高预应力强力支护系统研究 -全讯官网

摘要：锚杆（索）支护技术是采矿工程领域的一个重要分支，能充分提高围岩体的强度和稳固能力，是提高采矿过程稳定性的有效方法。深井生产中，地质条件更加复杂，围岩压力更大，易出现顶板破碎和煤壁片帮等现象，对高预应力强力支护系统的研究已经尤为迫切和重要。

1 高预应力、强力支护理论

1.1 巷道围岩变形主要包括两部分一是结构面离层、滑动、裂隙张开及新裂纹产生等扩容变形，属于不连续变形；二是围岩的弹性变形、峰值强度之前的塑性变形、锚固区整体变形，属于连续变形。合理的巷道支护理念是大幅度提高支护系统的初期支护刚度与强度，有效控制围岩不连续变形，保持围岩的完整性，同时支护系统应具有足够的延伸率，允许巷道围岩有较大的连续变形，使高应力得以释放。我国煤矿采用锚杆支护已有 50 多年的

历史，锚杆支护经历了从低强度、高强度到高预应力、强力支护的发展过程 。

1.2 预应力锚杆支护的主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现，在锚固区内形成刚度较大的预应力承载结构，阻止锚固区外岩层产生离层，同时改善围岩深部的应力分布状态。对高强度锚杆支护技术的认可是从 1996～1997 年引

进澳大利亚锚杆支护技术开始的 。

1.3 锚杆预应力及其扩散对支护效果起着决定性作用根据巷道条件确定合理的预应力，并使预应力实现有效

扩散是支护设计的关键。单根锚杆预应力的作用范围是很有限的，必须通过托板、钢带和金属网等构件将锚杆预应力扩散到离锚杆更远的围岩中。

1.4 预应力锚杆支护系统存在临界支护刚度支护刚度小于临界支护刚度，围岩将长期处于变形与不稳定状态；相反，支护刚度达到或超过临界支护刚度，围岩变形得到有效抑制，巷道处于长期稳定状态。

1.5 锚杆支护

　　对巷道围岩的弹性变形、峰值强度之前的塑性变形、锚固区整体变形等连续变形控制作用不明显，要求支护系统应具有足够的延伸率，使围岩的连续变形得以释放。

1.6 对于复杂困难巷道

应采用高预应力、强力锚杆组合支护，应尽量一次支护。一次支护是矿井实现高效、安全生产的要求 。对于大巷和硐室等永久工程更需保持长期稳定不能经常维修，否则会给后续的维修施工带来很大困难且存在安全隐患。

2 高预应力强力锚杆（索）支护系统

2.1 锚杆杆体几何形状与尺寸

　　锚杆杆体形状设计的准则有四方面：其一在合理孔径差的条件下，保证杆体能顺利插入钻孔；其二有利于提高锚固剂的粘结力与锚杆锚固效果；其三尽量使杆体各个部位等强度；其四是杆体尾部有利于施加较大的预紧力。左旋无纵筋螺纹钢杆体基本能满足杆体形状设计的四个准则，是比较理想的锚杆杆体。根据复杂困难巷道条件，确定强力锚杆杆体公称直径一般为 22-25mm，长度为 2.0-3.0m。

2.2 锚杆杆体材质

　　通过杆体结构和形状优化，有利于提高锚固效果，通过开发锚杆专用钢材，达到高强度和超高强度级别。对于直径22mm的bhrb600型钢筋屈服力达228.1kn，破断力达304.1kn。分别是同直径建筑螺纹钢的 1.79、1.63 倍；是同直径圆钢的 2.5、2.11 倍。强力锚杆预应力级别可超过 100kn，真正实现了高预应力与高强度。

2.3 锚杆附件

　　除强力锚杆杆体外，还开发出与强力锚杆力学性能相配套的托板、螺母。同时，为了减少螺母与托板之间的摩擦阻力和摩擦扭矩，最大限度地将锚杆安装扭矩转化为预紧力，研究开发出高效减摩垫圈，置于螺母与托板之间，显著减少了摩擦阻力，在相同的安装扭矩下大幅度提高了锚杆预紧力。

2.4 强力钢带

　　钢带是高预应力、强力支护系统中的关键部件，对锚杆预紧力与工作阻力扩散、锚杆作用范围扩大、整体支护能力的增强具有重要作用。为了与强力锚杆力学性能匹配，开发出 w 形强力钢带：一是适当加大钢带厚度，将钢带厚度由原来的 2.5-3mm 增加到 4-5mm；二是不改变钢带几何尺寸的情况下，选用强度更高的钢材。

2.5 强力锚索

　　开发出大直径、高吨位的强力锚索，一方面加大了锚索的索体直径，从 15.2mm 增加到 20mm～22mm，不仅显著提高了索体的破断力，而且使索体直径与钻孔直径的配合更加合理；另一方面，改变了索体结构，采用 19 根钢丝代替了原来的 7 根钢丝，索体结构更加合理，而且增加了索体的柔性和延伸率。

2.6 锚具及托板

　　为满足强力锚索的要求，开发出拱形锚索托板并配调心球垫。一方面托板的承载能力显著提高，与强力锚索强度相匹配，且具有一定的变形性；另一方面，托板可调心，改善了锚索受力状态，使锚索支护能力得以充分发挥，具有可靠的锚固性能和足够的承载能力，保证可以充分发挥强力钢绞线的强度。

3 小结

　　根据目前深部开采对锚杆（索）支护系统提出的新的要求，通过研究分析高预应力、强力支护理论，寻找到一套合理的高预应力强力锚杆与锚索支护系统，并确定了系统各个部分的选型和支护参数，能够有效地改善围岩应力分布状态，大幅度提高支护系统的支护刚度与强度，对围岩的变形和破坏有着显著的控制作用，满足了深部开采对支护系统的更高要求。