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宋大军
（山东兖矿集团有限公司北宿煤矿,山东 邹城 273516）摘 要：为了使煤矿井下的大断面硐室（如变电所）在较长时间的服务期内,轮廓不产生严重变形,采用了预应力让压锚杆支护技术支护硐室,研究了该技术的合理支护参数,结果表明：该支护参数条件下,服务一段时间后,硐室轮廓目测没有产生任何变形,证明服务期长的大断面硐室采用预应力让压锚杆支护技术,能有效阻止其轮廓变形.
关键词：让压锚杆；支护技术；参数设计；结构设计
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2010）16-0147-02
北宿煤矿开采的煤层厚度为0.8～1.2ｍ,采深190～480ｍ.巷道采用锚喷支护.由于受采动压力影响和矿山压力,巷道在服务期内都出现不同程度的轮廓变形、锚喷层开裂,破坏严重的甚至发生冒顶现象.分析原因主要是由于巷道初期支护强度不高,没有足够的抗压承压能力.为此掘进施工时,如果采用高预应力让压锚杆支护技术,可能解决轮廓变形难题.2008年1月施工十八采区中部变电所时,硐室支护采用了高预应力让压锚杆支护技术.
一、让压支护系统及参数设计
(一)支护系统的设计原则
科学的锚杆支护设计,应该使每一根安装的锚杆都发挥它的最大作用.在理论和学术界,典型的支护理论有：组合梁理论、弹塑性松动圈理论、楔体加固理论、拱理论、悬吊理论等.工程实践中锚杆的支护往往是几种支护理论综合作用的结果.
根据十八采区中部变电所的顶底板岩层条件,为了保证巷道顶板的稳定性,支护系统应满足下列条件：
1．安装应力（预应力）：锚杆安装应力（预应力）对主动支护体系－锚杆支护系统来说非常关键,锚杆支护系统必须有充足的安装应力才能防止顶板离层和松动圈的进一步发展,尽可能的控制顶板的早期变形.
2.锚杆的长度：锚杆的长度应保证锚固在松动圈外的稳定围岩中.
3.锚杆的强度：锚杆的强度应保证支护系统在巷道使用期间不破坏.
4．锚杆的变形让压性能：锚杆支护系统必须有变形让压功能,以防止在锚杆过载阶段或动压影响下破断.
5．支护系统的可靠性：十八采区中部变电所在使用过程中必须保证该硐室轮廓的完整性.所确定的支护系统不仅应具有足够承载静压力的能力,而且还应该具有承载动载荷的能力.
6．安全性：设计的支护系统必须确保现场施工人员的安全和顶板控制的安全.
7．支护系统的有效性：支护系统必须确保能够有效的控制巷道变形,确保巷道的安全使用.
8．高效性：在满足上述安全性、有效性和可靠性的前提下,要尽可能增大锚杆间排距,以提高巷道掘进速度.
9．支护系统的效率系数：支护系统的效率系数是衡量支护系统合理性的重要指标.效率系数分为初期效率系数、过程效率系数和最终效率系数.合理的锚杆预应力是衡量锚杆初期效率系数的重要指标,合理的支护系统其初期效率系数应该控制在40％左右,最终效率系数应该控制在80％左右.
(二)锚杆让压结构设计
在不降低支护强度及支护系统不失效的条件下,满足开挖围岩的变形空间,就要锚杆有足够的让压功能.其实现途径有两种：一种是把杆体本身做成可变形结构,但变形参数难控制且成本太高；另一种是保持杆体本身不变,利用让压管进行让压.在十八采区中部变电所掘巷施工时,采用了让压管进行让压的锚杆支护技术.
让压管根据需要可以设计制造成不同特性,即在保证不降低支护强度的前提下,为锚杆提供足够的让压功能.
让压管的基本设计参数：
1.让压点：让压管设计的终端让压载荷.
2．让压载荷的稳定性： 一旦让压管开始让压,载荷需基本保持稳定,过大的载荷下降会导致顶板支护效果不佳；让压稳定性的标准可以用让压稳定系数衡量D：
w等于
式中：w——让压稳定性系数,kg/mm,应以不大于200为宜.
Rt——让压管终端载荷,kg,由让压构件的材质而定.
D——最大让压变形,mm.
R0——让压管起始载荷,kg；不能高于锚杆杆体屈服强度,一般在80%左右为宜.
根据试验室的实际组合拉拔试验,所选锚杆的实际屈服载荷为18t左右.通过大量的室内组合试验曲线分析,让压构件的终端载荷确定为锚杆杆体的屈服强度的80％,即Rt 等于14.4t.根据实测,让压管起始载荷R0等于12.8t,最大让压变形D等于16.3mm.
让压稳定系数：w等于等于等于100 kg/mm
图1为让压管成品让压变形前后实拍图片. 
