让压锚索力学特性及支护机理探讨

沈磊磊

(潞安环能股份公司 王庄煤矿，山西 长治 046031)

让压锚索是基于采深较大、岩层岩性较弱以及巷道开挖后可能引起大变形等而设计的一种区别于常规锚索结构和支护类型的可延伸锚索[1]。与常规锚索相比较，让压锚索的最大特点是增加了可以较大程度缓解围岩压力对锚索损伤的让压装置，能够提高支护阻力，可塑性好，具有很好的让压效果，能够抵抗强烈的外力作用，避免锚索发生破断失效，从而保证支护的可靠性和安全性[1-2]。而且让压装置可以根据巷道支护条件、支护特点、以及巷道可能存在的围岩压力等进行规格选择，所以让压锚索可以在多种条件下适应巷道围岩变形对让压锚索的影响[3-4]。

为了更好地掌握让压锚索的支护性能，提升让压锚索的支护效果，本文对让压锚索的力学特性及支护作用机理进行探讨，以期为支护参数的选择提供依据。

1 让压锚索的组成及参数

让压锚索主要由金属垫圈、托盘、锁具、让压装置和锚索钢绞线等组成，其中让压装置是让压锚索最为主要的组成部分，让压装置的类型和参数选择直接关系到让压锚索(杆)的支护效果。根据让压管系统内力压力的变形特征曲线与让压管系统压力理想状态相对比，可以将让压锚索(杆)让压管分为理想型、补偿型和损失型，即系统内力与理想状态相比较有所增大则为补偿型，反之为损失型，见图1。

让压管是让压锚索(杆)的重要组成部分，而为了保持让压锚索(杆)具有有效的支护性能，必须选择科学合理的让压管基本参数。让压管的基本设计参数包括：

1) 让压点：让压管开始产生让压作用的起始载荷。

图1 让压管变形特征曲线

2) 让压载荷的稳定性：让压锚索(杆)在受力起支撑作用情况下，让压管必须保持载荷稳定性，出现较大的荷载波动直接影响到让压效果。荷载波动幅度由让压稳定系数k衡量，当k=0时表示理想情况下，锚索荷载达到设计让压荷载时，让压管开始工作提供让压位移。

(1)

式中：k为让压稳定性系数，kN/mm；Fi为让压终端荷载，kN；Fy为让压起始荷载，kN；D为最大让压位移，mm。

3) 最大让压位移：让压锚索(杆)在让压支护过程中，让压管所能提供的极限距离阈值。

2 让压锚索力学特性

让压锚索的让压机理，可以简化为在一定的弹力范围内，通过让压管提供的弹性装置将巷道围岩施加给让压锚索(杆)的外界压力进行传递和转换，以便可以在一定围岩应力作用范围内让压锚索(杆)保持稳定的支护效果，类似于胡克定律，而整个让压锚索的让压支护过程也遵循胡克定律。巷道围岩采用让压锚索进行支护，在受到围岩应力作用下，让压锚索能够提供很好的支护阻力，可塑性条件好，在起到对围岩主动支护作用的同时，具有很好的让压效果，能够抵抗强烈的外力作用而不会致使锚索发生破断失效，从而保证巷道支护的可靠性和安全性。根据让压锚索与围岩应力之间的相互作用产生的应力应变状态，可以将让压锚索力学特性分为5个阶段，见图2。

图2 让压锚索应力应变曲线

1) OA阶段，初期让压锚索受到应力作用发生弹性变形。

2) AB阶段，随着让压锚索受应力作用逐渐增强，让压管开始发挥作用，该阶段由于受到让压管弹性作用，让压锚索应力变化较小，让压锚索变形量随着围岩应力变化而发生变化。

