錨桿支護技術(shù)中一些問題的探討

1 錨固力與錨桿拉拔力
　　錨固力與錨桿拉拔力區(qū)別
　　1）錨固力是錨桿對圍巖產(chǎn)生的約束力，是限制圍巖變形，起支護作用的力。錨桿拉拔力是錨桿錨固后拉拔實驗時，所能承受的極限載荷，反映的是桿體、錨固劑、巖石粘結(jié)到一起后，錨桿破斷或失效的最大拉力。
　　2）錨固力隨著被支護圍巖變形、圍巖的膨脹而增大，因此錨固力是一個動態(tài)發(fā)展并不斷變化的力。錨桿拉拔力是一個固定值，不隨圍巖變形和錨桿受力而改變。如果圍巖不發(fā)生變形且不考慮桿體的松馳效應(yīng)，錨固力等于初錨力。
　　3）錨固力檢測使用安裝于錨桿螺母和托盤之間的錨桿測力計，一般在錨桿安裝時把錨桿測力計安好。檢測錨固力是為了監(jiān)測錨桿受力狀況，需要進行長期觀測。錨桿拉拔力檢測使用錨桿拉力計，檢測可以在錨桿安裝完成后任何時候進行，檢測錨桿拉拔力是為了查驗錨桿桿體、錨固劑、巖石粘結(jié)效果。在施工中，檢測錨桿拉拔力時，一般只要達到設(shè)計錨固力即可；在做破壞性檢測時，則要求錨桿被拉斷或錨桿被拉出才終止。
　　4）檢查錨桿施工質(zhì)量時，一般檢查錨桿拉拔力。監(jiān)測分析錨桿工作情況時，測錨固力。測量錨固力是為了驗證支護的可靠性，為以后修改支護設(shè)計提供依據(jù)。設(shè)計和施工時，必須保證錨桿拉拔力大于桿體破斷力這一基本原則，即錨桿桿體受力超過其破斷力后，錨桿可能被拉斷，但錨桿不能被拉出。常見錯誤是設(shè)計的錨桿拉拔力小于桿體破斷力。
　　5）施工、設(shè)計中錨固力與錨桿拉拔力經(jīng)?；煜?、混用。二者混淆原因一方面是由于一些標準、教課書說法不一，造成混亂；另一方面對二者內(nèi)涵認識理解有誤，辨識不清。
　　2 預(yù)緊力和預(yù)緊力矩
　　預(yù)緊力和預(yù)緊力矩關(guān)系
　　1）二者有定性的關(guān)系，通常預(yù)緊力矩越大，預(yù)緊力越大，但非線性關(guān)系。
　　2）預(yù)緊力是力，是施加在錨桿（錨索）上的拉力，單位kN；預(yù)緊力矩是力矩，施加在壓緊螺母上，單位N?m。
　　3）二者測量儀器不同。預(yù)緊力可以通過安裝在錨桿托盤與螺母間的錨桿測力計觀測；預(yù)緊力矩可以通過數(shù)字顯示或帶有刻度顯示的錨桿扭力扳手觀測。
　　4）錨桿施工設(shè)計要求的是預(yù)緊力，而不是預(yù)緊力矩。但在實際施工中，由于預(yù)緊力矩測讀方便而預(yù)緊力測量相對復(fù)雜，且預(yù)緊力隨著預(yù)緊力矩增大而增大，為了檢測方便，通過直接檢測預(yù)緊力矩而達到間接檢測錨桿的預(yù)緊力的目的。因此，錨桿安裝時通常檢測預(yù)緊力矩，而不檢測預(yù)緊力。
　　5）增大錨桿預(yù)緊力方法可以從兩方面入手，一是提供足夠大的原動力，二是上緊螺母。
　　3 預(yù)緊力的作用及要求
　　1）預(yù)緊力能夠發(fā)揮錨桿主動支護作用，特別是在層狀巖層、破碎圍巖條件下，增大預(yù)緊力能夠改變圍巖性質(zhì)，防止圍巖破壞，保持圍巖穩(wěn)定，有利于對圍巖支護。
　　2）試驗證明，如果頂板圍巖有整體離層冒落的趨勢時，只有預(yù)緊力大于潛在冒落圍巖重量時，才能阻止圍巖離層趨勢的出現(xiàn)和繼續(xù)發(fā)展，才能發(fā)揮錨桿主動支護作用。
　　3）錨桿預(yù)緊力矩越大越好。由于受錨桿施工機具限制，手動錨桿安裝機具預(yù)緊力在100～200N?m，產(chǎn)生初錨力可達到10～20kN；機載錨桿機具預(yù)緊力可達200～300N?m，產(chǎn)生初錨力可達30kN。例如，一根長度2.4m的錨桿，間排距為800×800（mm）時，單根錨桿支護圍巖重量約3.5t。由于受到錨桿安裝工藝、施工機具的限制，35kN的預(yù)緊力較難達到。所以定性說：錨桿預(yù)緊力矩越大越好，以獲得較大的預(yù)緊力。
　　4）只有達到一定的預(yù)緊力后，錨桿才能發(fā)揮主動支護的作用，形成組合梁、組合板結(jié)構(gòu)。隨著新的施工機具出現(xiàn)，預(yù)緊力將會逐漸增大，合適的預(yù)緊力范圍為：下限大于支護的圍巖重量，上限為錨桿屈服強度的70%。
　　5）現(xiàn)場常見問題：一是，預(yù)緊力偏低，甚至為零，發(fā)揮不了錨桿主動支護作用；二是，預(yù)緊力大小相差懸殊，造成錨桿受力不均。使用機械快速安裝工藝，可避免上述問題的發(fā)生。
　　4 錨桿設(shè)計問題
