煤礦錨桿支護(hù)應(yīng)用過(guò)程中存在問(wèn)題淺析

錨桿支護(hù)是當(dāng)前煤礦采準(zhǔn)巷道采用的一種有效的主動(dòng)支護(hù)方式，由于其具有顯著提高圍巖穩(wěn)定性、成巷速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低、提高巷道斷面利用率、簡(jiǎn)化回采工作面端頭工藝、明顯改善作業(yè)環(huán)境和安全生產(chǎn)條件等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。但在應(yīng)用過(guò)程中還存在一些認(rèn)識(shí)上的模糊，具體表現(xiàn)如下。

　　一. 錨固力與錨桿拉拔力

　　1.1定義

　　錨固力指錨桿對(duì)圍巖產(chǎn)生的約束力，分為錨桿工作錨固力和設(shè)計(jì)錨固力。錨桿工作錨固力包括初錨力和正常工作時(shí)的錨固力，通常說(shuō)的錨固力指錨桿正常工作時(shí)的錨固力。

　　拉拔力是指阻止錨桿從巖體中拔出的力，分為設(shè)計(jì)和檢測(cè)拉拔力，通常指設(shè)計(jì)拉拔力，其值應(yīng)大于錨桿破斷力。拉拔力通常用于錨桿施工質(zhì)量檢測(cè)，其值應(yīng)不小于設(shè)計(jì)錨固力。

　　1.2錨桿錨固力與拉拔力區(qū)別

　?、?錨桿錨固力是錨桿對(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。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。

　?、?錨桿錨固力隨著被支護(hù)圍巖變形、膨脹而增大，是一個(gè)動(dòng)態(tài)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。

　?、?錨桿錨固力檢測(cè)使用錨桿測(cè)力計(jì)，檢測(cè)錨固力是為了監(jiān)測(cè)錨桿受力狀況。錨桿拉拔力檢測(cè)使用錨桿拉力計(jì)，檢測(cè)拉拔力是為了查驗(yàn)錨桿桿體、錨固劑、巖石三者之間粘結(jié)程度。

　?、?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，但常見(jiàn)錯(cuò)誤是設(shè)計(jì)的錨桿拉拔力小于桿體破斷力。

　?、?施工、設(shè)計(jì)中錨桿錨固力與拉拔力經(jīng)?；煜?。一方面是由于一些標(biāo)準(zhǔn)、教科書(shū)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。

　　二. 預(yù)緊力和預(yù)緊力矩

　　2.1定義

　　預(yù)緊力也稱初錨力，在安裝錨桿（錨索）時(shí)，通過(guò)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(yù)緊力矩是擰緊螺母使錨桿達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)緊力時(shí)，施加到螺母上的力矩，單位N?m。

　　2.2預(yù)緊力和預(yù)緊力矩關(guān)系

　?、?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)緊力通過(guò)錨桿測(cè)力計(jì)觀測(cè)，預(yù)緊力矩可以通過(guò)扭力扳手觀測(cè)。

　?、?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)際施工過(guò)程中，由于預(yù)緊力矩測(cè)讀方便，且預(yù)緊力隨著預(yù)緊力矩增大而增大，通過(guò)直接檢測(cè)預(yù)緊力矩就能達(dá)到間接檢測(cè)錨桿預(yù)緊力的目的。因此，錨桿安裝時(shí)通常檢測(cè)預(yù)緊力矩。

　　三. 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)，保持圍巖穩(wěn)定，有利于對(duì)圍巖支護(hù)。

　?、?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。

　?、?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)30 kN。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，35 kN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。

　?、苠^桿能夠有效發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)作用，只有當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到一定程度后，才能使受支護(hù)巖層形成組合梁或組合拱結(jié)構(gòu)。合適的預(yù)緊力范圍為：下限大于被支護(hù)圍巖的重量，上限為錨桿屈服強(qiáng)度的70％。

　?、?施工過(guò)程中常見(jiàn)問(wèn)題：由于存在人工手動(dòng)安裝和機(jī)械安裝兩種方式，導(dǎo)致錨桿預(yù)緊力大小相差懸殊，造成錨桿受力不均，發(fā)揮不了錨桿主動(dòng)支護(hù)作用。所以提倡使用機(jī)械安裝工藝，從根本上避免上述問(wèn)題的存在。

　　四. 錨桿設(shè)計(jì)存在的問(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，平行于錨桿的觀測(cè)鉆孔發(fā)生錯(cuò)位等現(xiàn)象，充分說(shuō)明錨桿的受力方向非常復(fù)雜，既有軸向應(yīng)力又有剪切應(yīng)力。因此在選擇錨桿強(qiáng)度時(shí)，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。

　　五. 錨桿制作和檢測(cè)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％。我們以直徑20mm、長(zhǎng)2200mm錨桿為例，試驗(yàn)室對(duì)錨桿各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了多次檢測(cè)，結(jié)果均符合MT146.2-2002標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)定為“合格”。但在施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)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)了檢測(cè)“合格”錨桿現(xiàn)場(chǎng)使用不合格的問(wèn)題。通過(guò)試驗(yàn)室錨桿拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錨桿受力達(dá)到130kN時(shí)，桿體延伸率僅2％，繼續(xù)增大載荷，錨桿從螺紋相接處斷裂。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)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(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，使桿體各處等強(qiáng)。如果錨桿制作存在弱面、螺紋段強(qiáng)度低等問(wèn)題，當(dāng)圍巖發(fā)生輕微變形時(shí)，錨桿先達(dá)到破斷極限而斷裂，失去支護(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(pán)、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：

　?、?合格錨桿必須綜合考慮錨桿各部位、部件后綜合做結(jié)論，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。

　?、?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。

　　六.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)雜的礦山條件。