3) BC阶段，在让压管作用下，随着围岩应力进一步增大，让压管逐渐达到荷载应力极限，让压滑动变形逐步向弹性变形阶段转变，锚索承载的应力逐渐增大。

4) CD阶段，由于超过让压锚索的弹性范围，应力荷载超出极限应力承载，让压锚索发生屈服，锚索材料发生塑性变形和组织变化，但让压锚索的支护性能更为提高，锚索应变发生明显变化。

5) DE阶段，随着围岩应力的进一步增大，让压锚索弹性和塑性变化达到极致，锚索逐步进入脆性变化阶段，该阶段应力作用大于锚索强度极限，锚索支护效果迅速下降，锚索破损。

3 让压锚索的支护机理

为了了解让压锚索对巷道围岩的支护作用机理，探讨让压锚索产生的锚固力作用与围岩受到应力变化产生的变形量间的关系，可以利用让压锚索与围岩变形之间的支护、作用、协调关系进行说明。按照锚索发挥的支护作用不同，将锚索的锚固力分为径向锚固力和切向锚固力，其中径向发挥锚索的支护作用，切向发挥锚索的加固作用，见图3。未使用锚索支护条件下，巷道围岩在承受应力作用下表现的变形曲线为P0AG，使用让压锚索支护后，巷道围岩压力与位移关系曲线为P0ABD，而在径向作用力曲线ECB缺失的锚索支护条件下巷道围岩的位移曲线为P0ABF，在让压锚索处于让压状态下，让压锚索锚固力与围岩变形关系处于平衡状态，A点为安设锚索支护前后巷道围岩压力与变形曲线的节点，即A点后锚索支护作用逐渐发挥，巷道围岩逐渐趋于稳定。根据图3中表示，让压锚索响应巷道围岩应力产生支护作用可以分为切向锚固支护作用曲线ABF、径向锚固支护作用曲线ECB和让压锚索产生的让压支护作用曲线EHD三个分支，B为围岩变形与锚索支护作用平衡点，如果ECB曲线上某点缺失，就会致使巷道变形向F点发展，可能会造成巷道围岩某点上的失稳。而在让压锚索产生的让压作用下，锚固力与围岩发生的变形曲线改变为EHD，锚固平衡点B转变为点D。

图3 让压锚杆锚固力与围岩变形关系

从另一个角度来进行分析，锚固力与围岩变形关系可以由锚索响应巷道围岩应力作用而产生的响应方式进行探讨。在巷道围岩进行支护后，锚索逐渐对巷道围岩进行支护、强化，迫使围岩原有变形曲线发生改变，锚索所产生的锚固力的大小与巷道围岩所作出的应力反应呈正比，即围岩压力越大，锚固力越大，该阶段巷道围岩的应力作用于锚索支护系统，发生了变形能向锚索系统弹性能的转变(EC段或EH段)。而随着应力作用的逐渐增大，让压锚索中的让压构件开始发挥作用，该阶段，虽然围岩应力在不断增大，但锚索发生的弹性变化逐渐由让压构件产生的让压性能代替，该阶段主要为巷道围岩的变形能向让压变形能之间的转变，锚索本身的弹性能未发生改变(HD段)。选择的让压锚索对巷道围岩是否可以产生好的支护性能，即选择的让压构件最大让压距离是否能满足巷道围岩应力变形对锚索本身的应力作用范围，如果不能满足，则锚索在CD阶段某节点就会提早进入锚索屈服阶段，造成锚索自身损耗。

4 结 语

1) 与传统锚索相比，基于让压构件，让压锚索支护过程中可以对围岩应力作用起到一个缓冲作用，从而在同等围岩应变条件下，让压锚索受力明显小于传统锚索。

2) 在支护过程中，让压锚索与围岩形成了相互协调的作用关系，让压锚索可以吸收围岩变形产生的部分能量，能够起到较好的让压效果，同时控制围岩塑性破坏区向深部转移。

3) 让压锚索的支护效果关键在于让压距离的合理选择，而合理的让压距离也是保证围岩发生变形时锚索不被破坏、失效的关键。