浅谈矿用锚索失稳类型及其影响因素

黄河飞

摘 要：通过现场工程调研，从围岩、锚固剂、锚索材料性质以及三者接触界面的力学性能和传递机制出发，对锚索锚固失稳的类型进行了科学划分，并分析了失稳的主要影响因素。

关键词：锚索；力学性能；锚固剂；围岩

中图分类号：TD353 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.083

根据锚索支护机理，锚索通过锚固剂与钻孔周围围岩黏结为一体，以深部相对稳定围岩为受力点承受围岩载荷，进而控制围岩的变形破坏。由此可见，锚索锚固体的稳定性控制可维护一个“系统”的稳定性，“系统”中每一单元的工作状况对锚固体支护效用的发挥都至关重要，任一单元的损伤或破坏都可能导致锚索锚固失稳，最终致使锚索支护失效。因此，本文主要从锚索锚固体的变形破坏特点出发，从“系统”的角度对矿用锚索的失稳类型进行划分，并针对关键影响因素进行重点分析，提出有针对性的控制对策。

1 矿用锚索失稳的主要类型

通过现场调研，笔者从围岩、锚固剂、锚索材料性质以及三者接触界面的力学性能和传递机制出发，对锚索失稳的类型进行了划分，包括以下3个方面。

1.1 钢绞线断裂

锚索钢绞线断裂导致的锚索锚固失稳有2种情况：①在矿山压力的作用下，当钢绞线中某一根钢筋达到极限破断荷载后发生断裂，剩余的钢筋难以承受矿压，最终造成整根断裂的情况；②围岩变形使被锚固岩体与锚索轴向成一定角度发生错动，并在剪切力的作用下，钢绞线被剪断。

1.2 钢绞线与锚固剂间产生滑移

锚索与锚固剂之间的黏结强度相比锚固剂与围岩界面的要小，当载荷较大时，在锚固剂与围岩尚未产生滑移的情况下，钢绞线与锚固剂间可能已经产生了滑移。滑移一般从锚固段端头开始，沿锚索轴向向深部逐渐扩展，其破坏具有渐进特性。

1.3 锚索托板和锚具失效

锚索托板的破坏一般有2种模式：①与托板面接触的围岩在复杂应力的作用下发生破坏剥落，从而造成围岩与托板脱离；②托板参数设计不当或承受偏载产生应力集中，所受压应力大于其极限承载强度，最终导致托板被压裂。

锚索锚具的失效表现为夹片破裂或锚具脱落，主要原因包括：锚具质量不合格、夹片硬度过大或过小，夹片硬度过大易造成夹片断丝或脆裂，夹片硬度过小会易造成钢绞线滑丝；锚具锈蚀大大降低了夹片螺纹牙的强度；锚索锚具中夹片错位，承载过程中产生严重偏载。

2 矿用锚索失稳的影响因素分析

本文根据围岩锚固体的损伤介质，从锚固剂失效、被锚固岩体弱化和锚固构件破损3方面出发，对矿用锚索失稳的影响因素进行分析。

2.1 锚固剂失效

根据围岩锚固机理，在围岩与锚索相互作用的过程中，锚固剂作为一种黏结介质，主要承担力学的传递作用。只有确保锚固剂与索体、孔壁围岩间具有足够的黏结强度，才能保证锚索支护发挥效用。树脂锚固剂作为一种化学材料，其具有的物化性质较为复杂，部分特性在一定程度上对锚固剂的力学性能不利，比如树脂固化收缩、遇水性能弱化和长时蠕变等。

2.2 被锚固岩体弱化

被锚固岩体是锚索支护对象，在锚索控制围岩变形的过程中，岩体自身地质赋存条件、完整性等因素对锚索锚固体的稳定性具有重要影响。

2.2.1 软弱夹层弱化

软弱夹层的基本特征包括强度低、厚度小和变形模量低，部分软岩夹层遇水易崩解、泥化和软化。软弱夹层相对层位不同，其对围岩的弱化程度和机理也不同，诱发锚索锚固失稳的原因也不同。

2.2.2 裂隙水弱化

由岩石力学理论分析可知，岩块饱水状态下的强度低于干燥时的强度，水对围岩的弱化具有一般适用性。但相对于砾岩、砂岩和粉砂岩等硬岩，裂隙水对泥岩和具有膨胀性的软岩的弱化程度最高。其中，泥岩在残余强度期间遇水时的强度会降低50%左右。通过现场调研发现，在泥质或其他膨胀性软弱围岩遇水情况下，锚索（杆）的锚固失稳现象较多。

2.3 锚固构件破损

2.3.1 锚索破断

在应力作用下，被锚固岩体逐渐变形、破坏，但因受锚杆或钢绞线两端的约束而无法自由变形。此时，杆体或钢绞线处于受拉状态，一旦拉应力超过其抗拉强度，钢绞线便会发生拉伸、破断。此外，当区域内水平应力较大时，锚固区内各岩层间会发生沿岩层交界面的水平错动，进而使处于拉拔状态下的锚索受到剪切破坏。

2.3.2 托盘受损

托盘紧贴于围岩表面，长期经受矿井水腐蚀，托盘与围岩的接触面常发生变化，有效接触面积会不断减小，在围岩变形过程中易产生偏载和应力集中现象。同时，水的腐蚀会大大弱化托盘的力学性能，如果矿井水的酸性较强，则长期的化学腐蚀和应力腐蚀，加之围岩变形载荷甚至可直接将托盘压裂。

2.3.3 锁具失效

在锚索支护巷道中，在围岩深部将树脂锚固剂钢绞线与稳定岩体黏结为一体；在围岩表面通过锚具对被锚固岩体施加一定的预应力，使其处于受压状态。在锚索支护中，锚具作用的实质为在被锚固岩体向巷道自由空间变形移动过程中，限制钢绞线向围岩内“收缩”，从而限制被锚固岩体的变形破坏。锚具的破坏是指钢绞线由最初的“两端约束”变为“锚固端单独粘结约束”，在轴向方向上使锚索失去对被锚固岩体的约束作用，围岩变形近似自由状，进而导致锚索锚固失稳。

3 结束语

综上所述，锚索锚固失稳有4种主要破坏模式：①钢绞线断裂；②钢绞线与锚固剂间产生滑移；③钢绞线与孔壁间锚固剂弱化；④托板与锚具失效。

锚索锚固失稳的主要影响因素有以下3个：①树脂锚固剂的固化收缩、遇水弱化和长时蠕变均会降低锚固剂的黏结强度，表现为锚固剂黏结失效，进而导致锚索锚固失稳；②巷道围岩在软弱夹层赋存、裂隙水和采动影响下，力学性能急剧恶化，表现为被锚固岩体整体性破坏，进而导致锚索锚固失稳；③锚固构件破损导致锚索锚固失稳的主要表现为钢绞线破断、托盘受损和锚具失效等。

参考文献

[1]王栋，张德高.关于预应力锚索破坏失效及防护问题的探讨[J].云南水力发电，2007（2）.

[2]郑静，朱本珍.边坡锚索结构的失效因素与破坏类型[J].铁道工程学报，2010（1）.

〔编辑：张思楠〕

Abstract： The field engineering research， from the surrounding rock， anchoring agent， anchor material properties and mechanical properties of the contact interface and delivery mechanism of the three starting on the anchorage types instability scientific division， and analyzes of instability the main factors.

Key words： anchor； mechanical properties； anchorage； surrounding rock