可伸长让压锚杆的研究现状及展望*

郭泽洋，王 斌, 2, 3，宁 勇



可伸长让压锚杆的研究现状及展望*

郭泽洋1，王 斌1, 2, 3，宁 勇1

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭市 411201；2.湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室，湖南 湘潭市 411201；3.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭市 411201)

深部围岩支护中，可伸长让压锚杆因具有较高的支护强度和良好的让压变形能力越来越被重视。可伸长让压锚杆的作用原理源于支护结构与围岩相互作用关系，适当降低支护结构刚度并增大变形能力可降低平衡点的应力。可伸长让压锚杆的种类较多，根据让压变形构件的工作原理可分为结构元件滑移可伸长和杆体可伸长，按照可伸长构件所在位置不同又可划分为孔内可伸长和孔外可伸长。探讨分析了可伸长让压锚杆存在的不足和今后的研究方向，为可伸长让压锚杆未来的发展与研究提供参考。

可伸长让压锚杆；深部围岩；让压支护

0 引 言

锚杆支护可显著改善巷道围岩承载并提高其稳定性，因此广泛应用于矿山等各类岩土工程领域[1]。随着资源开采逐步向深部发展，各类岩体所处应力环 境日趋复杂，软岩巷道围岩变形量可以达到200~ 500 mm[2]，远远超过普通锚杆杆体的变形控制范 围[3]；高应力条件下硬岩巷道围岩变形小，通常只有20~65 mm，但对支护强度或让压吸能的要求高，普通锚杆也容易发生断裂失效从而诱发岩爆等动力灾 害[4]；普通锚杆由于其刚度太大、让压变形性能差等原因，在深部开采环境中难以适应高地应力或较大的围岩变形的支护要求[3]。深部围岩支护的理想锚杆既要有较高的支护强度，又要有良好的让压变形能力[5]，这一原则适用于软岩和硬岩巷道，同时，锚杆让压吸能设计要充分利用深部岩体的自承载能力，尤其对硬脆围岩，更要依靠并调动硬岩自身高强度形成的结构效应[6]。鉴于普通锚杆的吸能和变形的劣势，国内外学者致力于提高锚杆的变形让压吸能方面的研究，相应提出“吸能让压锚杆”或“可伸长让压锚杆”的 概念。

1 可伸长让压锚杆作用机理

1.1 让压支护与围岩相互作用关系

让压支护结构与围岩相互作用关系可以用图1说明[7]：曲线Ⅰ是巷道围岩在无支护条件下的应力−变形曲线，曲线Ⅱ、Ⅲ分别是采用普通锚杆和让压支护结构的力学特征曲线，曲线Ⅰ和曲线Ⅱ、Ⅲ的交点和分别是普通锚杆和让压支护结构的平衡点。A区域围岩处于弹塑性阶段，B区域围岩松动破坏，点为围岩稳定平衡点，B区域的支护结构无法正常工作，故支护结构作用点应在点左侧附近。普通锚杆(曲线Ⅱ)如采用加大支护刚度、加大支护阻力可达到减小巷道围岩变形的效果，但围岩和锚杆支护平衡点位置高，会导致普通锚杆支护结构受力较大，点对应的支护阻力远大于点支护阻力。让压支护结构(曲线Ⅲ)允许围岩有相对较大的变形，围岩稳定时支护结构可以以相对较小的工作阻力，保证巷道围岩的完整性和稳定性。因此，对于锚杆让压支护结构而言，锚杆的刚度应适当降低并有相对较大的变形能力，这也是可伸长让压锚杆的作用机理所在[8]。

图1 支护与围岩相互作用关系[7]

1.2 可伸长让压锚杆试验

基于让压支护与围岩的相互作用关系，国内外学者设计了不同类型的可伸长让压锚杆，并通过试验验证了可伸长让压锚杆的优越性。文献[9]对比了Conebolt锚杆、Roofex锚杆、恒阻大变形锚杆与普通锚杆的拉力−位移关系，如图2所示，与普通锚杆相比，可伸长让压锚杆依靠不同的让压变形结构达到减小杆体刚度的目的，并且都能增加杆体的延伸量。文献[10]提出高强预应力让压锚杆，弹性让压变形距离和塑性让压变形距离分别提高了188.9%和44.1%，杆体的极限承载力与普通锚杆基本相等，如图3所示。文献[11]中高强让压锚杆与普通锚杆受力变形对比曲线如图4所示，让压锚杆在弹性变形阶段产生一定的让压作用，其它变形阶段的受力变形曲线和普通锚杆相同。文献[3]设计了拉压耦合大变形锚杆，普通锚杆峰值强度在130~140 kN之间，但拉压耦合试件在145 kN时才发生屈服，极限拉拔强度达到200 kN，杆体达到极限承载力时的延伸量提高了5倍，如图5所示。可以看出，以上几种可伸长让压锚杆的试验曲线与图1中曲线Ⅲ的特点很接近。

图2 国内外可变形让压支护性能对比[9]

图3 高强预应力让压锚杆[10]

图4 高强让压锚杆[11]

图5 拉压耦合大变形锚杆[3]

