煤礦錨桿支護應用過程中存在問題淺析

錨桿支護是當前煤礦采準巷道采用的一種有效的主動支護方式，由于其具有顯著提高圍巖穩定性、成巷速度快、勞動強度低、提高巷道斷面利用率、簡化回采工作面端頭工藝、明顯改善作業環境和安全生產條件等優勢，得到了廣泛的推廣和應用。但在應用過程中還存在一些認識上的模糊，具體表現如下。

　　一. 錨固力與錨桿拉拔力

　　1.1定義

　　錨固力指錨桿對圍巖產生的約束力，分為錨桿工作錨固力和設計錨固力。錨桿工作錨固力包括初錨力和正常工作時的錨固力，通常說的錨固力指錨桿正常工作時的錨固力。

　　拉拔力是指阻止錨桿從巖體中拔出的力，分為設計和檢測拉拔力，通常指設計拉拔力，其值應大于錨桿破斷力。拉拔力通常用于錨桿施工質量檢測，其值應不小于設計錨固力。

　　1.2錨桿錨固力與拉拔力區別

　?、?錨桿錨固力是錨桿對圍巖產生的約束力，是限制圍巖變形，起支護作用的力。拉拔力是錨桿錨固后拉拔實驗時，所能承受的極限載荷，反映的是桿體、錨固劑、巖石粘結到一起后，錨桿破斷或失效的最大拉力。

　　② 錨桿錨固力隨著被支護圍巖變形、膨脹而增大，是一個動態并不斷變化的力。錨桿拉拔力是一個固定值，不隨圍巖變形和錨桿受力而改變。

　　③ 錨桿錨固力檢測使用錨桿測力計，檢測錨固力是為了監測錨桿受力狀況。錨桿拉拔力檢測使用錨桿拉力計，檢測拉拔力是為了查驗錨桿桿體、錨固劑、巖石三者之間粘結程度。

　　④ 檢查錨桿施工質量時，一般檢查錨桿拉拔力。監測分析錨桿工作情況時測錨固力，測量錨固力是為了驗證支護的可靠性，為以后修改支護設計提供依據。設計和施工時，必須保證錨桿拉拔力大于桿體破斷力這一基本原則，但常見錯誤是設計的錨桿拉拔力小于桿體破斷力。

　?、?施工、設計中錨桿錨固力與拉拔力經常混淆。一方面是由于一些標準、教科書說法不一，造成混亂；另一方面對二者內涵認識理解有誤，辨識不清。

　　二. 預緊力和預緊力矩

　　2.1定義

　　預緊力也稱初錨力，在安裝錨桿（錨索）時，通過擰緊螺母或采用張拉方法施加在錨桿（錨索）上的拉力，單位kN。預緊力矩是擰緊螺母使錨桿達到設計預緊力時，施加到螺母上的力矩，單位N?m。

　　2.2預緊力和預緊力矩關系

　?、?二者有定性的關系，通常預緊力矩越大，預緊力越大，但非線性關系。

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

　　③ 二者測量儀器不同。預緊力通過錨桿測力計觀測，預緊力矩可以通過扭力扳手觀測。

　?、?錨桿施工設計要求的是預緊力，而不是預緊力矩。但在實際施工過程中，由于預緊力矩測讀方便，且預緊力隨著預緊力矩增大而增大，通過直接檢測預緊力矩就能達到間接檢測錨桿預緊力的目的。因此，錨桿安裝時通常檢測預緊力矩。

　　三. 預緊力的作用及要求

　　① 預緊力能夠發揮錨桿主動支護作用，特別是在層狀巖層、破碎圍巖條件下，增大預緊力能夠改變圍巖性質，保持圍巖穩定，有利于對圍巖支護。

　?、?試驗證明，如果頂板圍巖有整體離層冒落的趨勢時，只有預緊力大于潛在冒落圍巖重量時，才能阻止圍巖離層趨勢的出現和繼續發展，才能發揮錨桿主動支護作用。

　?、?錨桿預緊力矩越大越好。由于受錨桿施工機具限制，手動錨桿安裝機具預緊力在100～200N?m，產生初錨力可達到10～20kN；機載錨桿機具預緊力可達200～300N?m，產生初錨力可達30 kN。例如，一根長度2.4m的錨桿，間排距為800×800（mm）時，單根錨桿支護圍巖重量約3.5t。由于受到錨桿安裝工藝、施工機具的限制，35 kN的預緊力較難達到。所以定性說：錨桿預緊力矩越大越好，以獲得較大的預緊力。

