锚杆—锚索联合支护失效分析

2011-01-17公佩暖贾后省任建举

山西焦煤科技 2011年4期

公佩暖，贾后省，任建举，李琦

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

锚杆支护具有工人劳动强度低、成本低和支护效果好等优点，在我国煤矿支护中已广泛使用，但当前不少人对锚杆—锚索联合支护作用机理的认识却并不全面，尤其在煤巷施工时，锚杆—锚索联合支护的设计思想与支护方法存在着不协调的矛盾。多数人设计的出发点是锚杆与锚索的“悬吊理论”，认为将顶板松动区岩石通过锚索悬吊于深部稳定岩层上就可以达到支护效果，但是在实际应用中，顶板离层过大，锚索还未发挥效能就产生了破断，使锚杆—锚索联合支护形同虚设，并没有充分发挥锚索的工程特性。

1 锚杆—锚索联合支护设计原理

目前，在锚杆—锚索联合支护的设计上，主要是以锚杆支护作为及时支护和加固巷道周围浅部围岩，从而提高围岩的整体承载能力和自身稳定性，同时，通过预应力锚索作用，一方面，进一步提高锚杆支护体的支护强度，使围岩变形破坏得到控制;另一方面，当围岩的破坏范围超过锚杆的锚固长度时，通过预应力锚索的悬吊作用，将顶板松动的岩石悬吊在深部稳定的岩层中，防止顶板失控冒落［1］。

当同时安装锚杆和预应力锚索时，锚杆与预应力锚索对围岩起到相同的加固作用，同时增强了锚岩支护体的承载能力，避免围岩发生破坏。围岩与支护的相互作用关系示意图见图1。

图1 围岩与支护的相互作用关系示意图

在软弱围岩和破碎顶板巷道中，围岩的变形量很大，在巷道开挖初期进行支护时，主要依靠的是锚杆的柔性支护，而后期则是发挥了锚索的悬吊作用。锚杆和锚索并没有同时加强支护，而是相互取长补短，从而大大改善了巷道锚杆支护的整体支护性能，实现了控制围岩大变形的作用。二次耦合支护相互作用原理图见图2。

2 锚杆—锚索联合支护失效分析

为了更加清楚的阐明锚杆—锚索联合支护失效的原因，将联合支护这一整体进行分解首先对锚杆的失效进行分析，再分析联合支护失效的原因。

图2 二次耦合支护相互作用原理图

2．1 锚杆失效分析

国内外许多专家学者运用各种方法对大量煤巷顶板锚杆支护失败的案例进行了分析，如中国矿业大学马念杰教授曾使用事故树分析法对支护案例进行分析，得出了导致锚杆支护失败的原因［2］，笔者参考许多文献并进行实地调查后，总结了以下几种导致锚杆支护失效的原因。

1)施工管理水平差。这主要表现为施工技术力量薄弱、管理人员掉以轻心、施工管理制度不完善以及施工人员责任心不强。尤其是施工人员责任心不强，将直接导致产生安全隐患，例如某矿在回收宽煤柱时开挖探巷，探巷口与运输巷交叉处附近是容易出现冒顶和片帮的区域，帮上采用了挂网打锚杆的支护方式，但是有些网没有紧贴在帮上，而锚杆的托盘更是只与网轻轻接触，这样就导致了锚杆形同虚设，给安全探测与回采工作带来片帮隐患。

2)设计不合理。设计不合理主要分为支护型式不合理和支护参数不合理。导致支护型式不合理的原因有围岩分类错误、地质调查不全面、支护对象不明确、支护方法不正确以及支护不及时。这就要求在进行支护设计时考虑全面、周到，充分利用钻孔资料，甚至在掘进时滞后迎头做顶板窥视，为支护提供更加详细的资料，并及时对设计人员进行培训，提升业务能力，为提供正确的支护方案提供保证。支护参数不合理主要是由锚杆排列方向顺序不正确、锚杆长度不够、锚杆间排距不合理以及“三径”不匹配导致的。尤其是三径匹配问题，需要设计人员仔细的设计与选择。钻孔直径与锚杆直径相差过大或过小时锚杆的锚固力都很小，只有得到合理匹配后，才能获得最大的锚固力。引起这一现象的主要原因是这种直径差对锚杆能否充分地搅拌树脂卷，使树脂胶泥和固化剂均匀混合起关键作用。实验分析表明，为了使锚固剂有效地锚固在围岩上以及锚杆的顺利安装，当使用无纵筋左旋螺纹钢锚杆时钻孔直径与锚杆直径之差应在4～10 mm之间，最佳值为5～6 mm;当使用带纵筋螺纹钢锚杆时钻孔直径与锚杆直径之差应在6～12mm之间，最佳值为7～8 mm［3］。具体的参数需要设计人员根据具体情况慎重考虑。

3)监测效果差。这主要表现在监测管理制度不健全，监测人员没有经过培训，监测仪器落后且性能不可靠，监测人员责任心不强等。如有些矿井没有制定严格的管理制度，下井检查时提前通知，甚至出现掘进队停工等检查的现象。而监察人员下井后，也没有完全负起责任。对已打好的锚杆进行拉拔实验时，发现了问题只是做简单的记录，并没有及时将问题和改进措施告知施工人员，甚至连监测人员也不知如何改进，这就需要在技能方面对监测人员进行培训。

