锚杆预应力与煤矿巷道支护效果的关系

＊付松涛

（阳煤集团一矿 山西 045000）

随着我国煤矿开采工作的不断加强，越来越多的问题也开始逐渐体现出来，尤其是煤矿巷道的支护问题始终是困扰相关人员的重要问题之一，如何提高煤矿巷道的支护效果就成为首要分析目标。近些年来，我国的煤矿开采深度也正在逐渐加深，目前为止开采深度已经达到了1500m，在如此深的位置进行开采其工作难度也是可想而知的，时常会发生煤与瓦斯突出等动态现象。其次，我国大部分地区都属于软岩破碎采区，通常体现为开采区岩层强度差、结构松散等现象。最后，随着煤矿生产规模的增加，开采设备体积也相对较大、重型化要求的巷道断面也逐渐加大。

1.锚杆支护模式的工作原理

(1)锚杆支护作用模式

根据相关资料而言，国内外许多学者均提出果锚杆支护理论，根据其作用原理可以将其分为三种支护模式：①被动悬架破坏或潜在破坏范围的煤岩体；②在锚固区形成梁、层、拱、壳等物理结构；③完善锚固区围岩力学性能与应力情况，尤其是在完善围岩屈服后的受力表现。

最先提出的支护模式便是利用模式①通过将锚杆支护和围岩进行分离，将损坏的围岩视为载体的一种。这种支护模式的工作原理与以往的支架工作原理并没有本质上的区别，区别便是支架的受力点是在巷道处，而模式①的受力点是在较为稳定的岩层处。悬架理论只是充分了完善了锚杆的抗拉效果，并没有考虑到其抗剪效果。而模式②则是通过将锚杆和围岩的有效结合，不再将围岩单纯的视为载荷，而是一种承载体。利用锚杆的作用，在锚固区形成受力结构，有效利用围岩自身的承受能力，模式②完善了模式①中没有考虑到抗剪作用的缺点，同时加强了锚固体的整体强度。而模式③则是将锚固体视为高强度复合材料的一种，在围岩中完成锚杆安装后，不仅可以在不同程度的加强围岩的力学性能，同时还可以利用锚杆在巷道表面起到相应的约束力，以此来完善围岩的受力情况[1]。

(2)预应力锚杆支护原理

现阶段，主要是通过两种方式来形容锚杆支护能力的指标：第一种是通过强度，也就是所谓的抗损坏性能，其中包含了抗拉能力、抗剪能力等。第二种便是刚度，也就是所谓的防形变能力。螺栓刚度与螺栓横截面面积和弹性模量成正比，与螺栓长度成反比。锚固刚度还会受到锚杆的安装时间以及锚固方式等因素的影响。锚杆的安装与预应力成正比。此外，与顶部锚固相比而言，全长锚固具备了更好的刚度。以往，人们对锚杆支护强度的研究也相对较多。例如：对于相对繁琐、难度较大的巷道，通常选用增加锚杆体自身强度进行支护。然而，此种方法并不适用，主要是因为此种方法会无视支护刚度的必要性[2]。

2.锚杆支护锚杆支护施工与监测

(1)锚杆支护施工设备与工艺

锚固支撑施工机械和工具包含了锚固钻机、钻头和钻杆、锚固预应力设备和电缆安装设备等。其中，锚固钻机为主要施工设备，凿岩机是一种最初利用螺栓进行钻孔工具。由于早期并没有专用的螺栓安装工具，螺栓的安装比较复杂，也影响了施工质量。20世纪80年代，我国从西方发达国家引入了气动顶单板螺栓钻机，并通过研究实现国产[3]。此外，多台机组还研制出了一系列单顶液压锚钻。此后，两种顶板单锚杆钻机也逐渐得到了有效落实。而对于煤侧螺栓施工而言，很长时间都是运用煤电钻进行施工，但煤电钻其施工效率低下且安装工作较为困难，为了有效加强煤侧螺栓施工速度和质量，我国又研制出了气动以及液压锚栓钻机，有效解决了煤栓钻孔和安装锚栓井的问题。现阶段，我国的单锚杆钻机及其配套工具已经得到了有效完善，可以满足地下锚杆施工的需要。除单锚杆钻机外，国内还开展了针对掘进机用机载锚杆钻机的研究与试验，并取得了相应的作用[4]。

