预应力锚索在煤矿井巷工程中的应用与研究

赵霄铭

摘要：如今煤矿已普遍使用小孔径预应力锚索，小孔径预应力树脂锚索对困难、复杂条件下的巷道支护所起的补强加固作用。本文以吴寨矿为例，首先介绍预应力锚索的结构及支护特点；接着探讨了井巷工程支护技术；最后对支护效果及经济效益作出了分析。

关键词： 预应力锚索，支护，结构，支护效果

Abstract: coal mine has now commonly used small aperture prestressed anchor cable, small aperture prestressed anchor cable resin on the difficult, under complicated conditions of support on reinforcing reinforcement effect. This paper to wu village ore as an example, the first introduces the structure of the prestressed anchor and the support characteristics; This paper discusses the alley of engineering support technology; Finally the supporting effect and economic benefits made analysis.

Keywords: prestressed anchor cable, supporting, structure, supporting effect

中图分类号：TU394文献标识码：A 文章编号：

引言

随着煤矿开采深度的增加和矿区开发的不断深人，在地质条件复杂的矿区中，软岩井巷支护愈来愈困难。在大深度、大地压、复杂地质构造区内，由于地压异常高，因此常规支护的井巷支护效果不是很理想，往往是前边施工不久后方就发生破坏，维修后再次破坏。近年来预应力锚索支护技术，在软岩及大地压下井巷支护和维护修复中取得了良好的效果。预应力锚索支护技术在国内外近年来发展迅速,特别是在边坡控制、交通遂道、水电坝基、基坑等加固工程中广泛应用，最近几年又引入到煤矿井巷工程中。预应力锚索加固围岩技术的关键在于其预应力的大小及损失程度，只有保持足够衡久的预应力才能够提供最佳的锚固效果。

一、预应力锚索的结构与支护特点

1.1结构

煤矿普遍使用的小孔径预应力锚索根据锚固形式的不同，结构会有所差别，根据设计需要对端部进行一定长度的锚固。锚索由内锚固段、钢绞线自由伸缩段和外锚固段(包括托盘、锚具和钢绞线)组成；全长锚固锚索体在钻孔中与胶结体全长黏结锚固，一般不施加预紧力，只用少量力把锚具设好即可。而我们最常用的为顶端局部锚固，锚索由内锚固段和外锚固段2部分组成。结构如图1。

小孔径树脂锚固预应力锚索材料主要由索体、锚具、托板和树脂锚固剂组成。锚索使用1×7标准钢绞线，其特点是破断力高、韧性好、低松驰，既有一定柔性，可盘卷便于运输，又可实现自身搅拌树脂药卷快速安装，非常适合在煤巷井巷工程中安装使用。

1.2支护特点

小孔径预应力锚索支护是锚杆支护技术发展中占有重要地位的一种支护形式，与普通锚杆相比，一是长度大(其他行业使用的锚索长度，可达40~90 M，煤矿目前使用的锚索也在 5~20 M之间，所以锚索能够远远超过围岩松动破坏范围而锚入到深部稳定岩石中)；二是可以施于预应力(预应力可以达到1000~6000KN，煤矿井巷中常用的也在 200KN以上)，且施工灵活,可以和其他多种支护形式进行组合使用。同时具有不缩小井巷断面、工期短、安全可靠、节约资金等优点,也能限制岩体的有害变形发展,从而保护岩体的稳定，延长井巷的有效服务期限，而锚索支护产生的主动支护预应力之大和锚固范围之广又是其他支护形式所无法比拟的。

二、井巷支护技术

2.1 采场围岩应力特征

随着上区段采场的采动影响及时间的延长，上覆岩层断裂，并逐渐反转下沉。当上覆岩层与邻近采空区矸石接触并压实后，煤体变形基本稳定，上覆岩体结构基本形成，煤体上方应力分布与底板应力分布组成了“压力拱”模型，即存在两个压力高峰“拱脚”。这两个压力拱脚实际上是与老顶两端破裂部位密切相关的应力集中区，是该段岩梁的两个端头承载支点。煤体中的应力高峰是弹性应力高峰，矸石中的应力高峰是塑性应力高峰，在弹性应力高峰的采空区一侧存在着一个相对低应力状态的峰后煤体，若在其中布置巷道，支护荷载相对较小，这是沿空巷道支护的主要力学特征。

