马来斌

0 引言

随着煤矿锚杆支护理论的不断发展和完善，锚杆锚索在煤矿巷道的支护工程中得到了广泛应用。在服务于回采工作面的顺槽中，煤层开采后，在超前支撑压力的作用下，从工作面沿巷道走向矿压呈先增大后减小最后逐步恢复到原始状态。与此同时，作用在锚杆锚索上的轴力也与矿压分布规律有着密切的关系。尤其是在大断面煤巷中，矿压显现程度更为强烈，锚杆锚索时常出现被拉断的情况。如何确定锚杆锚索轴力与工作面回采之间的关系，对巷道支护的稳定性、安全性进行监测，提前采取预防措施，避免因锚杆锚索断裂而引起巷道片帮、冒顶等损失和灾害，一直是研究的重点。

塔山矿是年产1 500 万t 煤的特大型矿井之一，其中5105 巷位于3～5#煤层一盘区8105 工作面，宽5.5 m，高3.9 m，断面面积21.45 m2，断面大，矿压显现强烈。以该巷为研究对象，采用剪切式锚杆锚索测力计对巷道支护所用锚杆锚索轴力进行监测，研究其与回采工作面距离之间的关系，评价回采过程中巷道支护的安全性，为煤矿安全生产提供技术基础。

1 锚杆锚索测力计的选取

根据传感器的类型不同，常用锚杆锚索轴力监测设备可分为电阻应变式、振弦式、液压枕式等[1]。其中液压枕式测力计为机械式压力传感器，利用油压表显示不同压力值的变化。该类测力计精度小、人工读数误差较大；此外，液压表的保护装置多为玻璃镜片，在煤矿生产过程中易被破坏。振弦式传感器总钢弦作为磁通路的一部分，随着钢弦的振动，磁通在同步变化，同时引起传感器线圈的电流产生变化，受结构影响较大，适应频带比较窄，制作的锚杆锚索测力计量程较小。现在常用的电阻应变式锚杆锚索测力计的结构基本是拉压式，抗弯矩、抗横向力能力差，力作用点的变化会引起输出灵敏度的变化；此外，弹性应变片受拉时横截面面积减少，而受压时横截面面积则增大，因此输出值与受力值不是线性关系，不适合锚索锚杆轴力变化的监测。

为了得到更为准确的结果，本文选用剪切式锚杆锚索测力计[2]。该类测力计在电阻应变式锚杆锚索测力计的基础上对应变片的布置方式进行改变而来，主要由刚体、电阻应变片组成（见图1），其电阻应变敏感片安装在弹性元件上剪应变最大处的主应变方向，避免了拉压式测力计受力后传感器断面变化的问题，输出精度比拉压式传感器更高。

图1 剪切式锚索锚杆测力计结构

2 锚杆锚索轴力实测分析

考虑到各种因素，决定在5105 巷靠近工作面一端地质环境较好、生产活动干扰较小的地段安装测站，在5105 回风兼辅运顺槽2250 和2360 里程处分别设立了第一、第二两个观测站，监测锚杆锚索轴力与距回采工作面之间的距离的关系（见图2）。选用北京天地科技有限公司开采所研制的GYS-300 和GYS-500 型剪切式锚杆(索)测力计量测各测站中锚杆和锚索的轴力大小。这两种型号的测力计都采用桥式刚体结构，量程分别为300 kN 和500 kN，精度都为0.5%，其实际安装见图3。