　?、苠^桿能夠有效發揮主動支護作用，只有當預緊力達到一定程度后，才能使受支護巖層形成組合梁或組合拱結構。合適的預緊力范圍為：下限大于被支護圍巖的重量，上限為錨桿屈服強度的70％。

　?、?施工過程中常見問題：由于存在人工手動安裝和機械安裝兩種方式，導致錨桿預緊力大小相差懸殊，造成錨桿受力不均，發揮不了錨桿主動支護作用。所以提倡使用機械安裝工藝，從根本上避免上述問題的存在。

　　四. 錨桿設計存在的問題

　　錨桿設計時，一般是采用懸吊理論來計算錨桿的直徑，這種設計理念在礦壓小、圍巖運動方向與錨桿平行的條件下適用，但在高應力、圍巖運動方向與錨桿方向不一致時則受到限制。例如，一些高應力巷道整修時發現，一些錨桿被擠壓變形，平行于錨桿的觀測鉆孔發生錯位等現象，充分說明錨桿的受力方向非常復雜，既有軸向應力又有剪切應力。因此在選擇錨桿強度時，不僅要考慮錨桿拉伸強度，還要考慮剪切強度，特別是高應力條件下，如果只考慮錨桿拉伸強度，所選的錨桿直徑必然偏小，強度偏低，造成支護失敗。

　　五. 錨桿制作和檢測存在的問題

　　5.1錨桿螺紋段強度低

　　標準MT146.2-2002規定：錨桿尾部螺紋承載力不低于桿體的屈服強度，桿體延伸率不低于15％。我們以直徑20mm、長2200mm錨桿為例，試驗室對錨桿各項指標進行了多次檢測，結果均符合MT146.2-2002標準，評定為“合格”。但在施工現場監測時發現，錨桿受力達到130kN時，許多錨桿從螺紋處斷裂，此時圍巖變形量不超過100mm，遠遠小于錨桿延伸率30％的許可變形量，且錨桿受力遠小于其破斷力，出現了檢測“合格”錨桿現場使用不合格的問題。通過試驗室錨桿拉伸試驗發現，當錨桿受力達到130kN時，桿體延伸率僅2％，繼續增大載荷，錨桿從螺紋相接處斷裂。試驗結果證實所謂桿體延伸率30％不是代表整根錨桿的延伸率，整根錨桿延伸率應該只有2％，要想達到整根錨桿30％的延伸率，必須增大錨桿螺紋段強度，使桿體各處等強。如果錨桿制作存在弱面、螺紋段強度低等問題，當圍巖發生輕微變形時，錨桿先達到破斷極限而斷裂，失去支護作用。因此錨桿尾部螺紋承載力不應低于桿體的破斷強度的95％，在做錨桿延伸率檢測時，包括螺紋段在內的整個錨桿桿體延伸率應不低于15％，這樣桿體強度和延伸率兩項檢測指標才合格，錨桿才能適應高應力圍巖支護需要。

　　5.2錨桿配件強度低

　　錨桿制作時，常出錨桿配件強度低的問題。表現為，在高應力巷道，錨桿受力后出現螺母穿透托盤、錨桿螺母滑絲、螺母被壓裂等問題。因此，在錨桿制作時，做到錨桿配件強度高于桿體強度。

　　5.3錨桿制作、檢測要求

　　隨著對錨桿支護認識的深入和錨桿制作工藝水平的提高，錨桿檢測標準亟待完善：

　?、?合格錨桿必須綜合考慮錨桿各部位、部件后綜合做結論，否則錨桿檢測時將出現各分項都合格，而綜合結果卻不合格問題。

　　② 檢測標準中錨桿配件需要從不低于屈服強度提高到不低于桿體實際的破斷強度。

　　六.結論

　　錨桿支護技術在過去的幾十年中，經過不斷發展、完善，應用范圍不斷擴大，已經成為礦山支護的主要技術手段。隨著對錨桿支護機理的深入研究、施工工藝、施工設備的改善和新材料的應用，錨桿支護理論將不斷更新，錨桿制作、檢測標準將不斷提高，以適應更加復雜的礦山條件。