2 可伸长让压锚杆的让压变形构件

20世纪60年代，Cook[5]等提出屈服锚杆的概念，并将其应用于南非金矿。1992年Windsor也提出理想锚固装置不仅要具有足够的强度，还要有良好的变形性能[3]。国内外现阶段的可伸长让压锚杆有很多，国外主要有Conebolt 锚杆、Roofex 锚杆、Durabar型锚杆以及D 型锚杆[2]，国内包括恒阻大变形锚杆[1]、拉压耦合大变形锚杆[3]、H型杆体可延伸增强锚杆[7]、动静组合锚杆[12]、动压软岩巷道用让压锚杆[13]等。

按照让压变形构件工作原理，上述可伸长让压锚杆可分为结构元件滑移可伸长和杆体可伸长两类，前者在杆体上设计一些机械构件，当围岩变形传递到锚杆时，杆体拉力达到一定数值可借助特殊的机械结构发生滑动，杆体的滑动量和阻力就是锚杆的变形量和工作阻力；后者依靠杆体材料的延伸率和屈服强度提供锚杆的变形量和工作阻力[7]。按照可伸长构件所在孔口位置不同又可分为孔内可伸长和孔外可伸长两大类[12]，孔内可伸长让压锚杆可选择布置结构元件滑移和杆体可伸长两类元件，孔外可伸长让压锚杆只能增设结构元件，如塑料压缩筒、弹簧结构或金属让压 管等。

2.1 锚杆工作原理分类

(1) 结构滑移可伸长让压锚杆。最早的结构元件滑移可伸长让压锚杆是Jager设计Conebolt锚杆[3]，该锚杆由光滑杆体和锚头位置的扁平阔口组成，如图6(a)所示，锚杆通过扁平阔口与锚固剂挤压滑动达到大变形的目的。Garford Solid锚杆[4]如图6(b)所示，在杆体上安装吸能装置，该吸能装置内径小于杆体，岩石膨胀时迫使杆体挤压穿过吸能装置，杆体屈服载荷由实心杆体和吸能装置的孔径差决定，极限变形量由锚尾长度决定。何满潮设计出具有负泊松比效应的恒阻大变形锚杆[14]，图6(c)所示，围岩变形过程中恒阻体与杆体上的恒阻套管摩擦并保持恒阻特性，依靠恒阻装置的结构变形来抵抗岩体的变形破坏。孔口弹簧压缩式锚杆[15]在孔口增加一个弹簧和垫板，如图6(d)所示，巷道围岩发生膨胀时，弹簧受压提供围岩所需的变形量，杆体最大变形量由杆体受力和弹簧的弹性压缩系数决定。

(a) Conebolt锚杆[3]；(b) Garford Solid锚杆[4]；(c)恒阻大变形锚杆[14]；(d)弹簧压缩式锚杆[15]

(2) 杆体可伸长让压锚杆。杆体可伸长让压锚杆通过改变杆体形状或材料性质达到增加其变形量的效果。Durabar 型锚杆[4]由光滑杆体、正弦波弯曲结构以及托盘和螺母组成，如图7(a)所示，当荷载达到该锚杆的设计屈服极限时，杆体通过在硬化的锚固剂中滑动而屈服，其极限荷载不仅与杆体和锚固剂之间的摩擦系数有关，其弯曲结构主要起锚固作用。D 型锚杆[4]在光滑杆体上设计有多个波浪形结构的锚节，锚节分为叶片形和波纹形，如图7(b)所示，相邻两个锚节之间的杆体长度可根据不同围岩条件进行设计，围岩变形过程中锚节牢牢固定在锚固剂中，通过锚杆多点受力将杆体分成若干个自由段和锚固单元，围岩变形过程中能够充分发挥各个自由段的变形优势。侯朝炯针对锚杆螺纹段强度低而经常发生破坏的问题，提出H型杆体可延伸增强锚杆[7]，图 7(c)所示，通过对锚尾螺纹段做高温处理，使锚尾强度大于杆体，围岩发生变形后保证断裂位置在锚杆杆体而不在锚尾，利用杆体的塑性变形适应围岩变形的要求，并提高锚杆整体刚度[16]。针对岩爆巷道常发生表面岩层剥离导致锚杆托盘悬空的问题，王斌提出动静组合锚杆[12]，其对可伸长杆体两端进行锚固，并将可伸长构件置于弹性区和破裂区边界附近，锚杆既能够提供一定的变形空间，破裂区全长锚固的锚杆又能够对层裂岩体提供补强作用，图7(d)所示是在现场应用的弯曲型动静组合锚杆。

(a) Durabar 型锚杆[4]；(b) D型锚杆[4]；(c) H型杆体可延伸增强锚杆[16]；(d)弯曲型动静组合锚杆[12]

