錨桿支護(hù)技術(shù)中一些問(wèn)題的探討

丁新華

（黑河市煤炭生產(chǎn)安全管理局，黑龍江 黑河164300）

1 錨固力與錨桿拉拔力

錨固力與錨桿拉拔力區(qū)別

1）錨固力是錨桿對(duì)圍巖產(chǎn)生的約束力，是限制圍巖變形，起支護(hù)作用的力。 錨桿拉拔力是錨桿錨固后拉拔實(shí)驗(yàn)時(shí)，所能承受的極限載荷，反映的是桿體、錨固劑、巖石粘結(jié)到一起后，錨桿破斷或失效的最大拉力。

2）錨固力隨著被支護(hù)圍巖變形、圍巖的膨脹而增大，因此錨固力是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展并不斷變化的力。 錨桿拉拔力是一個(gè)固定值，不隨圍巖變形和錨桿受力而改變。如果圍巖不發(fā)生變形且不考慮桿體的松馳效應(yīng)，錨固力等于初錨力。

3）錨固力檢測(cè)使用安裝于錨桿螺母和托盤之間的錨桿測(cè)力計(jì)，一般在錨桿安裝時(shí)把錨桿測(cè)力計(jì)安好。檢測(cè)錨固力是為了監(jiān)測(cè)錨桿受力狀況，需要進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。錨桿拉拔力檢測(cè)使用錨桿拉力計(jì)，檢測(cè)可以在錨桿安裝完成后任何時(shí)候進(jìn)行，檢測(cè)錨桿拉拔力是為了查驗(yàn)錨桿桿體、錨固劑、巖石粘結(jié)效果。在施工中，檢測(cè)錨桿拉拔力時(shí)，一般只要達(dá)到設(shè)計(jì)錨固力即可；在做破壞性檢測(cè)時(shí)，則要求錨桿被拉斷或錨桿被拉出才終止。

4）檢查錨桿施工質(zhì)量時(shí)，一般檢查錨桿拉拔力。 監(jiān)測(cè)分析錨桿工作情況時(shí)，測(cè)錨固力。測(cè)量錨固力是為了驗(yàn)證支護(hù)的可靠性，為以后修改支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 設(shè)計(jì)和施工時(shí)，必須保證錨桿拉拔力大于桿體破斷力這一基本原則，即錨桿桿體受力超過(guò)其破斷力后，錨桿可能被拉斷，但錨桿不能被拉出。 常見錯(cuò)誤是設(shè)計(jì)的錨桿拉拔力小于桿體破斷力。

5）施工、設(shè)計(jì)中錨固力與錨桿拉拔力經(jīng)常混淆、混用。二者混淆原因一方面是由于一些標(biāo)準(zhǔn)、教課書說(shuō)法不一，造成混亂；另一方面對(duì)二者內(nèi)涵認(rèn)識(shí)理解有誤，辨識(shí)不清。

2 預(yù)緊力和預(yù)緊力矩

預(yù)緊力和預(yù)緊力矩關(guān)系

1）二者有定性的關(guān)系，通常預(yù)緊力矩越大，預(yù)緊力越大，但非線性關(guān)系。

2）預(yù)緊力是力，是施加在錨桿（錨索）上的拉力，單位kN；預(yù)緊力矩是力矩，施加在壓緊螺母上，單位N·m。

3）二者測(cè)量?jī)x器不同。預(yù)緊力可以通過(guò)安裝在錨桿托盤與螺母間的錨桿測(cè)力計(jì)觀測(cè)；預(yù)緊力矩可以通過(guò)數(shù)字顯示或帶有刻度顯示的錨桿扭力扳手觀測(cè)。

4）錨桿施工設(shè)計(jì)要求的是預(yù)緊力，而不是預(yù)緊力矩。 但在實(shí)際施工中，由于預(yù)緊力矩測(cè)讀方便而預(yù)緊力測(cè)量相對(duì)復(fù)雜，且預(yù)緊力隨著預(yù)緊力矩增大而增大，為了檢測(cè)方便，通過(guò)直接檢測(cè)預(yù)緊力矩而達(dá)到間接檢測(cè)錨桿的預(yù)緊力的目的。因此，錨桿安裝時(shí)通常檢測(cè)預(yù)緊力矩，而不檢測(cè)預(yù)緊力。

