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锚杆支护技术中一些问题的探讨周金城[峰峰集团有限公司，河北邯郸056201]摘要解析了锚杆支护中容易混淆的概念，针对支护参数认识不清，支护设计不科学，锚杆制作存在缺陷等方面的问题，通过理论分析，并现场实践和试验室试验，提出了解决问题的观点及方法。关键词锚固力拉拔力预紧力预紧力矩锚杆的制作和检测-----------------------------------------------------------------------前言锚杆支护作为一种有效的采准巷道支护方式，由于对围岩强度的强化作用，可显著提高围岩的稳定性，加之成巷速度快、劳动强度低、提高巷道断面利用率、简化回采面的端头维护工艺，明显改善作业环境和安全生产条件，成为矿井巷道的主要支护形式，得到了大力推广应用[1]。但在应用中存在一些错误认识，具体表现在以下几个方面。1锚固力与锚杆拉拔力1.1定义锚固力指锚杆对围岩产生的约束力[2-4][注1-3]。可细分为锚杆工作时的锚固力和设计锚固力，锚杆工作时锚固力包括初锚力和正常工作时的锚固力。通常说的锚固力指锚杆正常工作时的锚固力。锚固力设计锚固力工作时锚固力初锚力正常工作时锚固力即通常指的锚固力拉拔力也称抗拉拔力或抗拔力，指阻止锚杆从岩体中拔出的力[2-4][注1-3]。拉拔力可分为设计拉拔力和检测拉拔力。通常说的拉拔力指设计拉拔力，其值应大于锚杆破断力。检测拉拔力用于锚杆施工质量检测，其值应不小于设计锚固力。拉拔力检测拉拔力(用于锚杆施工质量检测)设计拉拔力即通常指的拉拔力1.2锚固力与锚杆拉拔力区别①锚固力是锚杆对围岩产生的约束力，是限制围岩变形，起支护作用的力。锚杆拉拔力是锚杆锚固后拉拔实验时，所能承受的极限载荷，反映的是杆体、锚固剂、岩石粘结到一起后，锚杆破断或失效的最大拉力。②锚固力随着被支护围岩变形、围岩的膨胀而增大，因此锚固力是一个动态发展并不断变化的力。锚杆拉拔力是一个固定值，不随围岩变形和锚杆受力而改变。如果围岩不发生变形且不考虑杆体的松驰效应，锚固力等于初锚力。③锚固力检测使用安装于锚杆螺母和托盘之间的锚杆测力计，一般在锚杆安装时把锚杆测力计安好。检测锚固力是为了监测锚杆受力状况，需要进行长期观测。锚杆拉拔力检测使用锚杆拉力计，检测可以在锚杆安装完成后任何时候进行，检测锚杆拉拔力是为了查验锚杆杆体、锚固剂、岩石粘结效果。在施工中，检测锚杆拉拔力时，一般只要达到设计锚固力即可；在做破坏性检测时，则要求锚杆被拉断或锚杆被拉出才终止。④检查锚杆施工质量时，一般检查锚杆拉拔力。监测分析锚杆工作情况时，测锚固力。测量锚固力是为了验证支护的可靠性，为以后修改支护设计提供依据。设计和施工时，必须保证锚杆拉拔力大于杆体破断力这一基本原则，即锚杆杆体受力超过其破断力后，锚杆可能被拉断，但锚杆不能被拉出。常见错误是设计的锚杆拉拔力小于杆体破断力。⑤施工、设计中锚固力与锚杆拉拔力经常混淆、混用。二者混淆原因一方面是由于一些标准、教课书说法不一，造成混乱；另一方面对二者内涵认识理解有误，辨识不清。2预紧力和预紧力矩2.1定义预紧力也称初锚力，在安装锚杆（锚索）时，通过拧紧螺母或采用张拉方法施加在锚杆（锚索）上的拉力，单位kN。预紧力矩是拧紧螺母使锚杆达到设计预紧力时，施加到螺母上的力矩，单位N·m。2.2预紧力和预紧力矩关系①二者有定性的关系，通常预紧力矩越大，预紧力越大，但非线性关系。②预紧力是力，是施加在锚杆（锚索）上的拉力，单位kN；预紧力矩是力矩，施加在压紧螺母上，单位N·m。