加长预应力锚索支护在破碎围岩中的应用
时间：2023-02-08 15:00:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王燕青
（山西寿阳潞阳瑞龙煤业有限公司，山西 晋中 045400）
巷道在掘进过程中需对掘进围岩进行控制维护，传统主要采用锚杆（索）进行支护，锚杆（索）支护时主要通过锚固剂与围岩进行固定，然后对支护体施加预应力，确保锚杆（索）支护构件与围岩能够贴合，起到承载作用，同时支护体在预紧过程中，预应力能够传递至稳定围岩内，从而形成连续稳定的应力承载梁，削弱岩体自重及集中应力影响。但是当掘进巷道围岩受集中应力影响后，围岩出现变形、破碎现象，导致围岩内形成松动圈，随着集中应力不断加大，松动圈范围也随之扩大，当松动圈范围扩大至支护体锚固端时，造成支护体锚固失效，支护体预应力无法有效传递至围岩内，从而降低了支护体支护效果[1-6]。本文以150108轨道巷为研究对象，对巷道掘进过程中支护方式进行合理优化，提出了加长预应力锚索支护，并对其应用效果进行对比分析。
山西寿阳潞阳瑞龙煤业有限公司150108轨道巷位于井田东翼，巷道东部为井田边界、西部为盘区大巷、南部为150109轨道巷、北部为150107胶带巷。
150108轨道巷设计长度为1 400 m，巷道设计为矩形断面，断面规格为宽×高=4.8 m×3.2 m，巷道掘进煤层为15号下煤层，煤层倾角-9°～16°，平均倾角8°，平均厚度为3.5 m，15号下煤层直接顶板为泥岩，厚度为2.0～4.5 m，平均厚度3 m；
往上为15号煤，煤层平均厚度1.8 m；
15号煤直接顶为粉砂岩，厚度2～3 m；
往上为砂质泥岩，厚度5～7 m；
再往上为细砂岩，呈深灰色，厚4 m；
再往上为碳质泥岩、15号上煤、碳质泥岩、细砂岩、14号煤和K3石灰岩。
150108轨道巷初步设计顶板采用锚杆（索）进行联合支护，顶板锚杆长度为2.0 m、直径为22 mm，每排布置6根，锚杆间排距为0.9 m、1.0 m；
顶板锚索长度为4.5 m、直径为17.8 mm，每排布置2根，布置间排距为2.5 m、3.0 m。由于150108轨道巷上覆顶板北部为150101采空区、南部为150102采空区，受两个采空区残余应力剪切破坏作用影响，导致150108轨道巷顶板破碎严重，造成原顶板锚杆、锚索支护失效率高，起不到预期支护效果。
为了提高150108轨道巷顶板稳定性，降低支护失效率，决定对150108轨道巷顶板施工加长预应力锚索。
2.1 锚索选型
1）钢绞线：150108轨道巷锚索采用直径为21.8mm、1×9股大直径预应力钢绞线，具体参数如下：公称截面积为387 mm2，质量为2.41 kg/m，强度级别为1 700 MPa，破断力为425 kN，延展率为4.7%，采用左旋捻向。
2）锚具：锚索安装的锁具采用内孔直径为23 mm、模具一次性浇筑而成的锁具，锁具主要包括锚头、三片夹片等部分，锚具组装件静载锚固性能效率系数≥95%，在极限拉力作用下锁具受力变形长度的总应变大于2.0%。
3）锚固方式及托盘规格：锚索采用端头锚固方式，每根锚索采用两支MSK23/60型及一支MSCK23/35型锚固剂进行锚固，锚索托盘采用长度及宽度均为0.3 m、厚度为5 mm拱形托盘。
4）锚索施工配套机具：锚索钻孔采用液压钻机配套直径为28 mm“八”字型合金钢钻头，钻杆采用直径为26 mm、长度为1.2 m六棱钻杆进行施工，搅拌头采用21.8 mm专用锚索搅拌头，以及采用专用张拉机具进行打压，张拉行程为150 mm，张拉力为190 kN。
2.2 锚索布置参数
