解析锚杆预应力与巷道支护效果的关系

摘 要：近年来，相关部门在不断研究和探讨预应力锚杆支护技术，使锚固理论得以发展和完善。与此同时，具有高强度和超高强度的锚杆材料也有了进一步发展，被应用于水利、建筑和矿山等领域。但是，在煤炭相关行业迅速发展和矿山生产规模深度不断增加的同时，支护问题也逐渐显现出来。原先的锚杆支护技术无法进一步适应现代矿井生产，而解析锚杆预应力与巷道支护效果的关系可以实现“三高一低”（高强度、高刚度、高可靠性、低支护密度）体系的构建，在加快生产速度的同时保证生产安全。根据多年的施工经验和预应力锚杆的发展现状，简要论述了锚杆预应力与巷道支护效果的关系，不足之处还望大家批评、纠正。

关键词：锚杆预应力；巷道支护效果；围岩；预应力锚杆支护技术

中图分类号：TD353+.6 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.114

目前，预应力锚杆加固围岩的作用机理研究中还有很多问题需要解决，大家对其的研究还处于探索阶段，没有统一的理论体系。而现有的预应力支护大多依托于工程类，所以，理论研究也存在很大的滞后性。通过公式推导和对M-T实验的探讨，重点分析和探讨了锚杆预紧扭矩与轴向预应力的对应关系，使用FLAC3D数值模拟软件模拟锚杆预应力在巷道围岩中的扩散状态、锚杆预应力与巷道支护效果关系，最后通过对实验现象的观察说明锚杆预应力与巷道支护效果的关系。

1 锚杆预应力与巷道支护效果的关系

在具体工作中，通过对锚杆预紧扭矩与轴向预应力的影响因素的研究来探讨锚杆预紧扭矩与轴向预应力的关系，以此明确锚杆预应力与巷道支护效果的关系。

锚杆尾部螺母承受的预紧扭矩与锚杆预紧力的关系是：

P=M/（K×D）. （1）

式（1）中：P为锚杆预紧力，kN；M为锚杆施加的扭矩，N·m；K为与锚杆螺纹的形式、接触面、材料、杆径等有关的系数；D为锚杆的直径，m。

由式（1）可知，锚杆预紧力与预紧扭矩成线性关系。对于不同材质、杆径、形式的锚杆，其所对应的K值也不相同。

2 锚杆预紧扭矩与轴向预应力的关系M-T实验

通过M-T实验来得到相应的结论，具体的实验装置如图1所示。

由该实验可以得出以下结论：①锚杆预紧扭矩与轴向预应力呈现线性相关。锚杆预紧扭矩会随着轴向预应力而发生正相关变化。同时，线性相关系数k直接反映锚杆预紧扭矩与轴向预应力的关系——当k值接近无穷小时，会有很好的摩擦效果。②在锚杆预紧扭矩相同的条件下，可以通过减小摩擦来进一步提高轴向预应力。轴向预应力提高的程度根据减少摩擦介质的不同而发生改变。采取减摩措施能够将锚杆轴向预应力提高15.67%～110.47%，一般控制在26.57%～77.76%. 由实验可知，1010尼龙垫片具有良好的减摩效果。这是因为1010尼龙垫片具有很好的压延性，在对扭紧螺母时，可以变成碗形状，以此来减摩。因此，在具体的工程实践中，一般选用1010尼龙垫片作为锚杆支护的垫片。

除此之外，由于现场与实验室的条件不同，为了更好地发挥实验成果的作用，要及时调整锚杆预紧扭矩与轴向预应力的关系，也就是对实验k值的修正。

3 相关数值模拟分析

通常情况下，使用flac模拟不同预应力条件下产生的应力场扩散状况，并研究围岩破坏情况和围岩变形，以此来探讨锚杆预应力与巷道支护效果的关系。

在锚杆预应力的作用下，围岩出现了压应力区域，同时，受群锚杆的作用，这些压应力区域不断叠加，由此产生了具有厚度和强度的承压作用。随着锚杆预应力的增加，围岩中锚杆的附加应力场的范围和强度也在增强。在具体工作中，使巷道围岩处于受压的状态，以此提高巷道的承载力。

