張拉高預(yù)緊式錨固體強(qiáng)度強(qiáng)化機(jī)制研究及工程應(yīng)用

于振子，張 波，李夢(mèng)龍，王廣輝，王襄禹

(1.中國(guó)平煤神馬集團(tuán) 煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467000；2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 煤炭開采利用研究院，河南 平頂山 467000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

1 工程背景

試驗(yàn)巷道己15-23090機(jī)巷沿己煤層頂板施工，凈寬5.4m，中高3.4m，己15號(hào)煤層呈塊狀結(jié)構(gòu)，無(wú)夾矸，煤層厚度平均為1.5m，頂板巖層總體屬于粉砂巖，底板巖層多為泥巖，質(zhì)地較軟，易受巷道掘進(jìn)應(yīng)力影響，巷道采用錨網(wǎng)支護(hù)形式。頂錨桿選用?22mm×2600mm的左旋高強(qiáng)樹脂錨桿，間排距750mm×800mm，選用2卷MSK2335、1卷MSCKb2335錨固劑；頂錨索選用?22×3000mm和?22mm×6300mm兩種。其中3m錨索采用“2-2-2”方式布置，排距800mm，選用3卷MSK2335、1卷MSCKb2335錨固劑；6.3m錨索采用“4-0-4”方式布置，間排距1200mm×1600mm，選用3卷MSK2335、2卷MSCKb2335錨固劑。幫錨桿使用?20mm×2400mm的左旋高強(qiáng)樹脂錨桿，間排距750mm×800mm，選用1卷MSK2335、1卷MSCKb2335錨固劑。為利用錨桿自身抗彎剛度，有效控制巷道底鼓，高幫側(cè)底錨桿沿水平向下10°布置，低幫側(cè)底錨桿沿水平向下30°布置。巷道斷面支護(hù)如圖1所示。

圖1 巷道斷面支護(hù)(mm)

2 張拉預(yù)緊式錨桿配套研發(fā)

2.1 張拉錨桿鎖具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在保證錨桿充分發(fā)揮其支護(hù)性能的前提，且實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力錨固的要求。本文提出通過(guò)張拉式錨桿鎖具代替扭螺母來(lái)施加預(yù)緊力[11]。張拉鎖具包含夾片，鎖環(huán)，通過(guò)張拉千斤頂將夾片推入鎖環(huán)，使錨桿的預(yù)緊力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。錨桿鎖具如圖2所示。

圖2 張拉式錨桿鎖具

2.2 張拉千斤頂設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)張拉錨桿操作簡(jiǎn)單，降低施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。在安裝錨桿時(shí)，設(shè)計(jì)專用張拉千斤頂，在錨桿鎖具和錨桿張拉千斤頂?shù)呐浜舷?，共同?shí)現(xiàn)錨桿的預(yù)緊力功能。原理是使用類似于錨索的夾片和錨環(huán)來(lái)鎖定錨桿實(shí)現(xiàn)錨桿的高預(yù)緊力[12]。錨桿尾部不需要滾壓和螺母，不需要更換錨桿托盤、錨桿本身和錨固方法，可直接通過(guò)張拉千斤頂推動(dòng)鎖具將錨桿鎖緊。張拉千斤頂結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖3所示：主要由張拉油缸、帶銷夾片、錨具、固定架等構(gòu)成。開始時(shí)油缸收縮至起始位置，用千斤頂頂住夾片咬住錨桿的外露部分，開動(dòng)張拉泵千斤頂使油缸外伸，錨環(huán)和夾片在千斤頂外頂面作用下向巖面方向移動(dòng)，千斤頂內(nèi)部的咬合機(jī)構(gòu)咬緊錨桿向外拉，當(dāng)張拉至設(shè)計(jì)值時(shí)完成錨桿預(yù)緊力的施加。

圖3 張拉千斤頂結(jié)構(gòu)