2.2沿空巷道位置的确定

沿空巷道位置选择的主要原则是将巷道布置在采场周围的相对低应力区内，便于巷道的支护和稳定，能够有效提高煤炭资源回收率。有资料表明，支承压力区的峰值通常位于与煤壁相距2～5倍的煤层采厚处，其值为(2～5)慨考虑到采空区边缘煤体的松动范围及锚杆支护长度，沿空巷道煤柱宽度取3 m；并一次将工作面的沿空材料巷全部掘出，改变了以往沿空材料巷分段掘进的方式。

2.3支护设计及主要技术要求

要根据工作面的地质条件，经过综合分析、工程类比，确定巷道采用锚杆、锚索联合支护。据此，对巷道围岩的应用研究，矩形断面选用Φ20mm×2.2 m的高强树脂锚杆。间排距600～800 mm，每孔使用3卷z2335树脂锚固剂，巷道顶帮均匀铺设金属网并配以钢筋梁组合支护；沿巷道中线对称布置两排锚索，间距2 m。锚索采用Φ17.8 mm，长7.5 m的钢绞线，加长锚固。因巷道围岩应力重新分布，巷道上帮产生一定宽度塑性区。为防止该塑性区扩大，巷道掘出后应及时安装锚杆，每根锚杆施加不低于50 kN的初锚力，锚杆锚固力应大于80 kN。用树脂药卷锚固锚索时，张拉预应力不小于120 KN。

2.4锚索施工工艺

(1)地面准备：首先检查钢绞线，截去松丝、严重锈蚀和死弯部分，按设计长度截断钢绞线，除去铁锈和污泥，在锚固头安装毛齿和挡圈，最后盘成圈。

(2)钻孔：钻孔可采用锚杆钻机或轻型专用锚索钻机，可连接B19或B22钻杆，Φ27—29 mm旋转式钻头，施工工艺与锚杆钻孔类似。

(3)锚固：采用树脂药卷锚固时，按先后顺序将2根超快或快速树脂药卷和3根中速树脂药卷送入孔内，用钢绞线轻轻将树脂药卷送入孔底，用搅拌连接器将钢绞线与钻机连接起来，开动钻机，边搅拌边推进。搅拌20～30 s后，将钢绞线送入孔底，不落钻机停转，等待l～2 min，落下钻机，卸下搅拌连接器，完成锚索的内锚固。

(4)张拉：树脂药卷锚固后需养护1 h。然后再依次装上托板、锁具，并使它们紧贴顶板，挂上张拉千斤顶，开泵进行张拉。观察压力表读数，达到设计预紧力时，停止张拉，卸下千斤顶。若钢绞线外露过长，可用液压剪剪断多余的外露钢绞线，一般外露250mm~300mm。

三、支护效果及经济分析

根据该矿井巷锚杆支护矿压观测统计，留设3 m煤柱，应用锚索和锚梁网联合支护的巷道围岩变形量明显低于矿用工字钢支护巷道的围岩变形量，沿空巷道围岩变形观测结果如表1所列。

由于该矿原综采工作面运输巷与附加材料巷(距上区段采空区40 m左右)首先掘出，待工作面系统形成后，为减少沿空巷道维护时间，沿空材料巷随工作面推进分段掘进。使用该项技术后，原来的附加材料巷可以省去，同时也省去了其与沿空材料巷之间每400 m一段的联络巷。一个1 km走向的工作面共可少掘巷道近0.7 km，每米巷道直接成本可降低18％，工人的劳动强度也会大为降低。目前，该项技术已在多个生产工作面推广使用。现场观测表明，沿空巷道应用该种支护方式比位于实体煤中工字钢支护巷道围岩变形还要小。根据锚索支护效果，预应力锚索支护技术可在大深度、大地压、复杂地质构造区内与其它支护方式一起联合应用。

结论

小孔径预应力树脂锚索可以非常有效地解决围岩稳定性差、支护难度大的巷道支护问题。尤其在受深部地压影响剧烈的巷道、软岩巷道、交岔点、大跨度开切眼及复合顶板巷道中，小孔径预应力树脂锚索可显著提高井巷的安全可靠性，扩大锚杆支护使用范围，进而提高锚杆支护在巷道支护中占的比例。使用锚杆锚索联合支护技术可以降低巷道支护、维护成本，延长巷道的服务年限，减少煤炭资源损失，保证巷道处于良好的维护状况。

参考文献：

[1]康红普等，煤巷锚杆支护理论与成套技术[M]．北京：煤炭工业出版社。2008.11

[2]衰和生《煤矿井巷锚杆支护技术》煤炭工业出版社。2009.5

[3]马念杰、潘伟等，煤巷支护技术与机械化掘进[M]．中国徐州：中国矿业大学出版社。2008.3

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