錨桿失效原因分析及其控制

【摘 要】隨著錨桿支護已被煤礦掘巷廣泛應用，在發揮錨桿支護技術眾多優點的同時，這種支護在實際過程中也存在著一些問題，如在選擇支護理論方式的確定，錨桿材質、長度、間排距、地質條件、爆破方法，施工質量等錨桿失效幾方面原因進行分析，得出合理確定錨桿參數，合理匹配錨固劑及桿體直徑之間的尺寸，確定錨固力，是控制錨桿失效的幾個途徑。

【關鍵詞】錨桿長度；錨桿間排距；錨固力；失效

0.引言

巷道支護是煤礦生產的基礎，是生產、運輸、通風、安全的根本保障，錨桿支護是經歷了多次改革而得到科學認證的控制圍巖有效的支護方式，并得到廣泛應用和發展，但在錨桿支護的實際應用中，在發揮錨桿支護技術眾多優點的同時，也存在需要解決的問題，以杏花煤礦東采區中部層施工的30#左四下巷采用螺紋鋼樹脂錨桿支護，在回采期間出現巷道變形嚴重，出現錨桿體被拉斷，出現巷道頂板開裂，兩幫片幫嚴重均是巷道失穩的結果，而產生巷道失穩的重要原因是失效錨桿的存在，其表現形式為桿體拉斷，托盤失效，粘接破壞，錨桿失效，局部圍巖破壞造成的錨空失效等。

下面結合煤層巷道支護狀況分析失效錨桿產生的原因和降低錨桿失效的幾點辦法。

1.地質概況

東采區可采煤層28#、30#，現開采深度-740米，其煤層頂底板巖性較穩定。

2.錨桿失效的原因及分析

2.1錨桿失效的原因

（1）錨桿支護參數設計不合理。

（2）地質條件因素的影響。

（3）巷道開掘方式（即爆破）的影響。

（4）支護材質。

（5）施工工藝中的人為因素的影響

2.2分析原因

2.2.1支護材質及長度、間、排距的確定

錨桿支護的作用機現有懸吊作用，組全梁作用、加固拱作用和圍巖補強、減少跨度作用，但在巷道幫支護機理為圍巖補強。依據巖石分類及支護形式對應關系，該巷道支護機現為錨桿懸吊理論。

以東采30#左四下巷為例，頂板支護依據懸吊理論計算錨桿各支護參數：

該巷道寬3.8米，高3.0米，采用?28×350mm樹脂藥卷端錨，打眼機具為

錨桿長度的確定，通常有兩種方法，一是確定巷道頂板松動圈的高度，另一方法是當頂板一定范圍內堅固穩定巖層的位置易于確定，有效長度大于或等于被懸吊巖層的厚度。

（1）錨桿長度：

L=K×H+L1+L2=2.0×0.5+0.3+0.04=1.35（米）

式中：L——錨桿長度。

K——安全系數，取2.0。

L1——錨桿錨入穩定巖層厚度， 取0.3。

L2——錨桿外露長度， 取0.04。

（2）錨桿直徑：

根據桿體實際長度與安全系數的確定：

d===18.18（㎜）

式中：d——錨桿直徑。

L——錨桿實際長度。

（3）錨桿間、排距。

依據每根錨桿懸吊巖石載荷大小確定錨桿間、排距：

D≤==1.58（米）

式中：D ——錨桿間排距。

Q——錨桿錨固力，取5噸。

K——安全系數，取2.0。

H——軟弱巖層厚度；取0.5米。

r——巖石平均容重；取2.5T/m3。

根據計算，所需錨桿長度1.35米，錨桿間排距1.58米，錨桿直徑14.55㎜；實際材質選用?18mm螺紋鋼錨桿，長度為1.6m，錨桿間排距1.2×1.0m。

以上述計算表明：計算結果雖然可以滿足支護要求，但沒有考慮松動圈理論進行計算錨桿長度。是產生錨桿失效的原因之一。

在錨桿的支護密度方面，巖層穩定程度、完整程度不同，支護密度也應該有所區別。因為，錨桿在施工時，錨桿的錨固力還是有差別的，形成錨桿單個作用，在不同錨固力的錨桿的作用下，會使頂板受到剪切而損壞，不能形成完整的支護體。在同等巖性的條件下，每根錨桿的支護半徑不同，這就要求有合適的支護密度。如果錨桿密度過大，不但不會加強錨桿的支護效果，還會對頂板造成破壞。錨桿密度過小，則達不到應有的支護效果。

