錨桿—錨索聯合支護失效分析

公佩暖，賈后省，任建舉，李 琦

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083)

錨桿支護具有工人勞動強度低、成本低和支護效果好等優點，在我國煤礦支護中已廣泛使用，但當前不少人對錨桿—錨索聯合支護作用機理的認識卻并不全面，尤其在煤巷施工時，錨桿—錨索聯合支護的設計思想與支護方法存在著不協調的矛盾。多數人設計的出發點是錨桿與錨索的“懸吊理論”，認為將頂板松動區巖石通過錨索懸吊于深部穩定巖層上就可以達到支護效果，但是在實際應用中，頂板離層過大，錨索還未發揮效能就產生了破斷，使錨桿—錨索聯合支護形同虛設，并沒有充分發揮錨索的工程特性。

1 錨桿—錨索聯合支護設計原理

目前，在錨桿—錨索聯合支護的設計上，主要是以錨桿支護作為及時支護和加固巷道周圍淺部圍巖，從而提高圍巖的整體承載能力和自身穩定性，同時，通過預應力錨索作用，一方面，進一步提高錨桿支護體的支護強度，使圍巖變形破壞得到控制;另一方面，當圍巖的破壞范圍超過錨桿的錨固長度時，通過預應力錨索的懸吊作用，將頂板松動的巖石懸吊在深部穩定的巖層中，防止頂板失控冒落［1］。

當同時安裝錨桿和預應力錨索時，錨桿與預應力錨索對圍巖起到相同的加固作用，同時增強了錨巖支護體的承載能力，避免圍巖發生破壞。圍巖與支護的相互作用關系示意圖見圖1。

圖1 圍巖與支護的相互作用關系示意圖

在軟弱圍巖和破碎頂板巷道中，圍巖的變形量很大，在巷道開挖初期進行支護時，主要依靠的是錨桿的柔性支護，而后期則是發揮了錨索的懸吊作用。錨桿和錨索并沒有同時加強支護，而是相互取長補短，從而大大改善了巷道錨桿支護的整體支護性能，實現了控制圍巖大變形的作用。二次耦合支護相互作用原理圖見圖2。

2 錨桿—錨索聯合支護失效分析

為了更加清楚的闡明錨桿—錨索聯合支護失效的原因，將聯合支護這一整體進行分解首先對錨桿的失效進行分析，再分析聯合支護失效的原因。

圖2 二次耦合支護相互作用原理圖

2．1 錨桿失效分析

國內外許多專家學者運用各種方法對大量煤巷頂板錨桿支護失敗的案例進行了分析，如中國礦業大學馬念杰教授曾使用事故樹分析法對支護案例進行分析，得出了導致錨桿支護失敗的原因［2］，筆者參考許多文獻并進行實地調查后，總結了以下幾種導致錨桿支護失效的原因。

1)施工管理水平差。這主要表現為施工技術力量薄弱、管理人員掉以輕心、施工管理制度不完善以及施工人員責任心不強。尤其是施工人員責任心不強，將直接導致產生安全隱患，例如某礦在回收寬煤柱時開挖探巷，探巷口與運輸巷交叉處附近是容易出現冒頂和片幫的區域，幫上采用了掛網打錨桿的支護方式，但是有些網沒有緊貼在幫上，而錨桿的托盤更是只與網輕輕接觸，這樣就導致了錨桿形同虛設，給安全探測與回采工作帶來片幫隱患。

2)設計不合理。設計不合理主要分為支護型式不合理和支護參數不合理。導致支護型式不合理的原因有圍巖分類錯誤、地質調查不全面、支護對象不明確、支護方法不正確以及支護不及時。這就要求在進行支護設計時考慮全面、周到，充分利用鉆孔資料，甚至在掘進時滯后迎頭做頂板窺視，為支護提供更加詳細的資料，并及時對設計人員進行培訓，提升業務能力，為提供正確的支護方案提供保證。支護參數不合理主要是由錨桿排列方向順序不正確、錨桿長度不夠、錨桿間排距不合理以及“三徑”不匹配導致的。尤其是三徑匹配問題，需要設計人員仔細的設計與選擇。鉆孔直徑與錨桿直徑相差過大或過小時錨桿的錨固力都很小，只有得到合理匹配后，才能獲得最大的錨固力。引起這一現象的主要原因是這種直徑差對錨桿能否充分地攪拌樹脂卷，使樹脂膠泥和固化劑均勻混合起關鍵作用。實驗分析表明，為了使錨固劑有效地錨固在圍巖上以及錨桿的順利安裝，當使用無縱筋左旋螺紋鋼錨桿時鉆孔直徑與錨桿直徑之差應在4～10 mm之間，最佳值為5～6 mm;當使用帶縱筋螺紋鋼錨桿時鉆孔直徑與錨桿直徑之差應在6～12mm之間，最佳值為7～8 mm［3］。具體的參數需要設計人員根據具體情況慎重考慮。