5）增大錨桿預(yù)緊力方法可以從兩方面入手，一是提供足夠大的原動(dòng)力，二是上緊螺母。

3 預(yù)緊力的作用及要求

1）預(yù)緊力能夠發(fā)揮錨桿主動(dòng)支護(hù)作用，特別是在層狀巖層、破碎圍巖條件下，增大預(yù)緊力能夠改變圍巖性質(zhì)，防止圍巖破壞，保持圍巖穩(wěn)定，有利于對(duì)圍巖支護(hù)。

2）試驗(yàn)證明，如果頂板圍巖有整體離層冒落的趨勢(shì)時(shí)，只有預(yù)緊力大于潛在冒落圍巖重量時(shí)，才能阻止圍巖離層趨勢(shì)的出現(xiàn)和繼續(xù)發(fā)展，才能發(fā)揮錨桿主動(dòng)支護(hù)作用。

3）錨桿預(yù)緊力矩越大越好。 由于受錨桿施工機(jī)具限制，手動(dòng)錨桿安裝機(jī)具預(yù)緊力在100～200N·m，產(chǎn)生初錨力可達(dá)到10～20kN；機(jī)載錨桿機(jī)具預(yù)緊力可達(dá)200～300N·m，產(chǎn)生初錨力可達(dá)30kN。例如，一根長(zhǎng)度2.4m 的錨桿，間排距為800×800（mm）時(shí)，單根錨桿支護(hù)圍巖重量約3.5t。 由于受到錨桿安裝工藝、施工機(jī)具的限制，35kN 的預(yù)緊力較難達(dá)到。 所以定性說(shuō)：錨桿預(yù)緊力矩越大越好，以獲得較大的預(yù)緊力。

4）只有達(dá)到一定的預(yù)緊力后，錨桿才能發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)的作用，形成組合梁、組合板結(jié)構(gòu)。 隨著新的施工機(jī)具出現(xiàn)，預(yù)緊力將會(huì)逐漸增大，合適的預(yù)緊力范圍為：下限大于支護(hù)的圍巖重量，上限為錨桿屈服強(qiáng)度的70%。

5）現(xiàn)場(chǎng)常見問(wèn)題：一是，預(yù)緊力偏低，甚至為零，發(fā)揮不了錨桿主動(dòng)支護(hù)作用；二是，預(yù)緊力大小相差懸殊，造成錨桿受力不均。 使用機(jī)械快速安裝工藝，可避免上述問(wèn)題的發(fā)生。

4 錨桿設(shè)計(jì)問(wèn)題

錨桿設(shè)計(jì)時(shí)，一般是采用懸吊理論來(lái)計(jì)算錨桿的直徑，這種設(shè)計(jì)理念在礦壓小、圍巖運(yùn)動(dòng)方向與錨桿平行的條件下適用，但在高應(yīng)力、圍巖運(yùn)動(dòng)方向與錨桿方向不一致時(shí)則受到限制。 例如，一些高應(yīng)力巷道整修時(shí)發(fā)現(xiàn)，一些錨桿被擠壓變形成為類似汽車搖把“造”型，平行于錨桿的觀測(cè)鉆孔發(fā)生錯(cuò)位等現(xiàn)象。 這些現(xiàn)象說(shuō)明，錨桿的受力方向非常復(fù)雜，既有沿錨桿軸向的力，也有與錨桿方向垂直或成一定角度的剪切應(yīng)力，因此選擇錨桿強(qiáng)度時(shí)必須綜合各方面因素，不僅要考慮錨桿拉伸強(qiáng)度，還要考慮剪切強(qiáng)度，特別是高應(yīng)力條件下，如果只考慮錨桿拉伸強(qiáng)度，所選的錨桿直徑必然偏小，強(qiáng)度偏低，造成支護(hù)失敗。

根據(jù)多年錨桿支護(hù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和對(duì)錨桿支護(hù)機(jī)理的研究分析，獲得錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)理念為：Ⅰ、Ⅱ類圍巖巷道條件，壓力小時(shí)，應(yīng)用懸吊理論指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工；Ⅲ、Ⅳ類圍巖巷道條件，壓力中等時(shí)，應(yīng)用組合梁、組合拱理論指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工；Ⅴ類圍巖巷道條件，壓力大時(shí)，應(yīng)用圍巖強(qiáng)化理論指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工。

5 錨桿制作和檢測(cè)中存在的問(wèn)題

5.1 錨桿螺紋段強(qiáng)度低

標(biāo)準(zhǔn)MT146.2-2002 規(guī)定： 錨桿尾部螺紋承載力不低于桿體的屈服強(qiáng)度，桿體延伸率不低于15%。以直徑20mm、長(zhǎng)2200mm 錨桿為例，錨桿檢測(cè)數(shù)據(jù)如下表所示：

