煤巷预拉力支护体系应用研究

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　　摘 要：该文通过对煤巷预拉力支护体系应用进行了研究，并进行了具体的阐述，具有一定借鉴意义。
　　关键词：煤巷；预拉力；应用研究
　　中图分类号：TD353 文献标识码：B 文章编号：1009-9166（2011）023(C)-0223-01
　　前言：煤巷树脂锚杆是指对岩层及煤层起锚固作用、维护围岩稳定的杆状结构物及附件，其种类和结构繁杂多样，但各矿井一般都将其作为简单材料，分散加工，规模小质量不稳定，使用效果差，根本原因在于对锚杆加工要求和结构必须具备的基本性能不清楚。随着这一技术的推广应用和普及，客观上要求提高锚杆整体性能及加工精度，特别是困难复杂条件下应用该项技术对锚杆的性能提出了更高的要求，把锚杆作为一种简单的支护材料已不适应全面推广这一新技术的要求，必须使锚杆加工系列化、规范化、标准化，只有高性能的成套锚杆才可能满足地质条件复杂多变的需求。锚杆结构和加工性能如何规范是十分重要的技术问题，针对目前锚杆加工、使用中存在的缺陷和问题，笔者提出高性能锚杆的概念，它是指杆体材质符合高强度、延伸率要求、附件完整、整体强度和几何尺寸匹配、能够满足钻机连续一体化安装并实现预拉力的新型锚杆。
　　一、目前煤巷推广使用的高性能锚杆的特点
　　（一）采用20MnSi无纵筋左旋螺纹钢加工，其强度和延伸率都符合高强度锚杆对材质的要求，材质优良，取材方便，杆体表面凸纹能够满足搅拌阻力和锚固要求，不必二次加工。
　　（二）外端螺纹部采用低强度损失加工新工艺，螺母、托盘、钢带等附件尺寸匹配、强度相当。
　　（三）双重减摩措施，保证实现预拉力（初锚力），并调整锚杆外端受力。
　　（四）扭矩螺母实现快速机械安装结构。
　　（五）有醒目的标志直观显示安装施工质量。
　　（六）配套的新型附件性能优越，包括顶板用M型钢带和帮用的Ⅱ型轻型带钢，前者是针对W型钢带易撕裂、抗弯模量小的缺陷，经过断面形状优化产生的高翼缘结构；后者是针对钢筋梯子梁焊点不牢，整体性差，与围岩接触困难的缺陷而开发出来的，用料省，整体力学性能好，它们都属于更新换代产品，有多种规格和多个系列。为了强调预拉力的作用，这种锚杆又称高性能预拉力锚杆。
　　二、煤巷顶板的预应力结构
　　传统的支撑式巷道支护是从围岩外部承受围岩压力，而锚杆则是在围岩内部进行加固，形成了围岩一锚杆的整体承载结构，并充分利用围岩的自承能力，这是关于锚杆支护的经典论述，但整体承载结构的形成不是没有条件的，根据笔者的观察，大多数普通锚杆（无初锚力或初锚力极低）和围岩不能形成承载结构。
　　众所周知，巷道开挖后在围岩很小变形时（约破坏载荷25%以下），就出现开裂、离层、滑动、裂纹扩展和松动等等，使围岩强度大大弱化。如果巷道开挖后立即安装锚杆，但未施加预拉力，由于锚杆极限变形量大于围岩极限变形量，又由于各类锚杆都有一定的初始滑移量，因而锚杆不能阻止围岩的开裂、滑动和弱化。只有当围岩的开裂位移达到相当的程度（在钢筋混凝土中达到极限载荷的60%―75%）以后，锚杆才起到阻止裂纹扩展的作用，这时围岩已几乎丧失抗拉和抗剪的能力，加固体的抗拉和抗剪主要依靠锚杆的抗拉和抗剪能力。也就是说，这里围岩和锚杆不同步承载，先是围岩受力破坏，达到一定程度，锚杆开始承载，在目前的开采深度和非强烈构造应力区，这种矛盾常常不突出，支护的成功掩盖了问题的实质。如果在安装锚杆的同时，立即施加足够的预拉力，不仅消除了锚杆支护系统的初始滑移量，而且给围岩一定的预压应力，改善围岩的应力环境：对于受拉截面来说，可以抵消一部分拉应力，从而大大提高抗拉能力；对于受剪截面，由于压应力产生的摩擦力，大大提高了加固体的抗剪能力。同时，由于锚杆的预拉力避免了巷道围岩过早出现张开裂缝，可以减缓围岩的弱化过程，保证了巷道的长期稳定。即施加预拉力合适可以保证围岩和锚杆结构同步承载，即形成整体承载结构，由此提出煤巷支护的预应力结构的概念：通过支护构件主动施加一种作用力，从而使围岩和支护构件在掘巷之初即能够共同承载的结构。顶板预应力结构的形成需要以下条件：（1）支护构件安装时能够提供一个明确的作用力，其绝对值应大于松动岩体的重量；（2）安装完成后，加固区内围岩和构件的相互作用是始终存在的，并随巷道变形而得到加强；（3）支护围岩结构同步承载，协调变形，因而主动施加的作用力应适度，过小或过大都不合适。顶板预应力结构能否形成是判断支护形式合理性的标准，预应力结构的厚度和承载力是控制巷道变形的关键，它取决于支护构件的布置和预拉力的大小，即支护参数的设计，这需要更深入的探讨。
　　结束语：由以上分析可见，煤巷锚杆主动支护体系包括三种基本形式，他们的共同点是都具有预拉力，在施工安装完成后即和围岩产生一个显著的相互作用力，这里锚杆是支护系统的主要构件和基础，因此把它称之为预拉力（锚杆）支护体系，这是真正意义上的主动支护体系，它解决的很多复杂的支护问题是其他锚杆支护技术所无法完成的。煤巷锚杆支护技术的发展方向是采用强度更高性能更好的锚杆产品，以更大的间排距完成支护目标，减少锚杆用量并以更快的掘进速度完成施工，同时保证更好的安全可靠性，因而应加强对锚杆支护系统性的认识，在解决问题中深化研究，进一步揭示锚杆作用的实质和机理，指导实践；研发更高性能的锚杆产品及相关加工技术，使支护形式多样化，把握技术发展的方向；进一步规范施工技术，消除隐蔽工程，加强安全可靠性研究，强化施工现场管理。
　　
　　 作者单位：淮南矿业集团潘一矿
　　

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