巷道頂板對施加錨桿托錨力的影響

　  工程概況
　　老母坡煤礦3101工作面位于已經回采完畢的2101首采工作面之下，2#煤與3#煤之間的法距為7m～9m左右。2#煤埋深200m左右，頂板為泥巖、細砂巖，厚度平均4.45m，底板為砂質泥巖、泥巖、粉細砂巖，厚度平均7.57m，該煤層已大部采空。3#煤層偽頂為炭質泥巖，厚度0.2m～0.4m，直接頂為泥巖，厚度1.27m，老頂為細砂巖，厚度2.25m；底板為粉砂巖，厚度4.89m。3101運輸順槽巷道實行無充填體沿空留巷，以實現Y型通風系統，并作為3103工作面回風巷道使用。巷道及工作面層位關系如圖1所示。
　　根據各巷道圍巖條件，分別設計了以高強預應力錨桿為主要支護構件的支護方案。研究表明，施加高托錨力或高預緊力能夠較好地控制巷道掘進初期的變形量，不僅能夠有效控制淺部圍巖的頂板下沉，還能在錨桿的有效長度內消除頂板離層。然而經技術人員調研發現，在巷道掘進及工作面推進過程中，各巷道均存在因錨桿托錨力損耗或部分損耗造成的錨固失效或低效的工程現象。為此，中國礦業大學技術人員測試了不同幾何尺寸的錨桿在實驗環境、巖石層面、煤壁和噴砼表面等條件下的預緊力矩與托錨力的轉換關系，研究了不同因素對施加初始托錨力的影響。下面，筆者將詳細探討巷道頂板對對施加托錨力的影響。
　　2 巷道頂板對施加托錨力的影響
　　為研究巷道頂板對施加托錨力的影響，分別在2103工作面下順槽和3101工作面下順槽進行了錨桿預緊力矩和托錨力的測試實測工作，以便分析不同巷道頂板對施加托錨力的影響。
　　2.1 2#煤頂板對施加托錨力的影響
　　在2103工作面下順槽相距10m的兩斷面進行10組錨桿預緊力矩和托錨力的測試實測工作，巷道斷面為矩形，寬高尺寸分別為3.8m和2.2m。巷道直接頂板為泥巖，厚度2.4m，老頂為2.5m厚度的砂巖。
　　扭矩加載梯度0N？m～300N？m以內每30N？m遞增1次，300N？m以上每50N？m增加1次，加載過程除記錄數據外基本為連續加扭，實測時加載的最大扭矩為450N？m，最小扭矩為300N？m。
　　實測結束后共取10組有效數據，通過對有效數據分析可以得出預緊力矩與托錨力的關系：
　　1）里程300和290斷面托錨力數據在預緊力矩小于210N？m時線型增加幅度較小，超過此數值時增速增大，此數值對應的平均托錨力分別為27.65kN和21.26kN，當預緊力矩為240kN時，對應的總平均托錨力為28.59kN，扭矩系數為0.31。
　　2）所有錨桿的托錨力均隨預緊力矩的增加而增加，5#（回采側）和10#（采空側）的增加速度最快，扭矩同為300N？m時托錨力分別為98.02kN和54.67kN。以2#錨桿（頂板左2）和7#錨桿（頂正中）托錨力最小，分別為71.63kN和60.32kN。
　　2.2 3#煤頂板對施加托錨力的影響
　　在老母坡煤礦3101工作面下順槽進行了頂板6組錨桿預緊力矩和托錨力的測試實測工作，巷道斷面為矩形，寬高尺寸分別為3.8m和2.2m。扭矩加載方式與2#煤測試工作相同。實測結束后，共取得6組有效數據，通過對有效數據的分析，可以得出預緊力矩與托錨力的關系：
　　1）單根錨桿平均的預緊力矩在0N？m～240N？m范圍內托錨力多為線性增加，但在240N？m以上時，線型增長更為顯著，而小于180N？m時，扭矩系數不穩定，大于240N？m時，扭矩系數K平均值為0.27，對應的平均托錨力為42.73kN。
　　2）所有錨桿的托錨力均隨預緊力矩的增加而增加，因1#（實體側）和5#錨桿與頂板接觸面較為平整，托錨力增加速度最快，扭矩同為270N？m時托錨力分別為64.09kN和56.55kN。其中3#錨桿因外漏稍長，加扭時墊有3塊托盤，扭矩較小時便出現托錨力，但因頂板接觸面稍有凹凸，故增加速度并沒有1#錨桿快，這2#錨桿（頂板左2）因外漏稍短，加扭過程中未放托盤，致轉換系數較低，托錨力最小，最大托錨力僅為44.49kN，這也證明了錨桿托盤等護表構件在傳遞托錨力時的重要作用。
　　3 2#煤和3#煤頂板對施加托錨力的影響對比分析
　　1）從圖1a可以看出，3101下順里程158m斷面頂板6根錨桿相同預緊力矩條件下所得托錨力皆大于2103下順2斷面頂板10根錨桿，分析原因為2103下順里程290m頂板5根錨桿因頂板較低，錨桿機無法直立，導致新打錨桿皆有一定傾斜角度，故壓力表無法與頂板平整接觸，轉換系數較低。2103下順里程300m處托錨力較小原因為頂板5根錨桿為巷道掘進期間原錨桿，為保證正常加扭，未放托盤，護表構件是保證托錨力傳遞給圍巖的重要因素，致使托錨力整體水平較低。各斷面回歸方程分別為Fl=0.23T-18.77、Fl=0.29T-35.04和Fl=0.27T-21.7。
　　2）3101下順頂板6根錨桿的扭矩系數皆小于2103頂板10根錨桿，但扭矩為240N？m以上時，扭矩系數皆趨于穩定。為保證巷道錨桿支護的高預緊力，2煤、3煤新掘巷道頂板預緊力矩應在300N？m以上。
　　結論
　　除了巷道頂板，托錨力的影響因素還包括噴砼表面、煤巖界面等，尚需進一步的測試和實驗研究。然后，實驗環境下的測試結果與現場實測數據存在一定差異，這是因為在實驗條件下，可以保證圍巖表明的平整度、錨桿孔與圍巖相垂直，在現場測試時則難以保證。