巷道顶板对施加锚杆托锚力的影响

和金财

摘 要 煤矿围岩支护时普遍存在锚杆托锚力损耗或部分损耗造成的锚固失效或低效的工程现象。本文根据老母坡煤矿巷道围岩条件，分别在2#煤和3#煤巷道进行了锚杆预紧力矩和托锚力的测试实测工作，分析了不同类型巷道顶板对施加托锚力的影响。

关键词 锚杆；托锚力；预紧力矩；巷道顶板

中图分类号 TD3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）162-0144-01

1 工程概况

老母坡煤矿3101工作面位于已经回采完毕的2101首采工作面之下，2#煤与3#煤之间的法距为7m～9m左右。2#煤埋深200m左右，顶板为泥岩、细砂岩，厚度平均4.45m，底板为砂质泥岩、泥岩、粉细砂岩，厚度平均7.57m，该煤层已大部采空。3#煤层伪顶为炭质泥岩，厚度0.2m～0.4m，直接顶为泥岩，厚度1.27m，老顶为细砂岩，厚度2.25m；底板为粉砂岩，厚度4.89m。3101运输顺槽巷道实行无充填体沿空留巷，以实现Y型通风系统，并作为3103工作面回风巷道使用。巷道及工作面层位关系如图1所示。

根据各巷道围岩条件，分别设计了以高强预应力锚杆为主要支护构件的支护方案。研究表明，施加高托锚力或高预紧力能够较好地控制巷道掘进初期的变形量，不仅能够有效控制浅部围岩的顶板下沉，还能在锚杆的有效长度内消除顶板离层。然而经技术人员调研发现，在巷道掘进及工作面推进过程中，各巷道均存在因锚杆托锚力损耗或部分损耗造成的锚固失效或低效的工程现象。为此，中国矿业大学技术人员测试了不同几何尺寸的锚杆在实验环境、岩石层面、煤壁和喷砼表面等条件下的预紧力矩与托锚力的转换关系，研究了不同因素对施加初始托锚力的影响。下面，笔者将详细探讨巷道顶板对对施加托锚力的影响。

2 巷道顶板对施加托锚力的影响

为研究巷道顶板对施加托锚力的影响，分别在2103工作面下顺槽和3101工作面下顺槽进行了锚杆预紧力矩和托锚力的测试实测工作，以便分析不同巷道顶板对施加托锚力的影响。

2.1 2#煤顶板对施加托锚力的影响

在2103工作面下顺槽相距10m的两断面进行10组锚杆预紧力矩和托锚力的测试实测工作，巷道断面为矩形，宽高尺寸分别为3.8m和2.2m。巷道直接顶板为泥岩，厚度2.4m，老顶为2.5m厚度的砂岩。

扭矩加载梯度0N？m～300N？m以内每30N？m递增1次，300N？m以上每50N？m增加1次，加载过程除记录数据外基本为连续加扭，实测时加载的最大扭矩为450N？m，最小扭矩为300N？m。

实测结束后共取10组有效数据，通过对有效数据分析可以得出预紧力矩与托锚力的关系：

1）里程300和290断面托锚力数据在预紧力矩小于210N？m时线型增加幅度较小，超过此数值时增速增大，此数值对应的平均托锚力分别为27.65kN和21.26kN，当预紧力矩为240kN时，对应的总平均托锚力为28.59kN，扭矩系数为0.31。

2）所有锚杆的托锚力均随预紧力矩的增加而增加，5#（回采侧）和10#（采空侧）的增加速度最快，扭矩同为300N？m时托锚力分别为98.02kN和54.67kN。以2#锚杆（顶板左2）和7#锚杆（顶正中）托锚力最小，分别为71.63kN和60.32kN。

2.2 3#煤顶板对施加托锚力的影响

在老母坡煤矿3101工作面下顺槽进行了顶板6组锚杆预紧力矩和托锚力的测试实测工作，巷道断面为矩形，宽高尺寸分别为3.8m和2.2m。扭矩加载方式与2#煤测试工作相同。实测结束后，共取得6组有效数据，通过对有效数据的分析，可以得出预紧力矩与托锚力的关系：

1）单根锚杆平均的预紧力矩在0N？m～240N？m范围内托锚力多为线性增加，但在240N？m以上时，线型增长更为显著，而小于180N？m时，扭矩系数不稳定，大于240N？m时，扭矩系数K平均值为0.27，对应的平均托锚力为42.73kN。

2）所有锚杆的托锚力均随预紧力矩的增加而增加，因1#（实体侧）和5#锚杆与顶板接触面较为平整，托锚力增加速度最快，扭矩同为270N？m时托锚力分别为64.09kN和56.55kN。其中3#锚杆因外漏稍长，加扭时垫有3块托盘，扭矩较小时便出现托锚力，但因顶板接触面稍有凹凸，故增加速度并没有1#锚杆快，这2#锚杆（顶板左2）因外漏稍短，加扭过程中未放托盘，致转换系数较低，托锚力最小，最大托锚力仅为44.49kN，这也证明了锚杆托盘等护表构件在传递托锚力时的重要作用。

3 2#煤和3#煤顶板对施加托锚力的影响对比分析

1）从图1a可以看出，3101下顺里程158m断面顶板6根锚杆相同预紧力矩条件下所得托锚力皆大于2103下顺2断面顶板10根锚杆，分析原因为2103下顺里程290m顶板5根锚杆因顶板较低，锚杆机无法直立，导致新打锚杆皆有一定倾斜角度，故压力表无法与顶板平整接触，转换系数较低。2103下顺里程300m处托锚力较小原因为顶板5根锚杆为巷道掘进期间原锚杆，为保证正常加扭，未放托盘，护表构件是保证托锚力传递给围岩的重要因素，致使托锚力整体水平较低。各断面回归方程分别为Fl=0.23T-18.77、Fl=0.29T-35.04和Fl=0.27T-21.7。

2）3101下顺顶板6根锚杆的扭矩系数皆小于2103顶板10根锚杆，但扭矩为240N？m以上时，扭矩系数皆趋于稳定。为保证巷道锚杆支护的高预紧力，2煤、3煤新掘巷道顶板预紧力矩应在300N？m以上。

4 结论

除了巷道顶板，托锚力的影响因素还包括喷砼表面、煤岩界面等，尚需进一步的测试和实验研究。然后，实验环境下的测试结果与现场实测数据存在一定差异，这是因为在实验条件下，可以保证围岩表明的平整度、锚杆孔与围岩相垂直，在现场测试时则难以保证。

参考文献

[1]康红普.高强度锚杆支护技术的发展与应用[J].煤炭科学技术，2000，28（2）：1-4.

[2]郑雨天，朱浮声.预应力锚杆体系——锚杆支护技术发展的新阶段[J].矿山压力与顶板管理，1995（1）：2-7.

[3]陈庆敏，金太，郭颂锚杆支护的“刚性”梁理论及其应用[J].矿山压力与顶板管理，2000（1）：2-5，89.