3)監測效果差。這主要表現在監測管理制度不健全，監測人員沒有經過培訓，監測儀器落后且性能不可靠，監測人員責任心不強等。如有些礦井沒有制定嚴格的管理制度，下井檢查時提前通知，甚至出現掘進隊停工等檢查的現象。而監察人員下井后，也沒有完全負起責任。對已打好的錨桿進行拉拔實驗時，發現了問題只是做簡單的記錄，并沒有及時將問題和改進措施告知施工人員，甚至連監測人員也不知如何改進，這就需要在技能方面對監測人員進行培訓。

4)錨桿質量不合格。此原因主要分為桿體質量不合格和配套機具不合格，桿體質量不合格主要表現在桿體的材料強度不夠，抗拉強度達不到設計要求;錨桿結構形式不合理，需要使用粗尾錨桿的卻用普通錨桿，導致錨桿過早破斷;錨桿材料力學性能不好，如在較軟的煤壁上，本應使用玻璃鋼錨桿支護，卻使用了木錨桿;再就是錨桿質量差，這就需要礦井的采購部門要與正規的口碑好的生產廠家合作，以免造成事故后發生糾紛。配套機具不合格主要有樹枝藥卷失效、托盤螺母不配套、掘錨機質量性能差等幾個原因。

2．2 聯合支護失效分析

錨桿—錨索聯合支護失效的主要原因是在圍巖變形過程中，錨索尚未發生作用就產生破斷，這與錨索的低延伸率和抗拉強度有關，主要原因是錨索的一些力學指標在實際應用中與實驗設計結果相差甚遠。尤其是預應力錨索的承載能力和延伸率并不能達到鋼絞線力學性能的指標，因為在錨具鎖緊鋼絞線時，個別鋼絞線的局部受力過大，使錨索整體達不到預期的效果而過早破斷。

2．2．1 預應力錨索工程特性

當使用預應力錨索配合錨桿對煤巷進行加強支護時，應用到的兩個重要指標是錨索的承載能力(或破斷力Fms)和錨索的延伸量Δl。目前，錨索的支護與設計沒有技術規范可以遵循，煤礦在進行設計時大多應用懸吊理論進行設計和檢驗，所以，僅僅考慮錨索的破斷力這一指標而忽視了錨索延伸量。其實錨索的延伸量也是關鍵的技術指標，它反映了錨索對巷道圍巖變形的適應程度。在多數圍巖條件尤其是軟弱圍巖條件下，錨索的延伸量指標在設計中應放在首位，然后再考慮錨索的承載能力。在國家標準中，規定預應筋鋼絞線與錨具組裝件的靜載錨固性能必須同時滿足以下兩項標準：

對于使用1×7結構的1 860 MPa級別鋼絞線，以上兩項條件可寫成：

根據以上敘述，在煤巷支護條件下預應力錨索的錨固性能需要滿足下列兩項要求：

這里需要指出的是，以上兩項要求僅僅是對錨索在巷道支護中正常使用應該達到的錨固參數的要求，并非錨索支護設計需要的條件。因為εms不是錨索實際允許圍巖變形的延伸率，而是錨索破斷時的延伸率［1］。

能夠被實際工程所利用的錨索延伸率(延伸量)與安裝錨索時所給的預緊力有很大的關系，對1×7結構級別鋼絞線預應力錨索，可以利用的延伸率為：

式中：

Fy—錨索預緊力，kN;

A—錨索鋼絞線的剛度系數，kN，取221。

如在煤巷支護實際工程中，安裝錨索的預緊力為

100 kN，可利用于適應巷道圍巖變形的延伸率為：

由此表明，在煤巷支護中，錨索可利用的延伸率非常小，僅為鋼絞線國標要求的38．6%。

錨索延伸率的指標在實際工程中的應用并不直觀，所以常常使用錨索延伸量這一指標。

從式(3)、式(4)可以得到預應力錨索的兩個重要的工程指標：

式中：

Δl—錨索工程延伸量;