(2)锚杆支护矿压监测

锚杆支护巷道矿压监测内容主要包括围岩位移、采动应力、支护体受力与变形，其中围岩位移分为巷道表面位移、顶板离层、围岩深部位移；财动应力分为煤柱应力、支撑压力；围岩深部位移分为锚杆受力变形、锚索受力变形、其他构件受力变形。在通过相应的设备通过对应的监测方法进行监测。随着我国科技的不断发展，我国科研人员已经研制了各种类型的顶板分离指示器和多点位移仪，以此来对监测锚固区内外深层围岩的位移，同时对于锚杆以及锚索的受力情况也可以通过锚杆或是锚索测力仪器进行监测，在完成上述的研发后，还开发出了针对可以进行大面积无损伤监测仪。另外，还开发出了一种性能较为先进的巷道矿压综合在线监测系统。在对于井下收集数据传输上，有效落实了及时对矿压监测以及数据传输分析。在运用井下监测数据评价锚杆支护效果和巷道安全性方面做了大量的工作。提出了移距边界值、锚杆和锚索应力等反馈指标，对巷道稳定性分析和初步设计的修改起到了积极的作用[5]。

3.锚杆支护应用

锚杆支护技术因其使用寿命长并且不会受到开采巷道和硐室的影响可以从平稳煤层、较平稳煤层，到不平稳煤层；从岩石围绕巷道到破碎岩石围绕巷道等，包括了中国多种形式的巷道。同时每一种类型巷道都具备其独特优势，锚杆支护是巷道支护中常见的支护方式之一。预应力锚杆可以使顶板在规定的关键层内形成组合梁，防止锚固区内的顶板离层，起到稳定巷道顶部围岩的作用。预应力的大小对锚杆支护效果影响很大[6]。锚杆支护是巷道支护中的重要组成部分，锚杆能够将顶板利用关键层创建组合梁，减少锚固区内出现顶板离层现象，为巷道顶部围岩的稳定性提供有效保障。此外，锚杆的支护效果非常容易受到预应力的影响，尤其在大跨度等高应力巷道支护中。现阶段，我国巷道锚杆支护技术逐渐成熟，锚杆支护技术的不断应用，有效提升煤矿开拓效率，也使支护效果得到提升，减少生产系统的运作压力，为煤矿业的安全性及可靠性提供保障。

4.相关数值模拟分析

针对不同预应力条件下所产生的应力场扩散情况的模拟，主要会应用flac进行模拟，在此基础上，对锚杆预应力与煤矿巷道支护效果的关系进行研究。通过这种方式，可以更加直观的体现出二者之间存在的关系，有助于提升锚杆支护的效果，并且能够对锚杆支护技术的改善起到重要的参考作用。在锚杆支护的过程中，围岩在锚杆预应力的作用下会产生压应力区域，并且其压应力区域会不断叠加，同时应力场的范围也会随之扩大，应力的强度越来越大。这种情况下，能够使巷道围岩始终处于受压的状态下，进而促进巷道围岩承载力的提升，保障巷道的稳定性以及煤矿生产的安全性。通过相关的试验可以证明在围岩压力为0时，则其残余强度也更加接近为0，与此同时，在围岩压力增加到9MPa时，其残余强度也会随着提升至9MPa左右。通过这一试验可以证明残余强度会受围岩压力的影响，二者呈正比例关系，并且残余强度对围岩的强度变化十分敏感。而在锚杆支护过程中，即便锚杆所生成的应力场较小，但是也会促进围岩残余强度的提升，同时也促进了围岩承载能力的提升，这充分证明了锚杆支护的效果比较理想。而采用预应力锚杆支护的方式，则能进一步提升支护抗力，促进围岩承载能力的提升。在预应力锚杆的作用下，可以促使巷道围岩参数降低，这对于解决围岩的受力问题以及围岩的压力问题等具有十分重要的意义。除此之外，这种方式还有助于促进顶板预应力的承载能力。通过预应力支护，能够促使顶板岩层处于横向压缩的状态，这样一来，便可以避免高水平应力对巷道周围岩体产生的影响，起到了有效的保护作用，同时也促使锚固区的载荷能够实现平稳传递，避免了对围岩造成的负面影响。

由于锚杆的围岩条件差异，所以预应力锚杆试验结果和实际情况必然也会存在一定差异，为了减少这种差异，在实践应用中应该更加注重对不同的围岩条件下修正系数的选择和取值区间作出相应的调整，与此同时，也需要对锚杆的预紧扭矩及其在轴向上的预应力进行相应的调整。通过对锚杆进行预应力支护试验，我们能够认识到锚杆的预应力和巷道变形量之间呈反比例的关系，因此通过采用锚杆的预应力支护技术，能够有效地控制围岩变形，更好地保障了围岩稳定。在确保巷道安全支护的基础上，并非一定必须采用架棚式支护方法进行巷道安全支护，完全可以应用锚杆支护来替代架棚支护，并且锚杆支护也能完全保证巷道掘进的各方面要求，能够确保相关工作的安全性。同时，加强对锚杆支护的应用还有助于减少工作量和降低成本。

5.结束语

综上所述，我国在20世纪50年代初开始应用锚杆支护技术，经过多年的科研人员不断的开发研究，已经取得了不小的成果。虽然我国煤矿巷道锚杆支护技术已经取得的不小的成果，但是因为煤矿巷道的特殊条件以及其自身的复杂性与多变性依旧还需要不断的研究。