图2 各测站锚杆锚索测力计布置

图3 GYS-300（500）型锚杆(索)测力计安装示意

由于第二综合测站在回采过程中遭到很大程度的破坏，故支护构件轴力量测以第一综合测站为主，实测结果见图4～图11。

图4 左帮1#锚杆受力量测曲线

图5 右帮1#锚杆受力量测曲线

图6 拱顶2#锚杆受力量测曲线

图7 拱顶3#锚杆受力量测曲线

图8 拱顶4#锚杆受力量测曲线

图9 拱顶1#锚索受力量测曲线

图10 拱顶2#锚索受力量测曲线

图11 拱顶3#锚索受力量测曲线

由图4～图11 可知：

（1）沿工作面走向支护构件尾部轴力变化规律在回采期间也可以分为3 个阶段。

①无采动影响阶段：此阶段位于距离回采工作面115 m 范围之外巷道。该段巷道锚杆锚索尾部轴力保持稳定，几乎不受采动的影响。

②采动影响阶段：在工作面前方约50 m～115 m范围内，巷道受到工作面超前支撑压力作用和老顶来压的影响，锚杆、锚索尾部轴力出现较大波动。

③采动影响剧烈阶段：随着工作面的推进，距工作面50 m 范围内，巷道受到回采动压的强烈影响，锚杆、锚索尾部轴力变化剧烈。尤其是左帮1#锚杆，一天之内锚杆尾部轴力从43.77 kN 增大到237.61 kN，增幅将近6 倍。

（2）回采对两帮的影响不相同。从左帮1#锚杆或靠近左帮的拱顶2#锚杆、拱顶1#锚索与相应的右帮1#锚杆或靠近右帮的拱顶4#锚杆、拱顶3#锚索尾部实测受力结果与距回采工作面距离的关系曲线来看，前者左部3 个支护构件的波动幅度明显大于后者右部的3 个支护构件。分析其原因，主要是由于：

①左帮位于正在回采的8105 工作面煤体中，离工作面较近，受到工作面采煤机械的振动较大。

②由于8105 工作面开采厚度达到15 m，顶板来压非常频繁，来压时顶板大多数都是在靠近工作面中部的位置断裂，故对与之较近的左帮影响程度更大。

（3）锚索抵抗回采影响的能力大于锚杆。从图6～图11 可以看出，由于锚杆较短，变形能力差，主要支护巷道表层围岩形成的支护体系较小；而锚索的长度是锚杆的3.5 倍，自身的延性较强，遇到强压时的让压[3]能力远大于锚杆，致使在采动影响阶段和影响剧烈阶段，锚杆尾部的应力波动幅度几乎都比锚索强烈。

（4）沿工作面走向，锚杆锚索尾部轴力分布规律与超前支撑压力的分布规律相同。在距工作面75 m以内的范围内，随着支撑压力的不断增加，锚杆锚索的尾部轴力缓慢增大，当距工作面的距离小于24 m后，锚杆锚索尾部轴力又逐渐减小，这一规律与支撑压力的分布规律相符。

（5）右部锚杆锚索尾部轴力比左部锚杆锚索大出很多。由于右帮是已采8104 工作面的保护性煤柱，在8104 工作面左侧支撑压力和5105 回风兼辅助运输顺槽开掘时产生的新应力集中的双重作用下，使得5105 回风兼辅助运输顺槽右帮（拱顶右肩）的应力远大于左帮（拱顶左肩）的应力，进而使右部锚杆锚索尾部轴力比左部锚杆锚索大出很多。

3 结语

锚杆受力特性的监测是评价支护效果、对支护方案进行动态调整的重要依据，本文以同煤集团塔山煤矿5105 巷为研究对象，研究了剪切式锚杆锚索测力计在实测锚杆锚索轴力中的表现效果。实践表明：剪切式锚杆锚索测力计安装使用方便，受外界采动影响小，测试结果精度高。在具体数据方面：随着回采工作面的临近，采动对锚杆锚索轴力的影响存在无影响、采动影响和采动影响剧烈3 个阶段，但最大轴力始终在安全范围之内，监测结果与现场表现一致，为煤矿的安全生产提供了保证。

[1]鞠文君，蔡嘉芳，丁辉.地下开采现代技术理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社，2002.

[2]吴志刚，鞠文君 .新型锚索锚杆测力计的研制与应用[J].煤炭科学技术，2007，35（11）：36-38.

[3]何炳银，张士环，尹建国.高地压巷道锚索让压支护技术的探讨[J].煤炭工程，2005（9）：22-25.