4)锚杆质量不合格。此原因主要分为杆体质量不合格和配套机具不合格，杆体质量不合格主要表现在杆体的材料强度不够，抗拉强度达不到设计要求;锚杆结构形式不合理，需要使用粗尾锚杆的却用普通锚杆，导致锚杆过早破断;锚杆材料力学性能不好，如在较软的煤壁上，本应使用玻璃钢锚杆支护，却使用了木锚杆;再就是锚杆质量差，这就需要矿井的采购部门要与正规的口碑好的生产厂家合作，以免造成事故后发生纠纷。配套机具不合格主要有树枝药卷失效、托盘螺母不配套、掘锚机质量性能差等几个原因。

2．2 联合支护失效分析

锚杆—锚索联合支护失效的主要原因是在围岩变形过程中，锚索尚未发生作用就产生破断，这与锚索的低延伸率和抗拉强度有关，主要原因是锚索的一些力学指标在实际应用中与实验设计结果相差甚远。尤其是预应力锚索的承载能力和延伸率并不能达到钢绞线力学性能的指标，因为在锚具锁紧钢绞线时，个别钢绞线的局部受力过大，使锚索整体达不到预期的效果而过早破断。

2．2．1 预应力锚索工程特性

当使用预应力锚索配合锚杆对煤巷进行加强支护时，应用到的两个重要指标是锚索的承载能力(或破断力Fms)和锚索的延伸量Δl。目前，锚索的支护与设计没有技术规范可以遵循，煤矿在进行设计时大多应用悬吊理论进行设计和检验，所以，仅仅考虑锚索的破断力这一指标而忽视了锚索延伸量。其实锚索的延伸量也是关键的技术指标，它反映了锚索对巷道围岩变形的适应程度。在多数围岩条件尤其是软弱围岩条件下，锚索的延伸量指标在设计中应放在首位，然后再考虑锚索的承载能力。在国家标准中，规定预应筋钢绞线与锚具组装件的静载锚固性能必须同时满足以下两项标准：

对于使用1×7结构的1 860 MPa级别钢绞线，以上两项条件可写成：

根据以上叙述，在煤巷支护条件下预应力锚索的锚固性能需要满足下列两项要求：

这里需要指出的是，以上两项要求仅仅是对锚索在巷道支护中正常使用应该达到的锚固参数的要求，并非锚索支护设计需要的条件。因为εms不是锚索实际允许围岩变形的延伸率，而是锚索破断时的延伸率［1］。

能够被实际工程所利用的锚索延伸率(延伸量)与安装锚索时所给的预紧力有很大的关系，对1×7结构级别钢绞线预应力锚索，可以利用的延伸率为：

式中：

Fy—锚索预紧力，kN;

A—锚索钢绞线的刚度系数，kN，取221。

如在煤巷支护实际工程中，安装锚索的预紧力为

100 kN，可利用于适应巷道围岩变形的延伸率为：

由此表明，在煤巷支护中，锚索可利用的延伸率非常小，仅为钢绞线国标要求的38．6%。

锚索延伸率的指标在实际工程中的应用并不直观，所以常常使用锚索延伸量这一指标。

从式(3)、式(4)可以得到预应力锚索的两个重要的工程指标：

式中：

Δl—锚索工程延伸量;

L—锚索自由段长度。

通过式(5)可以作出锚索的不同自由段长度和不同安装预紧力时的锚索的工程延伸量，见图3，该延伸量在锚索适应围岩变形进行设计时可作为参考依据。

图3 锚索工程延伸量与自由段长度的关系示意图

从图3可以看出，安装锚索时预紧力越小，其工程延伸量就越大。因为钢绞线的松弛特性，预紧后有一定的载荷松弛，预紧力过小可能造成锚具的滑移和卸载。

2．2．2 失效原因分析

锚杆—锚索联合支护失效的主要原因是设计与实际不匹配，造成不匹配的原因还有以下几点：

1)虽然锚固剂锚固强度符合要求，但是每根钢绞线的锚固程度不一，导致了锚索整体受力不均，支护失败。

2)实际施工时使用的锚索比在实验室使用的长很多，按照实验室指标安装时，由于钢绞线长度大使其松弛性增大，从而导致预紧时在孔口位置处造成每根钢筋受力不均。

3)巷道围岩上的孔口处岩壁与钻孔轴线不垂直也引起每根钢绞线受力不均，造成钢绞线在未达到其抗拉强度时，使各条钢筋逐根破断。

4)当巷道有动载影响时，如冲击矿压和周期来压，巷道围岩的变形破坏活动使锚索受到波动的载荷影响而破断。

由以上原因可以看出，预应力锚索破断的主要原因是钢绞线各股钢筋受力不均：即单根钢绞线已经破断时，部分钢筋未达到屈服极限。所以，第一股破断的钢绞线延伸率通常决定了锚索自由段的延伸率。由此表明，在设计锚索支护时按钢绞线钢材延伸率考虑是片面的。

另外，锚杆的施工质量也是至关重要的，尤其煤矿企业选择合理的支护参数能避免许多顶板事故的发生。在间排距、锚杆力学性能的参数选择上，可以在理论计算后采用数字模拟进行检验，观察巷道围岩的应力集中区域，找出易冒顶板进行加强支护。在三径匹配上也要仔细选择合理配置，大量实验表明，对相同直径的锚杆，钻孔仅仅相差1 mm，其锚固力就会减弱一倍以上。再就是需要煤矿企业遵循科学的支护方法，提高隐患排查意识，这样既能满足生产的安全，又能避免支护材料的浪费。