L—錨索自由段長度。

通過式(5)可以作出錨索的不同自由段長度和不同安裝預緊力時的錨索的工程延伸量，見圖3，該延伸量在錨索適應圍巖變形進行設計時可作為參考依據。

圖3 錨索工程延伸量與自由段長度的關系示意圖

從圖3可以看出，安裝錨索時預緊力越小，其工程延伸量就越大。因為鋼絞線的松弛特性，預緊后有一定的載荷松弛，預緊力過小可能造成錨具的滑移和卸載。

2．2．2 失效原因分析

錨桿—錨索聯合支護失效的主要原因是設計與實際不匹配，造成不匹配的原因還有以下幾點：

1)雖然錨固劑錨固強度符合要求，但是每根鋼絞線的錨固程度不一，導致了錨索整體受力不均，支護失敗。

2)實際施工時使用的錨索比在實驗室使用的長很多，按照實驗室指標安裝時，由于鋼絞線長度大使其松弛性增大，從而導致預緊時在孔口位置處造成每根鋼筋受力不均。

3)巷道圍巖上的孔口處巖壁與鉆孔軸線不垂直也引起每根鋼絞線受力不均，造成鋼絞線在未達到其抗拉強度時，使各條鋼筋逐根破斷。

4)當巷道有動載影響時，如沖擊礦壓和周期來壓，巷道圍巖的變形破壞活動使錨索受到波動的載荷影響而破斷。

由以上原因可以看出，預應力錨索破斷的主要原因是鋼絞線各股鋼筋受力不均：即單根鋼絞線已經破斷時，部分鋼筋未達到屈服極限。所以，第一股破斷的鋼絞線延伸率通常決定了錨索自由段的延伸率。由此表明，在設計錨索支護時按鋼絞線鋼材延伸率考慮是片面的。

另外，錨桿的施工質量也是至關重要的，尤其煤礦企業選擇合理的支護參數能避免許多頂板事故的發生。在間排距、錨桿力學性能的參數選擇上，可以在理論計算后采用數字模擬進行檢驗，觀察巷道圍巖的應力集中區域，找出易冒頂板進行加強支護。在三徑匹配上也要仔細選擇合理配置，大量實驗表明，對相同直徑的錨桿，鉆孔僅僅相差1 mm，其錨固力就會減弱一倍以上。再就是需要煤礦企業遵循科學的支護方法，提高隱患排查意識，這樣既能滿足生產的安全，又能避免支護材料的浪費。

3 結論

通過上述分析，錨索尚未發生作用就產生破斷是錨桿—錨索聯合支護失效的主要原因。避免這種現象產生主要通過提高錨索的力學特性和改善支護工藝兩方面著手。提高力學特性主要是提高錨桿的承載能力，并采用懸吊原理對錨索的承載能力進行檢驗。改善支護工藝主要是使錨索適應圍巖的變形，主要采取的方法有以下方面［4］：

1)在錨索鋼托板與大托板或鋼托梁之間加木墊板，使錨具能夠緩沖頂板的沖擊載荷。

2)滯后安裝錨索。為避免錨索因圍巖變形過大而破斷需要滯后迎頭安裝錨索，在安裝錨索前，允許錨桿支護巷道頂板下沉80～120 mm的變形量，即保證掘進安全，又能發揮后期的錨索懸吊作用。

3)合理布置錨索位置。巷道頂板一般都是兩側下沉量小于中間，錨索布置在距巷道兩幫1/4巷寬處，巷道中部頂部松動破壞區的巖石可通過槽鋼梁懸吊錨索之上，所以，合理布置錨索可以有效避免頂板變形對錨索的破壞。

［1］ 馬念杰，賈明魁．煤巷錨桿新技術［M］．徐州：中國礦業大學出版社，2006：122－125．

［2］ 朱永建．煤巷頂板錨桿支護危險性評價研究［J］．煤礦安全，2006(1)：1－3．

［3］ 馬念杰，郭勵生，杜木民．錨桿三徑的合理匹配［J］．中國煤炭，1998，24(1)：35 －37．

［4］ 趙慶彪．煤巷錨桿—錨索支護互補原理及其設計方法［J］．中國礦業大學學報，2005，34(4)：490－493．