预应力损失对高预应力全锚索支护技术的影响

马长乐，吴拥政，何 杰

（1.潞安矿业 （集团）有限责任公司余吾煤业，山西长治046032;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013）

预应力损失对高预应力全锚索支护技术的影响

马长乐1，吴拥政2，何 杰2

（1.潞安矿业 （集团）有限责任公司余吾煤业，山西长治046032;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013）

针对余吾煤业全断面强力锚索支护技术应用中预应力损失问题，借助有限差分数值计算程序FLAC，模拟研究了不同锚索预应力下围岩应力分布特征和支护效果，探讨了影响预应力损失因素。依据井下具体工程环境，统计分析了预应力损失范围一般为20%～25%，提出采用超张拉25%弥补预应力损失，并在井下全断面强力锚索支护中应用试验。实践结果表明:预应力的损失严重减弱了全断面强力锚索支护效果，采用超张拉技术后，设计的支护方案能有效地控制围岩变形。

预应力损失;高预应力;全断面;强力锚索支护;超张拉

预应力锚固技术是一种先进的岩土加固技术，特别是对围岩软弱、薄弱的部位，采用高预应力全断面锚索支护技术，由于预紧力大幅度提高，支护效果非常明显。在山西阳泉三矿、平煤十一矿、潞安常村煤矿和漳村煤矿，预应力全锚索支护技术有效地控制了巷道围岩的变形与破坏［1］，保证了巷道安全使用。但锚索预应力受很多因素的影响，往往会产生一定的损失。损失程度的大小不仅影响锚索的加固效果和耐久性，同时也关系到工程的稳定性和安全性。由于煤矿井下环境的复杂性和矿山工程的特殊性，不同煤矿不同地质条件下引起锚索预应力损失的因素以及损失程度都不一样，国内外对锚索预应力损失问题做了一定研究［2－3］，但对煤矿用小孔径预应力锚索预应力损失问题研究的较少。因此，本文针对余吾煤业南翼进风大巷中高预应力全断面锚索支护技术应用中预应力损失对巷道支护影响进行研究。

1 预应力分布特征及支护效果分析

为了研究不同预应力条件下全锚索支护巷道变形的影响，采用数值模拟软件FLAC，根据进风大巷围岩条件，建立数值模型，模拟锚索预应力从50kN到300kN（间隔50kN）形成的应力场分布。图1和图2分别是预应力为50kN和200kN预应力场分布。由数值模拟结果可知:

图1 预应力为50kN时应力分布状况

（1）锚索尾部附近出现了明显的应力集中现象，随着预应力值的增加，压应力集中增加。当预应力为50kN时，最大压应力达0.18MPa。预应力为200kN时，最大压应力达0.72MPa。

（2）在锚索锚固起始端也出现了应力集中现象，随着预应力值增大，应力集中程度与范围也在增加，并在锚索锚固端出现了较大范围拉应力区，但总体应力值很小。

（3）随着应力值增加，预应力引起压应力范围增加，在锚索之间、锚索自由段长度范围内，形成了相互连接成一片的、叠加的有效压应力区。有效压应力区相互连接、重叠，形成网状结构，锚索对其间的围岩有较明显的支护作用。

图2 预应力为200kN时应力分布状况

2 预应力损失分析

在高预应力全断面强力锚索支护系统中，锚索初始预紧力对支护系统起着决定性作用［4］，而预应力的损失严重降低了锚索对围岩控制作用。影响预紧力损失因素很多，主要包括张拉锁定过程损失、锚索松弛、煤岩体压缩蠕变、水和温度、动载荷影响、孔道摩擦、群锚效应以及施工质量等［5］。为了科学设计全断面高预应力强力锚索支护方案，选取井下南二2号回风下山、S1206回风巷和S2206回风巷进行预应力损失试验，其结果见图3。

由图3可知，不同地质条件下锚索预紧力程度不一样，就余吾煤业井下而言，随着预紧力提高，预紧力损失不断减小，预紧力为250kN时，南二2号回风下山、S1206回风巷和S2206回风巷预紧力损失率分别为31.6%，24.8%和23%，南二2号回风下山测试段围岩比较破碎，预应力损失量较大;对固定的锚索张拉机具而言，围岩相对完整时，损失范围为20% ～25%，可见采用超张拉25%预紧力可以弥补损失量。

3 试验地点地质与生产条件

南翼进风大巷北侧位于F95正断层影响区;西面为实体煤;东面为南翼胶带大巷、S1204工作面及S1205设计工作面，南翼进风大巷设计断面为矩形，宽5.4m，高4.0m，沿3号煤顶板掘进，3号煤沿巷道掘进方向倾角－4～4°，平均倾角±2°，煤层松软、厚度稳定，平均厚5.57m。地应力测试结果显示，该位置附近最大水平主应力为9.15MPa，最小水平主应力为4.97MPa，垂直主应力为11.26MPa。顶底板岩层状况见表1。

表1 南翼进风大巷顶底板围岩状况

4 全断面锚索支护设计方案

基于强力锚杆支护理论［6］，经过数值模拟分析，结合预应力损失研究结果，针对南翼进风大巷生产地质条件，确定采用高预应力全断面强力锚索支护系统，支护参数:锚索材料为φ22mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，延伸率7%，长度4300mm，钻孔直径30mm，采用1支K2330和2支Z2360树脂药卷锚固，锚固长度1800mm;锚索托盘采用300mm×300mm×16mm高强度可调心托板及配套锁具，承载能力大于600kN;顶板锚索间距1200mm;帮锚索间距1100mm，排距1200mm，顶板锚索预紧力初次张拉达到300kN，预应力损失后达到250kN，帮部锚索初次张拉达到250kN，预应力损失完成后达到200kN。南翼进风大巷全断面锚索支护布置见图4。