3 高預(yù)緊力張拉錨固的圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化機(jī)理模擬

3.1 數(shù)值模擬計(jì)算模型

為探究張拉預(yù)緊式錨桿對(duì)巖體的錨固和強(qiáng)化作用，以普通錨桿與高預(yù)緊力錨桿為研究對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，利用數(shù)值模擬軟件3DEC中離散裂隙網(wǎng)格(DFN)技術(shù)，建立單軸抗壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。隨機(jī)生成DFN，把巖體內(nèi)分布的斷裂看作是一組離散的、平行的及有限尺寸裂隙，構(gòu)建與現(xiàn)場(chǎng)圍巖實(shí)際節(jié)理裂隙分布特征具有相似特征的節(jié)理網(wǎng)格模型，模擬相當(dāng)于從巷道幫部取出的能代表現(xiàn)場(chǎng)錨固體的一般狀態(tài)，巷道一側(cè)在錨桿的作用下受力狀態(tài)由雙向轉(zhuǎn)為三向[13]。選取的模型幾何尺寸大小為1.6m×3m×3m(兩個(gè)錨桿排距)。對(duì)模型上表面和下表面每次迭代施加位移為 0.01m/s。取錨桿直徑為20mm，長(zhǎng)度為 2400mm，錨固長(zhǎng)度為700mm，施加預(yù)緊力分別為0kN、30kN、60kN、90kN。對(duì)照模型除施加預(yù)緊力大小之外所用錨桿均相同。模型所用參數(shù)見表1。

表1 錨桿力學(xué)參數(shù)

3.2 錨固分離體單軸抗壓模擬結(jié)果分析

3.2.1 高預(yù)緊式錨固體強(qiáng)度強(qiáng)化作用分析

模型在垂直載荷加載作用下，不同預(yù)緊力錨固體壓縮破壞后的全應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 錨固體全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)和殘余強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)[6]Kp、Kq，量化分析錨桿預(yù)緊力對(duì)錨固體強(qiáng)度的強(qiáng)化效果：

高校圖書館領(lǐng)導(dǎo)應(yīng)重視館員的繼續(xù)教育，針對(duì)館員的工作所需，關(guān)注館員的生活品質(zhì)，按照其個(gè)性化需求和職業(yè)發(fā)展的需要進(jìn)行投資，提供有計(jì)劃有組織有步驟的學(xué)習(xí)計(jì)劃，諸如學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)、創(chuàng)新能力的建設(shè)、信息技術(shù)能力的造就等方面開展期限短次數(shù)多的教育培訓(xùn)。

Kp=σ1/σ0

Kq=σ2/σ3

式中，σ1為預(yù)緊力錨固體強(qiáng)度；σ0無(wú)預(yù)緊力錨固體強(qiáng)度；σ2預(yù)緊力錨固體殘余強(qiáng)度；σ3無(wú)預(yù)緊力錨固體殘余強(qiáng)度。

表2 隨機(jī)裂隙力學(xué)參數(shù)

表3 煤體力學(xué)參數(shù)

由圖5可知，無(wú)預(yù)緊力錨固體的強(qiáng)度為7.53MPa，當(dāng)錨桿預(yù)緊力為30kN時(shí)，強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)為1.04；錨桿預(yù)緊力為60kN時(shí)，強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)為1.06；當(dāng)預(yù)緊力提高到90kN時(shí)，強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)為1.10。由此看出隨著預(yù)緊力的增大強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)逐漸增加，錨固體的強(qiáng)度與錨桿預(yù)緊力呈正相關(guān)。

當(dāng)安裝預(yù)緊力錨桿后，錨固體的殘余強(qiáng)度明顯提高，即預(yù)緊力錨桿的存在強(qiáng)化了巖體的殘余強(qiáng)度，且錨固體的殘余強(qiáng)度隨著錨桿預(yù)緊力的增加逐漸增大。無(wú)預(yù)緊力錨巖體的殘余強(qiáng)度為2.11MPa，當(dāng)預(yù)緊力為30kN、60kN、90kN時(shí)，殘余強(qiáng)度分別為2.38MPa、2.52MPa、2.72MPa，殘余強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)為1.128、1.194、1.290，由此看出隨著預(yù)緊力的增大，殘余強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)逐漸增加，且增加幅度增大，即錨桿預(yù)緊力越大，對(duì)于錨固體殘余強(qiáng)度的強(qiáng)化效率越高。

3.2.2 錨固體內(nèi)部破壞特征分析

錨固體受到單軸壓縮作用，其內(nèi)部產(chǎn)生較多的剪切及張拉裂隙，為了微觀分析巖體內(nèi)部破壞特征，通過(guò)自定義FISH語(yǔ)言監(jiān)測(cè)巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙分布信息(裂隙發(fā)生剪切及張拉位移量)，根據(jù)裂隙位移量可有效判斷巖體內(nèi)部裂隙發(fā)育程度，進(jìn)一步說(shuō)明錨桿預(yù)緊力大小對(duì)巖體的影響程度[14]。

