煤矿锚杆支护应用过程中存在问题浅析

摘要：本文列举了锚杆支护常规概念、设计制作等方面存在的问题，通过理论分析、现场实践和材料试验，提出了解决问题的一些观点及方法。

关键词：锚固力 拉拔力 预紧力 预紧力矩 锚杆制作及检测

锚杆支护是当前煤矿采准巷道采用的一种有效的主动支护方式，由于其具有显著提高围岩稳定性、成巷速度快、劳动强度低、提高巷道断面利用率、简化回采工作面端头工艺、明显改善作业环境和安全生产条件等优势，得到了广泛的推广和应用。但在应用过程中还存在一些认识上的模糊，具体表现如下。

一. 锚固力与锚杆拉拔力

1.1定义

锚固力指锚杆对围岩产生的约束力，分为锚杆工作锚固力和设计锚固力。锚杆工作锚固力包括初锚力和正常工作时的锚固力，通常说的锚固力指锚杆正常工作时的锚固力。

拉拔力是指阻止锚杆从岩体中拔出的力，分为设计和检测拉拔力，通常指设计拉拔力，其值应大于锚杆破断力。拉拔力通常用于锚杆施工质量检测，其值应不小于设计锚固力。

1.2锚杆锚固力与拉拔力区别

① 锚杆锚固力是锚杆对围岩产生的约束力，是限制围岩变形，起支护作用的力。拉拔力是锚杆锚固后拉拔实验时，所能承受的极限载荷，反映的是杆体、锚固剂、岩石粘结到一起后，锚杆破断或失效的最大拉力。

② 锚杆锚固力随着被支护围岩变形、膨胀而增大，是一个动态并不断变化的力。锚杆拉拔力是一个固定值，不随围岩变形和锚杆受力而改变。

③ 锚杆锚固力检测使用锚杆测力计，检测锚固力是为了监测锚杆受力状况。锚杆拉拔力检测使用锚杆拉力计，检测拉拔力是为了查验锚杆杆体、锚固剂、岩石三者之间粘结程度。

④ 检查锚杆施工质量时，一般检查锚杆拉拔力。监测分析锚杆工作情况时测锚固力，测量锚固力是为了验证支护的可靠性，为以后修改支护设计提供依据。设计和施工时，必须保证锚杆拉拔力大于杆体破断力这一基本原则，但常见错误是设计的锚杆拉拔力小于杆体破断力。

⑤ 施工、设计中锚杆锚固力与拉拔力经常混淆。一方面是由于一些标准、教科书说法不一，造成混乱；另一方面对二者内涵认识理解有误，辨识不清。

二. 预紧力和预紧力矩

2.1定义

预紧力也称初锚力，在安装锚杆（锚索）时，通过拧紧螺母或采用张拉方法施加在锚杆（锚索）上的拉力，单位kN。预紧力矩是拧紧螺母使锚杆达到设计预紧力时，施加到螺母上的力矩，单位N•m。

2.2预紧力和预紧力矩关系

① 二者有定性的关系，通常预紧力矩越大，预紧力越大，但非线性关系。

② 预紧力是力，是施加在锚杆（锚索）上的拉力，单位kN；预紧力矩是力矩，施加在压紧螺母上，单位N•m。

③ 二者测量仪器不同。预紧力通过锚杆测力计观测，预紧力矩可以通过扭力扳手观测。

④ 锚杆施工设计要求的是预紧力，而不是预紧力矩。但在实际施工过程中，由于预紧力矩测读方便，且预紧力随着预紧力矩增大而增大，通过直接检测预紧力矩就能达到间接检测锚杆预紧力的目的。因此，锚杆安装时通常检测预紧力矩。

三. 预紧力的作用及要求

① 预紧力能够发挥锚杆主动支护作用，特别是在层状岩层、破碎围岩条件下，增大预紧力能够改变围岩性质，保持围岩稳定，有利于对围岩支护。

② 试验证明，如果顶板围岩有整体离层冒落的趋势时，只有预紧力大于潜在冒落围岩重量时，才能阻止围岩离层趋势的出现和继续发展，才能发挥锚杆主动支护作用。

③ 锚杆预紧力矩越大越好。由于受锚杆施工机具限制，手动锚杆安装机具预紧力在100～200N•m，产生初锚力可达到10～20kN；机载锚杆机具预紧力可达200～300N•m，产生初锚力可达30 kN。例如，一根长度2.4m的锚杆，间排距为800×800（mm）时，单根锚杆支护围岩重量约3.5t。由于受到锚杆安装工艺、施工机具的限制，35 kN的预紧力较难达到。所以定性说：锚杆预紧力矩越大越好，以获得较大的预紧力。