③二者测量仪器不同。预紧力可以通过安装在锚杆托盘与螺母间的锚杆测力计观测；预紧力矩可以通过数字显示或带有刻度显示的力矩扳手观测。④锚杆施工设计要求的是预紧力，而不是预紧力矩。但在实际施工中，由于预紧力矩测读方便而预紧力测量相对复杂，且预紧力随着预紧力矩增大而增大，为了检测方便，通过直接检测预紧力矩而达到间接检测锚杆的预紧力的目的。因此，锚杆安装时通常检测预紧力矩，而不检测预紧力。⑤增大锚杆预紧力方法可以从两方面入手，一是提供足够大的原动力，二是上紧螺母。3.3预紧力的作用及要求①预紧力能够发挥锚杆主动支护作用，特别是在层状岩层、破碎围岩条件下，增大预紧力能够改变围岩性质，防止围岩破坏，保持围岩稳定，有利于对围岩支护。②试验证明，如果顶板围岩有整体离层冒落的趋势时，只有预紧力大于潜在冒落围岩重量时，才能阻止围岩离层趋势的出现和继续发展，才能发挥锚杆主动支护作用。③锚杆预紧力矩越大越好。由于受锚杆施工机具限制，手动锚杆安装机具预紧力在100～200N·m，产生初锚力可达到10～20kN；机载锚杆机具预紧力可达200～300N·m，产生初锚力可达30kN。例如，一根长度2.4m的锚杆，间排距为800×800（mm）时，单根锚杆支护围岩重量约3.5t。由于受到锚杆安装工艺、施工机具的限制，35kN的预紧力较难达到。所以定性说：锚杆预紧力矩越大越好，以获得较大的预紧力。④只有达到一定的预紧力后，锚杆才能发挥主动支护的作用，形成组合梁、组合板结构。随着新的施工机具出现，预紧力将会逐渐增大，合适的预紧力范围为：下限大于支护的围岩重量，上限为锚杆屈服强度的70％。⑤现场常见问题：一是预紧力偏低，甚至为零，发挥不了锚杆主动支护作用；二是预紧力大小相差悬殊，造成锚杆受力不均。使用机械快速安装工艺，可避免上述问题的发生。4锚杆设计问题锚杆设计时，一般是采用悬吊理论来计算锚杆的直径，这种设计理念在矿压小、围岩运动方向与锚杆平行的条件下适用，但在高应力、围岩运动方向与锚杆方向不一致时则受到限制。例如，一些高应力巷道整修时发现，一些锚杆被挤压变形成为类似汽车摇把“”型，平行于锚杆的观测钻孔发生错位等现象。这些现象说明，锚杆的受力方向非常复杂，既有沿锚杆轴向的力，也有与锚杆方向垂直或成一定角度的剪切应力，因此选择锚杆强度时必须综合各方面因素，不仅要考虑锚杆拉伸强度，还要考虑剪切强度，特别是高应力条件下，如果只考虑锚杆拉伸强度，所选的锚杆直径必然偏小，强度偏低，造成支护失败。根据多年锚杆支护实践经验和对锚杆支护机理的研究分析，获得锚杆支护设计理念为：Ⅰ、Ⅱ类围岩巷道条件，压力小时，应用悬吊理论指导设计施工；Ⅲ、Ⅳ类围岩巷道条件，压力中等时，应用组合梁、组合拱理论指导设计施工；Ⅴ类围岩巷道条件，压力大时，应用围岩强化理论指导设计施工。5锚杆制作和检测中存在的问题5.1锚杆螺纹段强度低标准MT146.2-2002规定：锚杆尾部螺纹承载力不低于杆体的屈服强度，杆体延伸率不低于15％。以直径20mm、长2200mm锚杆为例，锚杆检测数据如下表所示：锚杆标准要求与实际测试对比表检查项目屈服强度抗拉强度延伸率尾部螺纹承载力杆体破断力标准≥335MPa≥490MPa≥15％≥125kN—实测400MPa600MPa30％130kN188kN从表中可以看出，锚杆各项检测指标均符合MT146.2-2002标准，检测结果锚杆各参数均合格，检测结论“锚杆合格”。但在现场监测发现，锚杆受力达到130kN时，许多锚杆从螺纹处断裂，此时围岩变形量不超过100mm，远远小于锚杆延伸率30％的许可变形量，且锚杆受力远小于其破断力，出现了“合格锚杆”不合格的问题。