從表中可以看出，錨桿各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均符合MT146.2-2002 標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)結(jié)果錨桿各參數(shù)均合格，檢測(cè)結(jié)論“錨桿合格”。 但在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，錨桿受力達(dá)到130kN 時(shí)，許多錨桿從螺紋處斷裂，此時(shí)圍巖變形量不超過(guò)100mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于錨桿延伸率30%的許可變形量，且錨桿受力遠(yuǎn)小于其破斷力，出現(xiàn)了“合格錨桿”不合格的問(wèn)題。為什么“合格錨桿”不能適應(yīng)巷道變形？通過(guò)試驗(yàn)室錨桿拉伸試驗(yàn)，當(dāng)錨桿受力130kN時(shí)，桿體延伸率僅僅2%，再增大載荷，錨桿將從螺紋段斷裂，因此所謂桿體延伸率30%不是代表整套錨桿的延伸率，整根錨桿延伸率應(yīng)該只有2%。 要想達(dá)到整根錨桿30%的延伸率，必須增大錨桿螺紋段強(qiáng)度，使錨桿各處強(qiáng)度相等。一根合格的錨桿在受力后，應(yīng)經(jīng)過(guò)如下過(guò)程：圍巖變形→錨桿受力后被拉伸→圍巖中積聚的能量隨圍巖變形而釋放→圍巖變形量達(dá)到一定程度后→錨桿變形量超過(guò)其容許量——錨桿受力達(dá)到破斷強(qiáng)度而斷裂——支護(hù)失效。 如果錨桿制作有缺陷，存在弱面、螺紋段強(qiáng)度低等問(wèn)題，在圍巖發(fā)生輕微變形時(shí)，錨桿因螺紋段（弱面）先達(dá)到破斷極限而斷裂，此時(shí)錨桿延伸量非常小，錨桿不能經(jīng)過(guò)“錨桿拉伸→圍巖應(yīng)力釋放、卸壓”的過(guò)程，而是在受力后，錨桿迅速被拉斷，失去對(duì)圍巖的支護(hù)作用。 因此錨桿尾部螺紋承載力不應(yīng)低于桿體的破斷強(qiáng)度的95%，在做錨桿延伸率檢測(cè)時(shí)，包括螺紋段在內(nèi)的整個(gè)錨桿桿體延伸率應(yīng)不低于15%，這樣桿體強(qiáng)度和延伸率兩項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)才合格，錨桿才能適應(yīng)高應(yīng)力、大變形圍巖支護(hù)需要。

5.2 錨桿配件強(qiáng)度低

錨桿制作時(shí)，常出錨桿配件強(qiáng)度低的問(wèn)題。 表現(xiàn)為，在高應(yīng)力巷道，錨桿受力后出現(xiàn)螺母穿透托盤、錨桿螺母滑絲、螺母被壓裂等問(wèn)題。因此，在錨桿制作時(shí)，做到錨桿配件強(qiáng)度高于桿體強(qiáng)度。

5.3 錨桿制作、檢測(cè)要求

隨著對(duì)錨桿支護(hù)認(rèn)識(shí)的深入和錨桿制作工藝水平的提高，錨桿檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)亟待完善：

1）合格錨桿必須綜合考慮錨桿各部位、部件后綜合做結(jié)論，不能分割開來(lái)，否則錨桿檢測(cè)時(shí)將出現(xiàn)各分項(xiàng)都合格，而綜合結(jié)果卻不合格問(wèn)題；

2）檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中錨桿配件需要從不低于屈服強(qiáng)度提高到不低于桿體實(shí)際的破斷強(qiáng)度。

如果不能滿足上面兩方面要求， 在高應(yīng)力大變形圍巖條件下，錨桿支護(hù)不能發(fā)揮應(yīng)有的作用，起不到讓壓、卸壓作用，滿足不了工程需要，將存在極大隱患。因此在高應(yīng)力條件必須使用等強(qiáng)錨桿，高度重視錨桿制作質(zhì)量，才能充分發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用。

6 結(jié)論

錨桿支護(hù)技術(shù)在過(guò)去的幾十年中，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展、完善，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已經(jīng)成為礦山支護(hù)的主要技術(shù)手段。 隨著對(duì)錨桿支護(hù)機(jī)理的深入研究、施工工藝、施工設(shè)備的改善和新材料的應(yīng)用，錨桿支護(hù)理論將不斷更新，錨桿制作、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)將不斷提高，以適應(yīng)更加復(fù)雜了礦山條件。