1)巖體內(nèi)部剪切裂隙分布特征分析。單軸壓縮試驗(yàn)中在受到垂直載荷作用下，巖體開始產(chǎn)生較多剪切裂隙，并由外部向內(nèi)部迅速發(fā)育，最終造成淺部圍巖破碎，巖體內(nèi)部剪切裂隙分布特征如圖5所示。

圖5 錨固體內(nèi)部剪切裂隙分布特征

由圖5可知，無(wú)預(yù)緊力錨巖體內(nèi)部在垂直載荷作用下剪切破壞嚴(yán)重，剪切裂隙發(fā)育數(shù)量較多，分布范圍遍布整體，分布方向復(fù)雜；在施加預(yù)緊力錨桿后巖體內(nèi)部剪切裂隙有明顯減少，且水平方向剪切裂隙減少幅度尤為明顯，當(dāng)預(yù)緊力越高，巖體內(nèi)部剪切裂隙數(shù)量顯著減小，這表明隨著預(yù)緊力的增大，提高了巖體弱面的抗剪切錯(cuò)動(dòng)能力，提高了圍巖的抗剪切性能。

巖體內(nèi)部張拉裂隙分布特征分析。當(dāng)巖體受載破壞時(shí)，巖體內(nèi)部的張拉裂隙主要沿垂向發(fā)育直至張開變形破壞，巖體表現(xiàn)為擴(kuò)容現(xiàn)象，巖體內(nèi)部張拉裂隙分布特征如圖6所示。

圖6 錨固體內(nèi)部張拉裂隙分布特征

對(duì)于無(wú)預(yù)緊力錨巖體，內(nèi)部張拉裂隙發(fā)生垂向貫穿且分布較廣，巖體承載能力極大下降；后續(xù)都施加預(yù)緊力錨桿，當(dāng)預(yù)緊力為30kN時(shí)，相比無(wú)預(yù)緊力錨桿巖體，裂隙數(shù)量、裂隙貫穿模型現(xiàn)象、淺部圍巖的裂隙張開破壞的現(xiàn)象都略有減少；且隨著預(yù)緊力的增大，張拉裂隙減少越來(lái)越明顯；直至預(yù)緊力為90kN時(shí)，巖體內(nèi)部張拉裂隙的發(fā)育程度大幅度減少，裂隙長(zhǎng)度已從垂向貫穿減小到零星發(fā)育，淺部圍巖的張拉破壞顯著減小，這說(shuō)明了預(yù)緊力的提升可有效約束巖體內(nèi)部裂隙的張開變形，這對(duì)于提升圍巖的抗壓強(qiáng)度有很大的增強(qiáng)作用。

巖體內(nèi)部破壞特征量化分析如圖7所示，由圖7可知，隨著預(yù)緊力的提高，能顯著減少圍巖內(nèi)部剪切裂隙、張拉裂隙的發(fā)育數(shù)量與延伸長(zhǎng)度，有效改善了巖體的受力狀態(tài)，增加巖體抵抗變形的能力，對(duì)巖體受載擴(kuò)容起到一定的限制作用，增強(qiáng)其極限承載能力。隨預(yù)緊力的提高，錨桿端頭淺部圍巖的裂隙擴(kuò)展越少，使得淺部圍巖能與深部圍巖形成整體。這說(shuō)明通過(guò)提高預(yù)緊力，可以有效控制幫部的破碎圍巖，減少巷道幫部的片幫現(xiàn)象[15]。

圖7 巖體內(nèi)布裂隙數(shù)量分布

4 工業(yè)性實(shí)驗(yàn)

由于己15-23090運(yùn)輸巷受礦壓、采動(dòng)影響，兩幫擠出、巷道底鼓嚴(yán)重，不滿足安全生產(chǎn)要求，需對(duì)巷道進(jìn)行挑頂、擴(kuò)幫措施。原方案：開采幫擴(kuò)幫后需補(bǔ)打4根φ=20mm，L=2400mm強(qiáng)度為500MPa左旋高強(qiáng)樹脂錨桿。由于擴(kuò)幫600～800mm后，巷道幫部錨桿還能留有1600～1800mm左右長(zhǎng)度，為了驗(yàn)證張拉式鎖具錨桿的實(shí)用性和可靠性，針對(duì)巷道擴(kuò)幫后實(shí)施方案：①補(bǔ)打新錨桿，分別采用螺母與鎖具施加預(yù)緊力對(duì)比支護(hù)效果；②在舊錨桿基礎(chǔ)上采用鎖具重復(fù)預(yù)緊，并施加高預(yù)緊力。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工及位移監(jiān)測(cè)分析其效果。