图1 让压管成品
球形让压管：让压管高度39～40mm,让压吨位14～16t.
承载钢垫圈：让压管前后各一个,淬火硬化处理,外径50mm,内径24mm,厚度3.5mm.
塑料减阻垫圈：材质－聚乙烯树脂垫圈,外径41.5mm,内径26mm,厚度4mm.
带翼阻尼螺母：螺母外形－六方或四方,螺母阻尼120～140N·m.
(三)支护参数设计
十八采区中部变电所硐室尺寸为高4000mm、宽5200mm、长为60000mm,埋深400m,服务年限为十年.为使硐室的支护安全可靠,并减少两帮位移量和顶板下沉量,经分析确定在正常的地质条件下采用锚网支护；在遇地质构造岩石较破碎时,应加强支护,具体锚杆支护参数确定设计如下：
煤矿巷道锚杆支护技术:矿山巷道支护用热轧U型钢国家标准13342045777
1.锚杆支护选型.根据锚杆长度计算公式,l2取为巷道顶板岩体破碎带高度：
l2等于Rp-h,,
式中：
l2——顶板破碎带高度,m.
Rp——岩体破碎带半径,m.
R0——非圆形巷道的等效半径即掘进半径,m,取值3.28.
γ——岩体容重,多种岩层时取加权平均容重,kN/m3 ,取值23.
Z——巷道中心距地表深度,m ,取值400.
C——岩体粘结强度,kN/m2 ,取值2000.
φ——岩体内摩擦角,（°）,取值35.
h——非圆巷等效圆中心至顶板的距离,m,取值2.6.
顶板破碎带高度l2为：
l2
为确保锚杆锚固在稳定岩石中并提供足够的拉拔力,锚固端长度为600~800mm,考虑到锚杆的外露长度,同时考虑到掘进过程中其它因素,锚杆选用Φ20～2000mm ,Q500的高强预应力无纵筋螺纹钢树脂锚杆,长度2000mm,屈服强度15.8t（实际18t左右）；抗拉强度22.0t（实际24t左右）.树脂锚固剂为ckΦ28～450mm型.托盘采用承载面积大、强度高的150×150×8mm球形钢托盘,承载力不小于20t.锚杆间排距是1000mm×1000mm.
2．锚杆密度（间排距）校核原则：保证支护系统有足够的承载能力以承受顶板破坏的“静载荷”.
按静载荷对锚杆密度校核：
每平方米锚固长度内静载荷为H等于锚杆长度×围岩容重×1m2等于2.0×2.3×1等于4.6 t.
巷道支护系统每平方米提供的支护强度为K等于（每排锚杆数×锚杆屈服强度）÷（巷道宽度×排距）等于（5×15.8）/（5.2×1）等于15.19（t）
支护安全系数 S等于K/H等于15.19/4.6等于3.3,取1.1的修正系数后的支护安全系数为S等于3.0
所以设计中采用的锚杆间排距完全符合设计要求.
(四)支护方案
根据以上计算及分析,制定支护方案如下：
1.锚喷支护顺序：钻锚杆眼→安装锚杆→挂金属网→喷射混凝土.
2.锚杆安装顺序：安装树脂锚固剂→插入并旋转锚杆杆体→安设托盘→安设让压管→安设托盘.
3.锚杆类型：Φ20×2000mm高强预应力让压锚杆；间排距：1000mm×1000mm.
4.辅助：挂金属网,喷浆厚度100mm.
二、使用效果分析
大断面高预应力让压锚杆支护技术对围岩的加固作用和使用效果主要有四个方面：
1．提高巷道围岩抵抗变形的能力.试验硐室（取平均值）较原支护方式：顶板移近量减少了64.3％；两帮移近量减少了62.3％,围岩支护效果明显.
2.改善围岩应力场和岩体的受力状态.
3．采用让压支护锚杆每米巷道支护论文范文只比普通支护高55元,而扩修或重新施工巷道每米平均支护论文范文为3000元左右,按每个变电所80米计算,可节省支护论文范文23.56万元.
4．从安全方面分析,采用让压支护技术后没有巷道片帮、冒顶等带来的不安全因素,消除了因巷道变形等所产生的安全隐患.
高强锚杆让压支护系统成功地解决了该地质条件下的大断面硐室支护的难题,为类似的采矿地质条件下的矿井提供了一种安全、经济、可靠和快速的支护方法,该成果具有良好的推广应用价值,可在相同或类似的地质条件下推广该技术并进行应用.
作者简介：宋大军,男,山东兖矿集团有限公司北宿煤矿技术科工程师,研究方向：采矿工程.
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煤矿巷道锚杆支护技术引用文献:
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[2] 巷道自考开题报告范文 锚杆和支护相关论文范文资料8000字
[3] 锚杆和支护毕业论文格式范文 锚杆和支护方面有关学术论文怎么写8000字