由此看出，錨桿支護設計不合理，很難保證錨桿的支護效果，所以，在施工過程中要根據實際情況，及時地修定錨桿支護設計參數。

2.2.2地質條件及爆破因素的影響

東一采區30#煤層煤質相對較硬，但頂板為28#采空區，層間距為8米，在掘進中由于受壓力影響，施工后的巷道兩幫片幫嚴重，兩幫片幫深度0.1-0.3米，炮掘時受炮轟波對錨桿附近圍巖的沖擊，局部錨桿出現螺母松動，預應力達不到設計要求，導致錨桿失效。因此及層、節理發育不能實現光爆及受上部采動壓力影響，煤層深度及風化脫落是錨桿失效的原因之一。

2.2.3施工質量因素

錨桿支護的施工工藝較繁瑣，人為因素多，如錨桿直徑的選擇要做到“三徑匹配”，即錨桿直徑、鉆孔直徑、鉆頭直徑三者匹配。三徑不匹配，錨桿的錨固長度、錨桿和圍巖的結合程度就會偏離設計值，降低錨桿的承載力，當圍巖來壓時，錨桿易造成失效。錨桿眼內粉末的處理程度，樹脂藥卷攪拌時間的控制，錨桿眼的角度，水及油脂對錨固劑的影響，緊固設備的失效，錨桿預應力的大小及初錨力的大小，托盤與巖面接觸的緊密程度。每一道工藝的實施對錨桿支護質理的影響均較大，眾多的人為因素是易出現偏差導致錨桿失效，因此說工藝誤操作導致錨桿失效的概率很大。

綜上分析，支護材質的選定及錨桿間、排距的確定，合理與否是避免錨桿失效的關鍵，施工工藝及機具與支護材料的匹配，地質條件是錨桿是否出現粘結破壞，錨空失效關鍵。

3.降低錨桿失效的基本途徑

（1）上述分析中，運用錨桿懸吊理論計算結果及松動圈理論表明，不同的巷道斷面不同的圍巖性質在確定錨桿支護參數時，要依據理論計算，對支護參數加以修下，不可千篇一律，合理確定錨桿參數，可避免或減少錨桿失效。

（2）巷道開掘后，巷道圍巖中應力狀態，由原來的三向應力變成二向應力，頂板下位巖層受水平應力作用，巖層容易失穩破壞，錨桿的作用就是在失去一向應力的方向上，給巖層提供一個約束力，來提高巖石強度，使巖層形成能承載的支護結構。

（3）由于爆破后對錨桿質量的影響很大，因此提高掘進機械化程度，炮掘后及時對原錨桿支護進行二次緊固，從而減少錨桿的失效率。

（4）合理匹配錨桿直徑、鉆孔直徑、鉆頭直徑三者之間的尺寸，通過試驗的方式選取錨固力最大的三者匹配關系，施工工藝中的人為因素，一是通過引進設備，減少人為因素。另一方法通過嚴格的操作培訓，提高員工的業務素質，把誤操作降低到最小化，從而降低錨桿失效率。

（5）配齊各種檢測工具，如錨桿拉力計、力矩搬手等，確保小班的施工質量驗收。

建立完善的小班質量驗收和專職工程師質量把關制度，使錨桿施工質量有管理、有檢測、有記錄、有落實。煤巷錨桿支護各項施工工藝必須嚴格按照掘進工作面作業規程的有關規定進行，錨桿安裝角度、間排距、錨桿的有效支護長度、錨固長度、錨桿距工作面距離必須嚴格按規程施工。建立完善的煤巷錨桿支護的礦壓監測制度，評價支護效果，加強日常監測，及時修正錨桿設計，有效地避免因錨桿后期失效而造成的頂板事故。

4.結語

通過上述對錨桿失效原因分析及控制可知，合理地設計錨桿參數，并根據地質變化及時變更錨桿支護設計、加強對錨桿支護材質的檢測、加強施工管理和施工人員的技能培訓，對于逐步降低錨桿失效率，提高錨桿支護巷道支護質量。