4.1 張拉鎖具錨桿配套現(xiàn)場(chǎng)施工

在平煤四礦己15-23090機(jī)巷擴(kuò)修施工使用錨桿鎖具1000余套，根據(jù)已有實(shí)施情況，總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及效果如下：

1)錨桿托盤貼幫效果更好。原有錨桿受尾螺紋長(zhǎng)度限制，預(yù)緊范圍較小，一旦錨桿鉆孔深度把握不好，易造成錨桿外露長(zhǎng)，導(dǎo)致螺母預(yù)緊時(shí)無(wú)法緊密貼幫，難以保證高預(yù)緊力的施加。通過(guò)千斤頂張拉鎖具緊固錨桿，可實(shí)現(xiàn)高預(yù)緊力，使托盤緊貼巷道幫部。

2)施加預(yù)緊力更高。采用扭矩施加預(yù)緊力的方式，錨桿螺紋處扭矩向預(yù)緊力轉(zhuǎn)化效率普遍較低，很難滿足巷道高預(yù)緊力錨桿施工的要求。采用張拉千斤頂張拉錨桿鎖具所獲得的預(yù)緊力可達(dá)到60kN以上，相對(duì)高于工人采用扭螺母方式所能獲得的預(yù)緊力值，能充分發(fā)揮錨桿的主動(dòng)支護(hù)作用，提升錨桿支護(hù)效果。

3)錨桿可以重復(fù)預(yù)緊。巷道擴(kuò)刷、巖層松軟、振動(dòng)等原因引起錨桿預(yù)緊失效，錨桿桿體錨固有效但卻無(wú)法再次預(yù)緊，造成支護(hù)材料的浪費(fèi)。采用錨桿鎖具后，可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)預(yù)緊，不受螺紋長(zhǎng)度制約，節(jié)省了支護(hù)成本。

4.2 巷道位移監(jiān)測(cè)

張拉預(yù)緊式錨桿在己15-23090機(jī)巷實(shí)體煤幫部試驗(yàn)。在巷道擴(kuò)幫時(shí)，分別采用普通扭矩式新錨桿和張拉鎖具對(duì)舊錨桿重復(fù)預(yù)緊兩種方式，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，前方巷道受超前應(yīng)力影響，實(shí)體煤側(cè)會(huì)出現(xiàn)的位移變化。通過(guò)對(duì)巷道幫部位移監(jiān)測(cè)，檢驗(yàn)兩種支護(hù)方式效果，結(jié)果如圖8所示。

圖8 回采期間變形量與變形速度圖

由圖8可知，在巷道擴(kuò)幫時(shí)，實(shí)體煤幫采用傳統(tǒng)扭矩式錨桿支護(hù)段，巷道幫部變形量大約為568mm；而采用安裝鎖具重復(fù)預(yù)緊錨桿支護(hù)段，其巷道幫部的變形量約為316mm左右，變形量降低44.3%?？芍捎脧埨A(yù)緊式鎖具對(duì)原錨桿重復(fù)預(yù)緊后，對(duì)圍巖有較好的控制效果。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際礦壓觀測(cè)結(jié)果，最終得出張拉式預(yù)緊力錨桿系統(tǒng)的支護(hù)效果優(yōu)于補(bǔ)打普通錨桿支護(hù)，且省去了補(bǔ)打新錨桿的工藝流程，大大降低了支護(hù)作業(yè)強(qiáng)度和成本。

5 結(jié) 論

1)研制了錨桿鎖具和配套張拉千斤頂，試驗(yàn)得出張拉錨桿可以實(shí)現(xiàn)高預(yù)緊力，并且在實(shí)驗(yàn)中鎖具可以成功實(shí)現(xiàn)緊鎖，并無(wú)錨具退脫失效情況。

2)建立了巷道錨固分離體單軸抗壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，得出隨著預(yù)緊力的增大，有效減少了巖體裂隙和變形破壞程度，當(dāng)施加預(yù)緊力達(dá)到90kN時(shí)，巖體的峰值強(qiáng)度提高了10%，殘余強(qiáng)度提高了28.9%。

3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，張拉鎖具可使錨桿預(yù)緊力達(dá)到60kN以上；錨桿重復(fù)預(yù)緊后巷道幫部位移量為316mm，比原支護(hù)工藝降低了44.3%，且錨桿支護(hù)效果顯著，有效控制幫部的破碎圍巖，減少了巷道幫部的片幫現(xiàn)象。