巷道頂板對(duì)施加錨桿托錨力的影響

　  工程概況
　　老母坡煤礦3101工作面位于已經(jīng)回采完畢的2101首采工作面之下，2#煤與3#煤之間的法距為7m～9m左右。2#煤埋深200m左右，頂板為泥巖、細(xì)砂巖，厚度平均4.45m，底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉細(xì)砂巖，厚度平均7.57m，該煤層已大部采空。3#煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚度0.2m～0.4m，直接頂為泥巖，厚度1.27m，老頂為細(xì)砂巖，厚度2.25m；底板為粉砂巖，厚度4.89m。3101運(yùn)輸順槽巷道實(shí)行無充填體沿空留巷，以實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)系統(tǒng)，并作為3103工作面回風(fēng)巷道使用。巷道及工作面層位關(guān)系如圖1所示。
　　根據(jù)各巷道圍巖條件，分別設(shè)計(jì)了以高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿為主要支護(hù)構(gòu)件的支護(hù)方案。研究表明，施加高托錨力或高預(yù)緊力能夠較好地控制巷道掘進(jìn)初期的變形量，不僅能夠有效控制淺部圍巖的頂板下沉，還能在錨桿的有效長(zhǎng)度內(nèi)消除頂板離層。然而經(jīng)技術(shù)人員調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在巷道掘進(jìn)及工作面推進(jìn)過程中，各巷道均存在因錨桿托錨力損耗或部分損耗造成的錨固失效或低效的工程現(xiàn)象。為此，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)技術(shù)人員測(cè)試了不同幾何尺寸的錨桿在實(shí)驗(yàn)環(huán)境、巖石層面、煤壁和噴砼表面等條件下的預(yù)緊力矩與托錨力的轉(zhuǎn)換關(guān)系，研究了不同因素對(duì)施加初始托錨力的影響。下面，筆者將詳細(xì)探討巷道頂板對(duì)對(duì)施加托錨力的影響。
　　2 巷道頂板對(duì)施加托錨力的影響
　　為研究巷道頂板對(duì)施加托錨力的影響，分別在2103工作面下順槽和3101工作面下順槽進(jìn)行了錨桿預(yù)緊力矩和托錨力的測(cè)試實(shí)測(cè)工作，以便分析不同巷道頂板對(duì)施加托錨力的影響。
　　2.1 2#煤頂板對(duì)施加托錨力的影響
　　在2103工作面下順槽相距10m的兩斷面進(jìn)行10組錨桿預(yù)緊力矩和托錨力的測(cè)試實(shí)測(cè)工作，巷道斷面為矩形，寬高尺寸分別為3.8m和2.2m。巷道直接頂板為泥巖，厚度2.4m，老頂為2.5m厚度的砂巖。
　　扭矩加載梯度0N？m～300N？m以內(nèi)每30N？m遞增1次，300N？m以上每50N？m增加1次，加載過程除記錄數(shù)據(jù)外基本為連續(xù)加扭，實(shí)測(cè)時(shí)加載的最大扭矩為450N？m，最小扭矩為300N？m。
　　實(shí)測(cè)結(jié)束后共取10組有效數(shù)據(jù)，通過對(duì)有效數(shù)據(jù)分析可以得出預(yù)緊力矩與托錨力的關(guān)系：
　　1）里程300和290斷面托錨力數(shù)據(jù)在預(yù)緊力矩小于210N？m時(shí)線型增加幅度較小，超過此數(shù)值時(shí)增速增大，此數(shù)值對(duì)應(yīng)的平均托錨力分別為27.65kN和21.26kN，當(dāng)預(yù)緊力矩為240kN時(shí)，對(duì)應(yīng)的總平均托錨力為28.59kN，扭矩系數(shù)為0.31。
　　2）所有錨桿的托錨力均隨預(yù)緊力矩的增加而增加，5#（回采側(cè)）和10#（采空側(cè)）的增加速度最快，扭矩同為300N？m時(shí)托錨力分別為98.02kN和54.67kN。以2#錨桿（頂板左2）和7#錨桿（頂正中）托錨力最小，分別為71.63kN和60.32kN。
　　2.2 3#煤頂板對(duì)施加托錨力的影響
　　在老母坡煤礦3101工作面下順槽進(jìn)行了頂板6組錨桿預(yù)緊力矩和托錨力的測(cè)試實(shí)測(cè)工作，巷道斷面為矩形，寬高尺寸分別為3.8m和2.2m。扭矩加載方式與2#煤測(cè)試工作相同。實(shí)測(cè)結(jié)束后，共取得6組有效數(shù)據(jù)，通過對(duì)有效數(shù)據(jù)的分析，可以得出預(yù)緊力矩與托錨力的關(guān)系：
　　1）單根錨桿平均的預(yù)緊力矩在0N？m～240N？m范圍內(nèi)托錨力多為線性增加，但在240N？m以上時(shí)，線型增長(zhǎng)更為顯著，而小于180N？m時(shí)，扭矩系數(shù)不穩(wěn)定，大于240N？m時(shí)，扭矩系數(shù)K平均值為0.27，對(duì)應(yīng)的平均托錨力為42.73kN。
　　2）所有錨桿的托錨力均隨預(yù)緊力矩的增加而增加，因1#（實(shí)體側(cè)）和5#錨桿與頂板接觸面較為平整，托錨力增加速度最快，扭矩同為270N？m時(shí)托錨力分別為64.09kN和56.55kN。其中3#錨桿因外漏稍長(zhǎng)，加扭時(shí)墊有3塊托盤，扭矩較小時(shí)便出現(xiàn)托錨力，但因頂板接觸面稍有凹凸，故增加速度并沒有1#錨桿快，這2#錨桿（頂板左2）因外漏稍短，加扭過程中未放托盤，致轉(zhuǎn)換系數(shù)較低，托錨力最小，最大托錨力僅為44.49kN，這也證明了錨桿托盤等護(hù)表構(gòu)件在傳遞托錨力時(shí)的重要作用。
　　3 2#煤和3#煤頂板對(duì)施加托錨力的影響對(duì)比分析
　　1）從圖1a可以看出，3101下順里程158m斷面頂板6根錨桿相同預(yù)緊力矩條件下所得托錨力皆大于2103下順2斷面頂板10根錨桿，分析原因?yàn)?103下順里程290m頂板5根錨桿因頂板較低，錨桿機(jī)無法直立，導(dǎo)致新打錨桿皆有一定傾斜角度，故壓力表無法與頂板平整接觸，轉(zhuǎn)換系數(shù)較低。2103下順里程300m處托錨力較小原因?yàn)轫敯?根錨桿為巷道掘進(jìn)期間原錨桿，為保證正常加扭，未放托盤，護(hù)表構(gòu)件是保證托錨力傳遞給圍巖的重要因素，致使托錨力整體水平較低。各斷面回歸方程分別為Fl=0.23T-18.77、Fl=0.29T-35.04和Fl=0.27T-21.7。
　　2）3101下順頂板6根錨桿的扭矩系數(shù)皆小于2103頂板10根錨桿，但扭矩為240N？m以上時(shí)，扭矩系數(shù)皆趨于穩(wěn)定。為保證巷道錨桿支護(hù)的高預(yù)緊力，2煤、3煤新掘巷道頂板預(yù)緊力矩應(yīng)在300N？m以上。
　　結(jié)論
　　除了巷道頂板，托錨力的影響因素還包括噴砼表面、煤巖界面等，尚需進(jìn)一步的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)研究。然后，實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定差異，這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)條件下，可以保證圍巖表明的平整度、錨桿孔與圍巖相垂直，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)則難以保證。