5 巷道支护效果比较分析

为检验全断面锚索巷道支护效果，并分析不同张拉力条件下锚索受力变化特征、预应力大小和巷道变形关系，在巷道掘进至30m和80m分别布置1个矿压综合观测站，对巷道表面位移、锚杆和锚索受力进行监测。其中一测站是不考虑预应力损失下锚索受力变化和巷道变形情况，如图5和图6，二测站是考虑预应力损失并实施超张拉情况下锚索受力和巷道变形，如图7和图8。

图3 井下预应力损失变化曲线

图4 南翼进风大巷全断面锚索支护设计

图5 未超张拉下巷道表面位移变化曲线

图6 未超张拉下锚索受力变化曲线

图7 超张拉下巷道表面位移变化曲线

从两个测站表面位移曲线来看，巷道的变形随着开挖时间逐渐增大，一周内增加幅度较大，一测站顶底板的最大移近量为56mm，两帮的最大移近量68mm，巷道稳定历时2个月;二测站顶板最大变形30mm，两帮最大移近42mm，巷道稳定周期短。比较两种情况下锚索受力可以看出，未超张拉情况下，锚索初始预应力损失后达不到设计要求，锚索受力变化大，增幅高，尤其是顶板，锚索整体受力不均衡，帮部锚索最终受力最大为186.10kN，帮部锚索初始预紧力为200kN，损失后为160kN，顶部锚索最终受力最小值为448.0kN，最大为464.64kN，平均为456.32kN，顶锚索受力平均增加231.31kN，增幅为102.8%。超张拉情况下，锚索预应力损失后基本达到设计值，顶板和帮部锚索受力变化小，增幅小。帮锚索最终受力最小值为190.85kN，最大为 250.89kN，平均增幅约24.52%;顶部锚索最终受力最小值为308.90kN，最大为417.69kN，平均为348.75kN，顶锚索受力平均增加100.15kN，增幅为28.72%，锚索整体受力均衡。

综合分析可知，顶板离层以及锚索受力变化趋势基本一致。巷道变形及稳定与锚索初始预紧力有密切的关系，锚索初始预紧力达不到设计要求，锚索最终受力大，增幅大，且巷道变形量大，变形持续时间长，反之，受力小，增幅小，巷道变形量小，巷道趋于稳定的时间短。目前主要通过使用大吨位张拉机具，进行锚索超张拉来保证高预应力全断面强力锚索支护效果。

图8 超张拉下锚索受力变化曲线

6 结论

（1）高预应力是全断面锚索支护巷道中至关重要的影响因素，模拟研究了不同锚索预应力条件下围岩应力分布特征及支护效果，并针对锚索预应力损失问题，统计分析得出井下锚索预应力损失范围一般为20%～25%。

（2）依据井下具体工程环境，基于强力支护理论，结合锚索预应力损失分析结果，设计了全断面高预应力强力锚索支护方案。

（3）井下工业试验结果表明，考虑锚索预应力损失因素，采用超张拉25%预紧力后，文中设计的支护方案能有效地控制巷道围岩变形。

（4）分析巷道变形和锚索受力关系可知:预应力的损失严重削弱了高预应力全断面强力锚索支护效果，在要求施加锚索预应力范围内，锚索预应力提高，锚索最终受力减小，受力增幅降低，巷道整体支护效果好。

［1］康红普，王金华，林 健.高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用 ［J］.煤炭学报，2007，32（12）.

［2］林 健，康红普.煤矿锚索预紧应力损失原因分析及解决途径 ［J］.煤矿开采，2008，13（6）:6－8.

［3］余开彪，程凯兵，杨明亮 .预应力锚索预应力损失研究 ［J］.岩土力学，2006，26（S）:159－162.

［4］康红普，姜铁明，高富强 .预应力在锚杆支护中的作用 ［J］.煤炭学报，2007，32（7）:673－678.

［5］褚晓威.小孔径预应力锚索预应力损失机理及试验研究［D］.北京:煤炭科学研究总院，2010.

［6］康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术 ［M］.北京:煤炭工业出版社，2007.

Influence of Pre-stress Lose on Anchored Cable Supporting with High Pre-stress

MA Chang-le1，WU Yong-zheng2，HE Jie2
（1.Yuwu Coal，Lu＇an Mining（Group）Co.，Ltd，Changzhi 046032，China;
2.Coal Mining ＆ Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co.，Ltd，Beijing 100013，China）

For the problem of pre-stress lose of whole-section consolidated anchored cable supporting in Yuwu Coal，applying FLAC to simulating stress distribution characteristic and supporting effect under different pre-stresses of anchored cable.Pre-stress lose was usually 20%-25%.It was put forward that pre-stress was compensated by super tension 25%.Underground practice showed that pre-stress lose seriously weakened whole-section consolidated anchored cable supporting effect and super tension technology could effectively control deformation of surrounding rock.

pre-stress lose;high pre-stress;whole section;consolidated anchored cable supporting;super tension

TD353

A

1006-6225（2012）02-0061-03

2011－10－14

国家科技支撑计划资助项目 （2008BAB36B07）

马长乐 （1975－），男，安徽霍邱人，工程师，从事煤矿生产技术管理工作。

［责任编辑:邹正立］

巷道支护理论与技术