根据150108轨道巷掘进现状及围岩特性，巷道顶板施工锚索长度为8.0 m，锚索布置在相邻两排锚杆之间，每排布置3根预应力锚索，锚索垂直顶板布置，锚索布置间距为2.0 m、排距为3.0 m，若顶板破碎严重可缩小锚索布置排距，缩小为2.0 m。
2.3 锚索施工工艺
预应力锚索施工顺序为：锚索钻孔施工→安装锚固剂→搅拌锚索→安装托盘→预紧。
1）钻孔施工：将液压钻机安装在钻孔施工位置下方，安装钻杆及钻头，钻头使用时保证钻杆垂直顶板，当第一根钻杆钻进顶板后退出钻杆安装第二根钻杆，以此类推直至钻孔施工到位，钻孔垂直顶板布置，钻孔垂直角允许偏差为3°。
2）安装锚固剂：钻孔施工到位后采用风管将钻孔内煤岩屑吹干净，然后对钻孔底部安装锚固剂，共计三支，最底端为MSCK23/35型，锚固剂采用锚索送入钻孔底部。
3）搅拌锚索：锚索及锚固剂安装至孔内后，将锚索外露端插入搅拌套，搅拌套另一端安装在钻机上，开动钻机后钻机转动带动搅拌套转动，从而对锚索进行搅拌，锚索搅拌过程中钻机逐渐升起，锚索搅拌时间为180 s，搅拌后等待时间为480 s。
4）安装托盘：锚索搅拌到位后锚索外露长度为150～250 mm，在锚索外露端依次安装托盘及锁具，然后采用张拉千斤顶对锚索进行预紧，锚索预紧力不得低于370 kN。
2.4 注意事项
1）在进行预应力锚索支护孔施工时，必须准确掌握钻孔深度及岩性，确保钻孔施工后锚索锚固时能够完全锚固，若锚索锚固段岩体为软岩或者离层煤岩体时，应合理变更锚索长度，确保锚索锚固到坚硬稳定的岩体内。
2）锚索安装时应2人配合，先对钻孔内安装锚固剂后安装锚索，采用锚索注浆泵将锚固剂送入钻孔底部，搅拌套安装后将锚索插入搅拌套内，先采用大扭矩搅拌，搅拌到位后逐渐减小搅拌扭矩。
3）锚索安装后在安装托盘时，必须保证托盘与顶板接触面积不低于60%，锚索采用气动打压泵进行预紧，预紧力必须符合设计要求。
为了分析高预应力锚索支护后对围岩支护效果，在巷道支护区每隔50 m安装一台YH-300型数字显示顶板离层仪，共计安装3台（编号为1号、2号、3号），并进行现场观察分析。
通过图1分析可得，预应力锚索支护后在前20 d范围顶板下沉量逐渐加大，在该区域主要受顶板蠕动变形影响，顶板下沉相对严重；
在20～30 d范围内顶板蠕动变形现象逐渐降低，顶板下沉量逐渐减小；
在30 d后预应力锚索与变形顶板起到耦合支护作用，控制了顶板下沉现象，顶板下沉量控制在0.14 m以下。
图1 预应力锚索支护后顶板变形曲线图
150108轨道巷采取加长预应力锚索支护后，有效控制了顶板离层现象，支护后巷道围岩相对稳定。由此可见，巷道采取预应力锚索支护效果明显，对巷道围岩应力起到有效改善作用，防止了顶板因应力作用出现破碎、冒漏的现象。
1）150108轨道巷顶板采用加长预应力锚索支护后，有效控制了应力区围岩变形现象，防止巷道掘进过程中受应力作用发生变形、垮落事故，取得了显著应用成效。由此可见，应力区采取加长高预应力锚索支护具有可行性。
2）150108轨道巷采用加长预应力锚索进行支护后，有利于树脂锚固剂搅拌效果，以及载荷传递，有效解决了传统采用小直径锚索支护时破断力小、承载能力低及易变形等技术难题，防止了巷道锚索支护过程中锚索断裂现象。
3）150108轨道巷采用加长、加粗锚索后，使三径匹配更加合理，提高了锚索锚固质量，加长锚索锚固端延伸至稳定岩体内，解决了传统短锚索支护时，受围岩松动圈影响，出现锚固失效现象，增加了锚索支护强度。
4）采用加长高预应力锚索进行支护时，使围岩内能够形成稳定连续的组合梁结构，提高了围岩整体承载能力，削弱了垂直应力对顶板破坏作用，控制了围岩变形现象。
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