复预紧，通过3DEC7.0 数值模拟可知，安装锚杆后，巷道围岩变形量及裂隙发育数量显著减小，并与预紧力大小成正相关。

（2）通过监测2308运输巷两帮变形量可知，采用张拉预紧式锚杆时巷道最大围岩变形量为315mm，较采用传统转矩式锚杆时减小了252mm。由此可知，采用张拉预紧式锚杆支护效果优于补打传统转矩式锚杆，不仅提高了围岩稳定性，还减少了作业强度和支护成本。