淺談煤礦巷道錨桿—錨索聯合支護失效的原因

引言
　　煤礦巷道的錨桿支護，具有勞動強度低、支護效果好和成本低的特點，因此被廣泛使用。但是，當前仍有不少人對錨桿-錨索聯合支護作用機理的認識不清，尤其是煤巷施工，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。多數人認為，錨桿與錨索的“懸吊理論”，將頂板松動區巖石通過錨索懸吊于深部穩定巖層上，從而達到支護效果。實際中并非如此，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，其實并沒有充分發揮錨索的工程特性作用。
　　2 錨桿-錨索聯合支護機理
　　錨桿-錨索聯合支護，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，一是提高錨桿支護體的支護強度，使圍巖變形破壞得到控制；二是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。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，增強了錨巖支護體的承載能力，避免圍巖發生破壞。軟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，主要靠錨桿的柔性支護，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，只是相互取長補短，這樣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。
　　3 支護失效原因分析
　　為弄清錨桿-錨索聯合支護失效的原因，將聯合支護這一整體進行分解，先對錨桿的失效進行分析，再分析聯合支護失效的原因。
　　1）錨桿失效原因。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，得出了導致錨桿支護失敗的根本原因：①施工管理水平差。技術力量薄弱、管理人員輕視、施工管理制度不完善及責任心不強等，會直接導致產生安全隱患。②設計不合理。分支護型式和支護參數不合理。前者由于圍巖分類錯誤、地質調查不全面、支護對象不明確、支護方法不正確及支護不及時。后者是由錨桿排列方向順序不正確、錨桿長度不夠、錨桿間排距不合理及“三徑”不匹配導致的。③監測效果差。如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，加上責任心不強等。監測不到位等問題，留下了安全隱患。④錨桿質量不合格。分桿體質量和配套機具不合格。前者主要是材料強度不夠，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。較軟煤壁上該使用玻璃鋼錨桿支護，卻使用了木錨桿；錨桿質量差。而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。
　　2）聯合支護失效原因。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。錨索力學指標在實際應用中與實驗設計結果相差太遠，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。
　?、兕A應力錨索工程特性。使用預應力錨索配合錨桿對煤巷進行支護時，應用到兩個重要指標—錨索的承載能力（或破斷力Fms）和錨索的延伸量Δl。當前，錨索的支護與設計沒有技術規范可循，實際設計時大多應用懸吊理論進行并檢驗。因此，僅考慮錨索的破斷力這一指標卻忽視了錨索延伸量。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第一位，其次才考慮錨索的承載能力。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：ηa≥0.95，εapu≥2.0%；對于使用1×7結構的1860MPa級別鋼絞線，以上兩項條件可寫成：Fapu≥245.19KN，εapu≥2.0%。根據以上分析，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：Fms≥221KN，εms≥1.8%。
　　這里兩項要求僅是對錨索在巷道支護中正常使用應該達到的錨固參數，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。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，可利用的延伸率為：εl=（1.8-Fy/A）%，式中Fy為錨索預緊力（kN）；A為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100kN，可利用于適應巷道圍巖變形的延伸率為：εl=（1.8-100/221）%=1.35%。顯然，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應用不直觀，所以常使用錨索延伸量這一指標。
　　從上得到預應力錨索的兩個重要的工程指標： Fms≥221KN，Δl≥（1.8-Fy/221）%×L，式中：Δl為錨索工程延伸量；L為錨索自由段長度。根據此時，可在設計時考慮延伸量在錨索適應圍巖變形情況。一般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。
　?、谑г颉ｅ^桿-錨索聯合支護失效的主要原因是設計與實際不匹配。主要原因：雖然錨固劑錨固強度符合要求，但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?。皇┕r使用的錨索比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，導致預緊時在孔口位置處造成每根鋼筋受力不均；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抗拉強度時，使各條鋼筋逐根破斷；巷道有動載影響時，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。
　　從以上看出，預應力錨索破斷的主要原因是鋼絞線各股鋼筋受力不均，也就是單根鋼絞線已經破斷時，部分鋼筋未達到屈服極限。因此，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。顯然，設計錨索支護時按鋼絞線鋼材延伸率考慮是片面的。另外，錨桿的間排距、錨桿力學性能的參數選擇，可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。同時，三徑匹配上也要仔細選擇合理配置。煤礦支護應遵循科學的方法，要提高隱患排查意識，保障既能滿足生產的安全，又能避免支護材料的浪費。
　　4 結束語
　　根據分析，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。避免措施：提高錨索的力學特性和改善支護工藝。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。而改善支護工藝主要是使錨索適應圍巖的變形。