淺談煤礦巷道錨桿—錨索聯(lián)合支護(hù)失效的原因

引言
　　煤礦巷道的錨桿支護(hù)，具有勞動強(qiáng)度低、支護(hù)效果好和成本低的特點，因此被廣泛使用。但是，當(dāng)前仍有不少人對錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)作用機(jī)理的認(rèn)識不清，尤其是煤巷施工，錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)的設(shè)計思想與支護(hù)方法存在著不協(xié)調(diào)的矛盾。多數(shù)人認(rèn)為，錨桿與錨索的“懸吊理論”，將頂板松動區(qū)巖石通過錨索懸吊于深部穩(wěn)定巖層上，從而達(dá)到支護(hù)效果。實際中并非如此，頂板離層過大，錨索還未發(fā)揮效能就產(chǎn)生了破斷，使錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)形同虛設(shè)，其實并沒有充分發(fā)揮錨索的工程特性作用。
　　2 錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)機(jī)理
　　錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)，主要是以錨桿支護(hù)作為及時支護(hù)和加固巷道周圍淺部圍巖，從而提高圍巖的整體承載能力和自身穩(wěn)定性。同時，通過預(yù)應(yīng)力錨索作用，一是提高錨桿支護(hù)體的支護(hù)強(qiáng)度，使圍巖變形破壞得到控制；二是圍巖的破壞范圍超過錨桿的錨固長度時，通過預(yù)應(yīng)力錨索的懸吊作用，將頂板松動的巖石懸吊在深部穩(wěn)定的巖層中，防止頂板失控冒落。同時安裝錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索時，錨桿與預(yù)應(yīng)力錨索對圍巖起到相同的加固作用，增強(qiáng)了錨巖支護(hù)體的承載能力，避免圍巖發(fā)生破壞。軟巖和破碎頂板巷道中，圍巖的變形量很大，在巷道開挖初期進(jìn)行支護(hù)時，主要靠錨桿的柔性支護(hù)，后期則是發(fā)揮了錨索的懸吊作用。錨桿和錨索并沒有同時加強(qiáng)支護(hù)，只是相互取長補(bǔ)短，這樣改善了巷道錨桿支護(hù)的整體支護(hù)性能，實現(xiàn)了控制圍巖大變形的作用。
　　3 支護(hù)失效原因分析
　　為弄清錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)失效的原因，將聯(lián)合支護(hù)這一整體進(jìn)行分解，先對錨桿的失效進(jìn)行分析，再分析聯(lián)合支護(hù)失效的原因。
　　1）錨桿失效原因。許多專家學(xué)者運(yùn)用各種方法對大量煤巷頂板錨桿支護(hù)失敗的案例進(jìn)行了分析，得出了導(dǎo)致錨桿支護(hù)失敗的根本原因：①施工管理水平差。技術(shù)力量薄弱、管理人員輕視、施工管理制度不完善及責(zé)任心不強(qiáng)等，會直接導(dǎo)致產(chǎn)生安全隱患。②設(shè)計不合理。分支護(hù)型式和支護(hù)參數(shù)不合理。前者由于圍巖分類錯誤、地質(zhì)調(diào)查不全面、支護(hù)對象不明確、支護(hù)方法不正確及支護(hù)不及時。后者是由錨桿排列方向順序不正確、錨桿長度不夠、錨桿間排距不合理及“三徑”不匹配導(dǎo)致的。③監(jiān)測效果差。如在監(jiān)測管理制度不健全，監(jiān)測人員沒有經(jīng)過培訓(xùn)，監(jiān)測儀器落后且性能不可靠，加上責(zé)任心不強(qiáng)等。監(jiān)測不到位等問題，留下了安全隱患。④錨桿質(zhì)量不合格。分桿體質(zhì)量和配套機(jī)具不合格。前者主要是材料強(qiáng)度不夠，抗拉強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計要求；錨桿結(jié)構(gòu)形式不合理，需要使用粗尾錨桿的卻用普通錨桿，導(dǎo)致錨桿過早破斷；錨桿材料力學(xué)性能不好。較軟煤壁上該使用玻璃鋼錨桿支護(hù)，卻使用了木錨桿；錨桿質(zhì)量差。而配套機(jī)具不合格主要有樹枝藥卷失效、托盤螺母不配套、掘錨機(jī)質(zhì)量性能差等。
　　2）聯(lián)合支護(hù)失效原因。錨桿—錨索聯(lián)合支護(hù)失效的主要原因是在圍巖變形過程中，錨索尚未發(fā)生作用就產(chǎn)生破斷，這與錨索的低延伸率和抗拉強(qiáng)度有關(guān)。錨索力學(xué)指標(biāo)在實際應(yīng)用中與實驗設(shè)計結(jié)果相差太遠(yuǎn)，尤其是預(yù)應(yīng)力錨索的承載能力和延伸率并不能達(dá)到鋼絞線力學(xué)性能的指標(biāo)。
