煤矿锚索支护的失稳类型及其影响因素分析

沈仁为

摘 要：该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，主要包括锚固剂失效、被锚固岩体弱化、锚固构件破损三方面。

关键词：锚索支护 失稳类型 影响因素

中图分类号：TU272.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（c）-0214-02

悬吊理论认为，锚索支护的基本原理是：通过锚固剂将锚索与钻孔周围围岩粘结为一体，使深部稳定围岩作为受力点承受载荷，并主动控制围岩的变形。因此，锚索支护体系可看作一个完整的“系统”，锚固剂、围岩及锚固构件串联在一起，各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，进而致使锚索支护失效。

1 锚索支护的主要失稳类型

1.1 钢绞线断裂

锚索钢绞线断裂导致的锚索锚固失稳有两种情况：①在矿山压力作用下，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的影响，最终整根断裂；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，在剪切力作用下，钢绞线发生剪断。

1.2 钢绞线与锚固剂间产生滑移

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

1.3 锚索托板与锚具失效

锚索托板的破坏一般有两种模式：①与托板面接触的围岩在复杂应力作用下发生破坏剥落，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的破裂或锚具的脱落，主要原因包括：锚具的质量不合格，夹片硬度过大或过小，过大易造成夹片断丝或脆裂，过小易造成钢绞线滑丝；锚具的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的偏载。

2 锚索失稳破坏的主要影响因素

该文根据围岩锚固体损伤介质不同，从锚固剂失效、被锚固岩体弱化和锚固构件破损三方面出发，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过程中，锚固剂作为一种粘结介质，主要承担力学传递作用，只有确保锚固剂与索体及孔壁围岩间具有足够的粘结强度，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，其自身物化性质较为复杂，部分特性在一定程度上对锚固剂的力学性能是不利的，例如树脂固化收缩、遇水性能弱化、长时蠕变等。

2.2 被锚固岩体弱化

被锚固岩体作为锚索支护对象，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同样具有重要影响。

（1）软弱夹层弱化

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

（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要低于干燥时的强度，水对围岩的弱化具有一般适用性。但是相对于砾岩、砂岩、粉砂岩等硬岩，裂隙水对泥岩及具有膨胀性的软岩弱化程度最高。其中泥岩在残余强度期间遇水时强度降低可高达50%左右，通过现场调研也发现在泥质或其他膨胀性软弱围岩遇水情况下锚索（杆）的锚固失稳现象最多。

（3）采动弱化

受地压影响，围岩力学性能降低，在经受采动影响后围岩变得更加松散、破碎。通过分析可知，采动弱化被锚固岩体而致使锚索锚固失稳，主要是指巷道围岩在采动应力作用下变得异常松散破碎，破坏了锚索、锚固剂、被锚固岩体三介质间的紧密粘结，锚索锚固段粘结受损而不能对浅部被锚固岩体的变形、位移提供有效约束，巷道围岩仅仅依靠锚固体的残余强度维持整体性。

2.3 锚固构件破损

（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不能自由变形；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，钢绞线便发生拉伸破断。另外，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发生剪切破坏。

（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发生变化，有效接触面积减少，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，若矿井水的酸性较强，长期的化学腐蚀与应力腐蚀加上围岩变形载荷甚至可直接将托盘压裂。

（3）锁具失效

在锚索支护巷道中，在围岩深部通过树脂锚固剂钢绞线与稳定岩体粘结为一体；在围岩表面通过锚具对被锚固岩体施加一定预应力使其处于受压状态。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。锚具的破坏意味着钢绞线由最初的“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，围岩变形近似自由状，进而导致锚索锚固失稳。

3 结语

（1）锚索锚固失稳有四种主要破坏模式：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。

（2）锚索锚固失稳的主要影响因素有：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粘结强度，表现为锚固剂粘结失效导致锚索锚固失稳；②巷道围岩在软弱夹层赋存、裂隙水及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

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