在巷道变形之前，巷道围岩表面本身就在预应力锚杆的影响下产生相应的正压力，从而保证围岩表层的三向受力状态。由实验可知，如果围岩压力为零，那么围岩的残余强度也近乎为零。当围岩压力为9 MPa时，围岩的残余强度就会达到9 MPa左右。由此不难看出，围岩的残余强度对围岩很敏感。虽然预应力锚杆产生的应力场不是很大，但是，依旧在很大程度上提高了围岩的残余强度和承载能力，取得了良好的支护效果。

预应力锚杆支护可以进一步提高支护抗力，对于巷道围岩的变形有控制能力，可以很好地提高承载能力，加强围岩破碎区和塑性区的围岩整体化进程。预应力锚杆的投入可以有效降低巷道围岩参数，改善围岩压力和受力问题。预应力支护可以使顶版岩层处于横向压缩状态，有效增强顶板预应力的承载能力，阻止高水平应力对巷道围岩的破坏，在减少弱面离层现象发生的同时减少围岩应力集中和岩体破坏的情况，使锚固区载荷可以更加均匀、平稳地传递，保持围岩的稳定性。

我们都知道，在工程中，预应力锚杆的实际情况与实验有很大的区别。在实际应用中，预应力锚杆常常出现在不同围岩条件的岩体中，我们需要调整不同围岩条件下修正系数的取值范围，同时，小范围调整锚杆预紧扭矩与轴向预应力的关系。通过数值模拟可以知道，当巷道锚杆施加了预应力，就可以使围岩产生相应的附加预应力场；当巷道未变形时，巷道围岩就恢复到三向受力状态，同时，形成了具有一定厚度的承压拱。这些都在很大程度上提高了围岩的承载能力，对围岩变形和围岩破坏起到了很大的控制作用。在巷道的对比实验中，可以从锚杆预应力不同条件下的支护效果中看出，巷道变形量是随着锚杆预应力的增大而减小的。在进行地质测试和锚杆支护作用理论分析的前提下，针对煤层顶板层间距的不同，对以锚杆支护为主的支护方案进行系统地分类，分为“锚杆+锚索”“锚杆+短锚索”“全长预应力锚杆”3种。由此可以看出，巷道不是必须要使用架棚支护的。在保证巷道安全支护的前提下，锚杆支护可以很好地满足巷道掘进和工作面的工作需求，极大地降低了巷道支护消耗的成本和劳动强度。

4 结束语

在探讨和研究了预应力锚杆支护技术后，对预应力锚杆加固围岩作用机理的研究也有了很大的突破。实验发现，如果有适当的锚杆支护力，那么，巷道围岩中就有一定的预应力场。增加锚杆的预应力可以实现巷道顶层离层的控制。安装了预应力锚杆后，就可以得到最大的预应力，进而提高锚固范围内岩层的整体刚度，保证围岩的完整性和整体强度。由此看来，高预应力强力锚杆能够支护困难的巷道。与此同时，也能有效减少维修巷道所需的费用，在提高单进水平的同时创造更好的经济效益。

参考文献

[1]康红普.煤巷锚杆支护动态信息设计法及其应用[J].煤矿开采，2002（01）.

[2]贾金河.煤巷锚杆支护设计与监测软件的开发及应用研究[J].煤矿开采，2004（01）.

[3]康红普.高强度锚杆支护技术的发展与应用[J].煤炭科学技术，2000（02）.

[4]康红普，林健.我国巷道围岩地质力学测试技术新进展[J].煤炭科学技术，2001（07）.

[5]王金华.我国煤巷锚杆支护技术的新发展[J].煤炭学报，2007（02）.

[6]康红普，姜铁明，高富强.预应力在锚杆支护中的作用[J].煤炭学报，2007（07）.

[7]康红普，王金华，林健.高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用[J].煤炭学报，2007（12）.

[8]王金华，康红普，高富强.锚索支护传力机制与应力分布的数值模拟[J].煤炭学报，2008（01）.

[9]龚纪文，崔建军，席先武，等.FLAC数值模拟软件及其在地学中的应用[J].大地构造与成矿学，2002（03）.

作者简介：张秋林（1973—），男，山西泽州人，2010年毕业于黑龙江科技学院采矿工程专业，在职硕士研究生，采矿高级工程师。

〔编辑：白洁〕