　　錨桿設(shè)計時，一般是采用懸吊理論來計算錨桿的直徑，這種設(shè)計理念在礦壓小、圍巖運動方向與錨桿平行的條件下適用，但在高應(yīng)力、圍巖運動方向與錨桿方向不一致時則受到限制。例如，一些高應(yīng)力巷道整修時發(fā)現(xiàn)，一些錨桿被擠壓變形成為類似汽車搖把“造”型，平行于錨桿的觀測鉆孔發(fā)生錯位等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象說明，錨桿的受力方向非常復(fù)雜，既有沿錨桿軸向的力，也有與錨桿方向垂直或成一定角度的剪切應(yīng)力，因此選擇錨桿強度時必須綜合各方面因素，不僅要考慮錨桿拉伸強度，還要考慮剪切強度，特別是高應(yīng)力條件下，如果只考慮錨桿拉伸強度，所選的錨桿直徑必然偏小，強度偏低，造成支護失敗。
　　根據(jù)多年錨桿支護實踐經(jīng)驗和對錨桿支護機理的研究分析，獲得錨桿支護設(shè)計理念為：Ⅰ、Ⅱ類圍巖巷道條件，壓力小時，應(yīng)用懸吊理論指導(dǎo)設(shè)計施工；Ⅲ、Ⅳ類圍巖巷道條件，壓力中等時，應(yīng)用組合梁、組合拱理論指導(dǎo)設(shè)計施工；Ⅴ類圍巖巷道條件，壓力大時，應(yīng)用圍巖強化理論指導(dǎo)設(shè)計施工。
　　5 錨桿制作和檢測中存在的問題
　　5.1 錨桿螺紋段強度低
　　標準MT146.2-2002規(guī)定：錨桿尾部螺紋承載力不低于桿體的屈服強度，桿體延伸率不低于15%。以直徑20mm、長2200mm錨桿為例，錨桿檢測數(shù)據(jù)如下表所示：
　　從表中可以看出，錨桿各項檢測指標均符合MT146.2-2002標準，檢測結(jié)果錨桿各參數(shù)均合格，檢測結(jié)論“錨桿合格”。但在現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，錨桿受力達到130kN時，許多錨桿從螺紋處斷裂，此時圍巖變形量不超過100mm，遠遠小于錨桿延伸率30%的許可變形量，且錨桿受力遠小于其破斷力，出現(xiàn)了“合格錨桿”不合格的問題。為什么“合格錨桿”不能適應(yīng)巷道變形？通過試驗室錨桿拉伸試驗，當錨桿受力130kN時，桿體延伸率僅僅2%，再增大載荷，錨桿將從螺紋段斷裂，因此所謂桿體延伸率30%不是代表整套錨桿的延伸率，整根錨桿延伸率應(yīng)該只有2%。要想達到整根錨桿30%的延伸率，必須增大錨桿螺紋段強度，使錨桿各處強度相等。一根合格的錨桿在受力后，應(yīng)經(jīng)過如下過程：圍巖變形→錨桿受力后被拉伸→圍巖中積聚的能量隨圍巖變形而釋放→圍巖變形量達到一定程度后→錨桿變形量超過其容許量――錨桿受力達到破斷強度而斷裂――支護失效。如果錨桿制作有缺陷，存在弱面、螺紋段強度低等問題，在圍巖發(fā)生輕微變形時，錨桿因螺紋段（弱面）先達到破斷極限而斷裂，此時錨桿延伸量非常小，錨桿不能經(jīng)過“錨桿拉伸→圍巖應(yīng)力釋放、卸壓”的過程，而是在受力后，錨桿迅速被拉斷，失去對圍巖的支護作用。因此錨桿尾部螺紋承載力不應(yīng)低于桿體的破斷強度的95%，在做錨桿延伸率檢測時，包括螺紋段在內(nèi)的整個錨桿桿體延伸率應(yīng)不低于15%，這樣桿體強度和延伸率兩項檢測指標才合格，錨桿才能適應(yīng)高應(yīng)力、大變形圍巖支護需要。
　　5.2 錨桿配件強度低
　　錨桿制作時，常出錨桿配件強度低的問題。表現(xiàn)為，在高應(yīng)力巷道，錨桿受力后出現(xiàn)螺母穿透托盤、錨桿螺母滑絲、螺母被壓裂等問題。因此，在錨桿制作時，做到錨桿配件強度高于桿體強度。
　　5.3 錨桿制作、檢測要求
　　隨著對錨桿支護認識的深入和錨桿制作工藝水平的提高，錨桿檢測標準亟待完善：
　　1）合格錨桿必須綜合考慮錨桿各部位、部件后綜合做結(jié)論，不能分割開來，否則錨桿檢測時將出現(xiàn)各分項都合格，而綜合結(jié)果卻不合格問題；
　　2）檢測標準中錨桿配件需要從不低于屈服強度提高到不低于桿體實際的破斷強度。
　　如果不能滿足上面兩方面要求，在高應(yīng)力大變形圍巖條件下，錨桿支護不能發(fā)揮應(yīng)有的作用，起不到讓壓、卸壓作用，滿足不了工程需要，將存在極大隱患。因此在高應(yīng)力條件必須使用等強錨桿，高度重視錨桿制作質(zhì)量，才能充分發(fā)揮錨桿的支護作用。
　　6 結(jié)論
　　錨桿支護技術(shù)在過去的幾十年中，經(jīng)過不斷發(fā)展、完善，應(yīng)用范圍不斷擴大，已經(jīng)成為礦山支護的主要技術(shù)手段。隨著對錨桿支護機理的深入研究、施工工藝、施工設(shè)備的改善和新材料的應(yīng)用，錨桿支護理論將不斷更新，錨桿制作、檢測標準將不斷提高，以適應(yīng)更加復(fù)雜了礦山條件。