高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)研究

摘要：錨桿（索）支護(hù)技術(shù)是采礦工程領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，能充分提高圍巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)固能力，是提高采礦過程穩(wěn)定性的有效方法。深井生產(chǎn)中，地質(zhì)條件更加復(fù)雜，圍巖壓力更大，易出現(xiàn)頂板破碎和煤壁片幫等現(xiàn)象，對高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)的研究已經(jīng)尤為迫切和重要。

1 高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論

1.1 巷道圍巖變形主要包括兩部分一是結(jié)構(gòu)面離層、滑動(dòng)、裂隙張開及新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形，屬于不連續(xù)變形；二是圍巖的彈性變形、峰值強(qiáng)度之前的塑性變形、錨固區(qū)整體變形，屬于連續(xù)變形。合理的巷道支護(hù)理念是大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度，有效控制圍巖不連續(xù)變形，保持圍巖的完整性，同時(shí)支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的延伸率，允許巷道圍巖有較大的連續(xù)變形，使高應(yīng)力得以釋放。我國煤礦采用錨桿支護(hù)已有 50 多年的

歷史，錨桿支護(hù)經(jīng)歷了從低強(qiáng)度、高強(qiáng)度到高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)的發(fā)展過程 。

1.2 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形使圍巖處于受壓狀態(tài)，抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現(xiàn)，在錨固區(qū)內(nèi)形成剛度較大的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層產(chǎn)生離層，同時(shí)改善圍巖深部的應(yīng)力分布狀態(tài)。對高強(qiáng)度錨桿支護(hù)技術(shù)的認(rèn)可是從 1996～1997 年引

進(jìn)澳大利亞錨桿支護(hù)技術(shù)開始的 。

1.3 錨桿預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散對支護(hù)效果起著決定性作用根據(jù)巷道條件確定合理的預(yù)應(yīng)力，并使預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)有效

擴(kuò)散是支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。單根錨桿預(yù)應(yīng)力的作用范圍是很有限的，必須通過托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等構(gòu)件將錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到離錨桿更遠(yuǎn)的圍巖中。

1.4 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)剛度支護(hù)剛度小于臨界支護(hù)剛度，圍巖將長期處于變形與不穩(wěn)定狀態(tài)；相反，支護(hù)剛度達(dá)到或超過臨界支護(hù)剛度，圍巖變形得到有效抑制，巷道處于長期穩(wěn)定狀態(tài)。

1.5 錨桿支護(hù)

　　對巷道圍巖的彈性變形、峰值強(qiáng)度之前的塑性變形、錨固區(qū)整體變形等連續(xù)變形控制作用不明顯，要求支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的延伸率，使圍巖的連續(xù)變形得以釋放。

1.6 對于復(fù)雜困難巷道

應(yīng)采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿組合支護(hù)，應(yīng)盡量一次支護(hù)。一次支護(hù)是礦井實(shí)現(xiàn)高效、安全生產(chǎn)的要求 。對于大巷和硐室等永久工程更需保持長期穩(wěn)定不能經(jīng)常維修，否則會(huì)給后續(xù)的維修施工帶來很大困難且存在安全隱患。

2 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿（索）支護(hù)系統(tǒng)

2.1 錨桿桿體幾何形狀與尺寸

　　錨桿桿體形狀設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則有四方面：其一在合理孔徑差的條件下，保證桿體能順利插入鉆孔；其二有利于提高錨固劑的粘結(jié)力與錨桿錨固效果；其三盡量使桿體各個(gè)部位等強(qiáng)度；其四是桿體尾部有利于施加較大的預(yù)緊力。左旋無縱筋螺紋鋼桿體基本能滿足桿體形狀設(shè)計(jì)的四個(gè)準(zhǔn)則，是比較理想的錨桿桿體。根據(jù)復(fù)雜困難巷道條件，確定強(qiáng)力錨桿桿體公稱直徑一般為 22-25mm，長度為 2.0-3.0m。

2.2 錨桿桿體材質(zhì)

　　通過桿體結(jié)構(gòu)和形狀優(yōu)化，有利于提高錨固效果，通過開發(fā)錨桿專用鋼材，達(dá)到高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度級(jí)別。對于直徑22mm的BHRB600型鋼筋屈服力達(dá)228.1kN，破斷力達(dá)304.1kN。分別是同直徑建筑螺紋鋼的 1.79、1.63 倍；是同直徑圓鋼的 2.5、2.11 倍。強(qiáng)力錨桿預(yù)應(yīng)力級(jí)別可超過 100kN，真正實(shí)現(xiàn)了高預(yù)應(yīng)力與高強(qiáng)度。

2.3 錨桿附件

　　除強(qiáng)力錨桿桿體外，還開發(fā)出與強(qiáng)力錨桿力學(xué)性能相配套的托板、螺母。同時(shí)，為了減少螺母與托板之間的摩擦阻力和摩擦扭矩，最大限度地將錨桿安裝扭矩轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力，研究開發(fā)出高效減摩墊圈，置于螺母與托板之間，顯著減少了摩擦阻力，在相同的安裝扭矩下大幅度提高了錨桿預(yù)緊力。

2.4 強(qiáng)力鋼帶

　　鋼帶是高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，對錨桿預(yù)緊力與工作阻力擴(kuò)散、錨桿作用范圍擴(kuò)大、整體支護(hù)能力的增強(qiáng)具有重要作用。為了與強(qiáng)力錨桿力學(xué)性能匹配，開發(fā)出 W 形強(qiáng)力鋼帶：一是適當(dāng)加大鋼帶厚度，將鋼帶厚度由原來的 2.5-3mm 增加到 4-5mm；二是不改變鋼帶幾何尺寸的情況下，選用強(qiáng)度更高的鋼材。

2.5 強(qiáng)力錨索

　　開發(fā)出大直徑、高噸位的強(qiáng)力錨索，一方面加大了錨索的索體直徑，從 15.2mm 增加到 20mm～22mm，不僅顯著提高了索體的破斷力，而且使索體直徑與鉆孔直徑的配合更加合理；另一方面，改變了索體結(jié)構(gòu)，采用 19 根鋼絲代替了原來的 7 根鋼絲，索體結(jié)構(gòu)更加合理，而且增加了索體的柔性和延伸率。

2.6 錨具及托板

　　為滿足強(qiáng)力錨索的要求，開發(fā)出拱形錨索托板并配調(diào)心球墊。一方面托板的承載能力顯著提高，與強(qiáng)力錨索強(qiáng)度相匹配，且具有一定的變形性；另一方面，托板可調(diào)心，改善了錨索受力狀態(tài)，使錨索支護(hù)能力得以充分發(fā)揮，具有可靠的錨固性能和足夠的承載能力，保證可以充分發(fā)揮強(qiáng)力鋼絞線的強(qiáng)度。

3 小結(jié)

　　根據(jù)目前深部開采對錨桿（索）支護(hù)系統(tǒng)提出的新的要求，通過研究分析高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論，尋找到一套合理的高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿與錨索支護(hù)系統(tǒng)，并確定了系統(tǒng)各個(gè)部分的選型和支護(hù)參數(shù)，能夠有效地改善圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)剛度與強(qiáng)度，對圍巖的變形和破壞有著顯著的控制作用，滿足了深部開采對支護(hù)系統(tǒng)的更高要求。