为什么“合格锚杆”不能适应巷道变形？通过试验室锚杆拉伸试验，当锚杆受力130kN时，杆体延伸率仅仅2％，再增大载荷，锚杆将从螺纹段断裂，因此所谓杆体延伸率30％不是代表整套锚杆的延伸率，整根锚杆延伸率应该只有2％。要想达到整根锚杆30％的延伸率，必须增大锚杆螺纹段强度，使锚杆各处强度相等。一根合格的锚杆在受力后，应经过如下过程：围岩变形→锚杆受力后被拉伸→围岩中积聚的能量随围岩变形而释放→围岩变形量达到一定程度后→锚杆变形量超过其容许量——锚杆受力达到破断强度而断裂——支护失效。如果锚杆制作有缺陷，存在弱面、螺纹段强度低等问题，在围岩发生轻微变形时，锚杆因螺纹段（弱面）先达到破断极限而断裂，此时锚杆延伸量非常小，锚杆不能经过“锚杆拉伸→围岩应力释放、卸压”的过程，而是在受力后，锚杆迅速被拉断，失去对围岩的支护作用。因此锚杆尾部螺纹承载力不应低于杆体的破断强度的95％，在做锚杆延伸率检测时，包括螺纹段在内的整个锚杆杆体延伸率应不低于15％，这样杆体强度和延伸率两项检测指标才合格，锚杆才能适应高应力、大变形围岩支护需要。5.2锚杆配件强度低锚杆制作时，常出锚杆配件强度低的问题。表现为，在高应力巷道，锚杆受力后出现螺母穿透托盘、锚杆螺母滑丝、螺母被压裂等问题。因此，在锚杆制作时，做到锚杆配件强度高于杆体强度。5.3锚杆制作、检测要求随着对锚杆支护认识的深入和锚杆制作工艺水平的提高，锚杆检测标准亟待完善：①合格锚杆必须综合考虑锚杆各部位、部件后综合做结论，不能分割开来，否则锚杆检测时将出现各分项都合格，而综合结果却不合格问题；②检测标准中锚杆配件需要从不低于屈服强度提高到不低于杆体实际的破断强度。如果不能满足上面两方面要求，在高应力大变形围岩条件下，锚杆支护不能发挥应有的作用，起不到让压、卸压作用，满足不了工程需要，将存在极大隐患。因此在高应力条件必须使用等强锚杆，高度重视锚杆制作质量，才能充分发挥锚杆的支护作用。6结论锚杆支护技术在过去的几十年中，经过不断发展、完善，应用范围不断扩大，已经成为矿山支护的主要技术手段。随着对锚杆支护机理的深入研究、施工工艺、施工设备的改善和新材料的应用，锚杆支护理论将不断更新，锚杆制作、检测标准将不断提高，以适应更加复杂了矿山条件。注释[注1]锚固力指锚杆对围岩产生的约束力，拉拔力指阻止锚杆从岩体中拔出的力。来源于中华人民共和国行业标准——煤矿井巷工程质量检验评定标准MT5009—94。[注2]锚固力定义：锚杆的锚固部分或杆体在拉拔试验时所能承受的极限载荷，来源于中华人民共和国行业标准——树脂锚杆、锚固剂MT146.1—2002。[注3]MT146.1—2002与MT5009—94标准中，锚固力定义相矛盾，由于煤矿普遍采用的MT5009—94中的定义，故本文锚固力均指[注1]中MT5009—94标准中的定义。参考文献[1]何满朝,袁和生,靖宏文,等.锚杆支护理论.北京.科学出版社.2004.[2]中华人民共和国行业标准——煤矿井巷工程质量检验评定标准MT5009—94.北京.煤炭工业出版社.1995.3[3]中华人民共和国煤炭行业标准——树脂锚杆、锚固剂MT146.1—2002.北京.煤炭工业出版社.2002.8[4]中华人民共和国煤炭行业标准——树脂锚杆、金属杆体及其附件MT146.2—2002.北京.煤炭工业出版社.2002.8作者简介周金城男，1967年出生，满族，河北邯郸人，1990年毕业于河北矿业学院。现在峰峰集团生产部从事支护工作，高级工程师。（收稿日期：2008-09-01；责任编辑：陈桂娥）