　?、兕A(yù)應(yīng)力錨索工程特性。使用預(yù)應(yīng)力錨索配合錨桿對煤巷進(jìn)行支護(hù)時，應(yīng)用到兩個重要指標(biāo)—錨索的承載能力（或破斷力Fms）和錨索的延伸量Δl。當(dāng)前，錨索的支護(hù)與設(shè)計沒有技術(shù)規(guī)范可循，實際設(shè)計時大多應(yīng)用懸吊理論進(jìn)行并檢驗。因此，僅考慮錨索的破斷力這一指標(biāo)卻忽視了錨索延伸量。其實錨索的延伸量也是關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，它反映了錨索對巷道圍巖變形的適應(yīng)程度。在多數(shù)圍巖條件尤其是軟弱圍巖條件下，錨索的延伸量指標(biāo)在設(shè)計中應(yīng)放在第一位，其次才考慮錨索的承載能力。國家標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定預(yù)應(yīng)筋鋼絞線與錨具組裝件的靜載錨固性能必須同時滿足以下兩項標(biāo)準(zhǔn)：ηa≥0.95，εapu≥2.0%；對于使用1×7結(jié)構(gòu)的1860MPa級別鋼絞線，以上兩項條件可寫成：Fapu≥245.19KN，εapu≥2.0%。根據(jù)以上分析，煤巷支護(hù)條件下預(yù)應(yīng)力錨索的錨固性能需要滿足下列兩項要求：Fms≥221KN，εms≥1.8%。
　　這里兩項要求僅是對錨索在巷道支護(hù)中正常使用應(yīng)該達(dá)到的錨固參數(shù)，并非錨索支護(hù)設(shè)計需要的條件。因為εms不是錨索實際允許圍巖變形的延伸率，而是錨索破斷時的延伸率。能夠被實際工程所利用的錨索延伸率（延伸量）與安裝錨索時所給的預(yù)緊力有很大的關(guān)系，對1×7結(jié)構(gòu)級別鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索，可利用的延伸率為：εl=（1.8-Fy/A）%，式中Fy為錨索預(yù)緊力（kN）；A為錨索鋼絞線的剛度系數(shù)（kN，取221）。
　　如在煤巷支護(hù)實際工程中，安裝錨索的預(yù)緊力為100kN，可利用于適應(yīng)巷道圍巖變形的延伸率為：εl=（1.8-100/221）%=1.35%。顯然，煤巷支護(hù)中錨索可利用的延伸率非常小，僅為鋼絞線國標(biāo)要求的38.6%。錨索延伸率的指標(biāo)在實際工程中應(yīng)用不直觀，所以常使用錨索延伸量這一指標(biāo)。
　　從上得到預(yù)應(yīng)力錨索的兩個重要的工程指標(biāo)： Fms≥221KN，Δl≥（1.8-Fy/221）%×L，式中：Δl為錨索工程延伸量；L為錨索自由段長度。根據(jù)此時，可在設(shè)計時考慮延伸量在錨索適應(yīng)圍巖變形情況。一般安裝錨索時預(yù)緊力越小，其工程延伸量就越大。因為鋼絞線的松弛特性，預(yù)緊后有一定的載荷松弛，預(yù)緊力過小可能造成錨具的滑移和卸載。
　?、谑г颉ｅ^桿-錨索聯(lián)合支護(hù)失效的主要原因是設(shè)計與實際不匹配。主要原因：雖然錨固劑錨固強(qiáng)度符合要求，但每根鋼絞線的錨固程度不一，導(dǎo)致了錨索整體受力不均，支護(hù)失??；施工時使用的錨索比實驗室使用的長很多，按照實驗室指標(biāo)安裝時，由于鋼絞線長度大使其松弛性增大，導(dǎo)致預(yù)緊時在孔口位置處造成每根鋼筋受力不均；巷道圍巖上的孔口處巖壁與鉆孔軸線不垂直也引起每根鋼絞線受力不均，造成鋼絞線在未達(dá)到抗拉強(qiáng)度時，使各條鋼筋逐根破斷；巷道有動載影響時，巷道圍巖的變形破壞活動使錨索受到波動的載荷影響而破斷。
　　從以上看出，預(yù)應(yīng)力錨索破斷的主要原因是鋼絞線各股鋼筋受力不均，也就是單根鋼絞線已經(jīng)破斷時，部分鋼筋未達(dá)到屈服極限。因此，第一股破斷的鋼絞線延伸率通常決定了錨索自由段的延伸率。顯然，設(shè)計錨索支護(hù)時按鋼絞線鋼材延伸率考慮是片面的。另外，錨桿的間排距、錨桿力學(xué)性能的參數(shù)選擇，可在理論計算后采用數(shù)字模擬進(jìn)行檢驗，觀察巷道圍巖的應(yīng)力集中區(qū)域，找出易冒頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。同時，三徑匹配上也要仔細(xì)選擇合理配置。煤礦支護(hù)應(yīng)遵循科學(xué)的方法，要提高隱患排查意識，保障既能滿足生產(chǎn)的安全，又能避免支護(hù)材料的浪費。
　　4 結(jié)束語
　　根據(jù)分析，錨索尚未發(fā)生作用就產(chǎn)生破斷是錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)失效的主要原因。避免措施：提高錨索的力學(xué)特性和改善支護(hù)工藝。提高力學(xué)特性主要是提高錨桿的承載能力，并采用懸吊原理對錨索的承載能力進(jìn)行檢驗。而改善支護(hù)工藝主要是使錨索適應(yīng)圍巖的變形。