④锚杆能够有效发挥主动支护作用，只有当预紧力达到一定程度后，才能使受支护岩层形成组合梁或组合拱结构。合适的预紧力范围为：下限大于被支护围岩的重量，上限为锚杆屈服强度的70％。

⑤ 施工过程中常见问题：由于存在人工手动安装和机械安装两种方式，导致锚杆预紧力大小相差悬殊，造成锚杆受力不均，发挥不了锚杆主动支护作用。所以提倡使用机械安装工艺，从根本上避免上述问题的存在。

四. 锚杆设计存在的问题

锚杆设计时，一般是采用悬吊理论来计算锚杆的直径，这种设计理念在矿压小、围岩运动方向与锚杆平行的条件下适用，但在高应力、围岩运动方向与锚杆方向不一致时则受到限制。例如，一些高应力巷道整修时发现，一些锚杆被挤压变形，平行于锚杆的观测钻孔发生错位等现象，充分说明锚杆的受力方向非常复杂，既有轴向应力又有剪切应力。因此在选择锚杆强度时，不仅要考虑锚杆拉伸强度，还要考虑剪切强度，特别是高应力条件下，如果只考虑锚杆拉伸强度，所选的锚杆直径必然偏小，强度偏低，造成支护失败。

五. 锚杆制作和检测存在的问题

5.1锚杆螺纹段强度低

标准MT146.2-2002规定：锚杆尾部螺纹承载力不低于杆体的屈服强度，杆体延伸率不低于15％。我们以直径20mm、长2200mm锚杆为例，试验室对锚杆各项指标进行了多次检测，结果均符合MT146.2-2002标准，评定为“合格”。但在施工现场监测时发现，锚杆受力达到130kN时，许多锚杆从螺纹处断裂，此时围岩变形量不超过100mm，远远小于锚杆延伸率30％的许可变形量，且锚杆受力远小于其破断力，出现了检测“合格”锚杆现场使用不合格的问题。通过试验室锚杆拉伸试验发现，当锚杆受力达到130kN时，杆体延伸率仅2％，继续增大载荷，锚杆从螺纹相接处断裂。试验结果证实所谓杆体延伸率30％不是代表整根锚杆的延伸率，整根锚杆延伸率应该只有2％，要想达到整根锚杆30％的延伸率，必须增大锚杆螺纹段强度，使杆体各处等强。如果锚杆制作存在弱面、螺纹段强度低等问题，当围岩发生轻微变形时，锚杆先达到破断极限而断裂，失去支护作用。因此锚杆尾部螺纹承载力不应低于杆体的破断强度的95％，在做锚杆延伸率检测时，包括螺纹段在内的整个锚杆杆体延伸率应不低于15％，这样杆体强度和延伸率两项检测指标才合格，锚杆才能适应高应力围岩支护需要。

5.2锚杆配件强度低

锚杆制作时，常出锚杆配件强度低的问题。表现为，在高应力巷道，锚杆受力后出现螺母穿透托盘、锚杆螺母滑丝、螺母被压裂等问题。因此，在锚杆制作时，做到锚杆配件强度高于杆体强度。

5.3锚杆制作、检测要求

随着对锚杆支护认识的深入和锚杆制作工艺水平的提高，锚杆检测标准亟待完善：

① 合格锚杆必须综合考虑锚杆各部位、部件后综合做结论，否则锚杆检测时将出现各分项都合格，而综合结果却不合格问题。

② 检测标准中锚杆配件需要从不低于屈服强度提高到不低于杆体实际的破断强度。

六.结论

锚杆支护技术在过去的几十年中，经过不断发展、完善，应用范围不断扩大，已经成为矿山支护的主要技术手段。随着对锚杆支护机理的深入研究、施工工艺、施工设备的改善和新材料的应用，锚杆支护理论将不断更新，锚杆制作、检测标准将不断提高，以适应更加复杂的矿山条件。