2.2 可伸长构件所在位置分类

(1) 孔内可伸长让压锚杆。孔内可伸长让压锚杆将可伸长构件设置在孔内，依靠异形杆体或杆体与机械结构的挤压摩擦提供让压变形能力，可选择布置结构元件滑移和杆体可伸长两类元件，因让压变形构件在巷道围岩深部，更强调锚杆的主动支护功能。前述Garford Solid锚杆、恒阻大变形锚杆、Durabar 型锚杆、D 型锚杆、H型杆体可延伸增强锚杆、动静组合锚杆都是典型的孔内可伸长让压锚杆。图8(a)所示的Roofex锚杆[17]，当杆体所受荷载超过预设值时，插有销钉的吸能构件与杆体发生相对移动，达到抵抗围岩变形对杆体产生破坏的效果。图8(b)所示的吸能防冲锚杆索利用吸能套管将锚杆和锚索连接，并在锚尾垫片和托盘之间安装吸能装置，发生冲击地压时，一方面锚杆依靠吸能套管的摩擦发生滑移，另一方面依靠锚尾吸能装置实现让位吸能[18]。图8(c)拉压耦合大变形锚杆锚头段杆体表面加工成粗糙状，锚尾通过螺纹、螺母固定，中间光圆段两端各安装一个锚节，锚节起到阻止粗糙段外移以及支撑围岩的作用，中间光圆段的变形和让压作用得到发挥[3]。

(a) Roofex锚杆[17]；(b) 吸能防冲锚杆[18]；(c) 拉压耦合大变形锚杆[3]

(2) 孔外可伸长让压锚杆。孔外可伸长让压锚杆通过在锚孔外侧安装让压变形构件，围岩发生膨胀变形时挤压外部的让压构件发生变形，让压构件布置在孔外，方便安装与更换且易于观察变形破坏情况。孔口弹簧式压缩锚杆[15]和动压软岩巷道用让压锚杆[13]分别如图6(d)和9(a)所示，通过在孔外增加弹簧构件，围岩发生变形时托盘受力挤压弹簧构件，弹簧构件的变形量就是允许围岩能够发生的变形量。高强让压锚杆[10]、塑料压缩筒可伸长让压锚杆[15]、预应力让压锚杆[11]都是通过在锚孔外侧安装金属让压管或塑料让压管，其基本结构形式如图9(b)所示，围岩变形时让压管受挤压变形，其变形量就是锚杆允许围岩产生的变形量。

(a)动压软岩巷道用让压锚杆[13]；(b)预应力让压锚杆[10]

3 问题与展望

3.1 问 题

现有可伸长让压锚杆种类较多，但大多数没有得到很好的应用推广，究其原因主要有以下几点：

(1) 可伸长让压锚杆在较高的工作阻力下保持恒定变形的能力依然很弱，相比于普通锚杆变形量有所增大，但是依然不能达到控制围岩大变形的要求[19]，尤其深部软岩大变形巷道的变形量很大；

(2) 深部硬岩锚杆让压支护与软岩是有区别的，硬岩破坏的主要问题是断裂而不是变形，针对岩爆灾害防治的可伸长让压锚杆，对硬岩的破坏特点没有充分把握，如锚杆托盘位置硬脆岩体易发生层裂片剥，导致锚杆托盘悬空而锚固失效[20]；

(3) 锚杆承载力设计不足，不能够适应深部巷道的高地应力环境；

(4) 结构设计复杂，没有考虑让压变形构件的制作成本，对其安装工艺考虑不到位也是制约因素之一。

3.2 展 望

(1) 可伸长让压锚杆的让压变形设计，要区分硬岩和软岩的作用效果。可伸长让压锚杆的提出，最初是基于软岩巷道大变形实际情况，因此，深部软岩支护时，可伸长让压锚杆同时考虑强度和延伸量时，应偏重延伸能力的设计。对于硬岩支护时，应偏重吸能或耗能设计，因为硬岩不允许进入塑性，深部硬岩在高应力条件下会积聚大量应变能[6, 21]，让压变形构件更应遵循能量释放原则，如采用柔性材料加以控制[22]，或通过降低应力集中程度并耗散岩体内积聚的应变能，此对策对坚硬且完整的深部硬脆性岩体的让压支护十分有利[23]。

(2) 未来可伸长让压锚杆的设计，要注重新材料、新结构的研发，注重现场试验的重要性，为优化可伸长让压锚杆提供科学依据，还要对可伸长让压锚杆配件的各个参数进行细致的分析，研发适合于不同工况的一系列可伸长让压锚杆，扩大对可伸长让压锚杆的应用范围，如利用让压构件的变形特点开发可供实时监测的智能让压锚杆[17]。

(3) 高预应力条件下锚杆的主动支护作用能得到充分发挥[24]，在可伸长让压锚杆研究领域，应充分利用预应力的这种增强效果，如美国捷马公司设计的高预应力让压锚杆以能让压和施加高预应力著称[25]，通过对高预应力让压锚杆研究，发现该锚杆能提供较高的预应力控制围岩早期变形[10]。

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国家自然科学基金资助项目(51674116).

(2019−01−24)

郭泽洋(1994—)，男，河南安阳人，在读硕士研究生，主要从事采矿与岩石力学方面的研究，Email: 2692353750@qq.com。

王 斌(1975—)，男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事采矿与岩石力学方面的教学与研究工作，Email: wb21c@sina.com.cn。