預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的作用

鄧天琳

(大同煤礦集團(tuán)設(shè)計(jì)研究有限公司，山西大同037003)

0 引言

錨桿支護(hù)系統(tǒng)在人們的日常生活中已得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在煤礦巷道建設(shè)中，因其安全性高、強(qiáng)度大的特點(diǎn)成為了巷道支護(hù)的主要方式。然而，隨著近年來(lái)我國(guó)煤礦開(kāi)采規(guī)模的不斷增大及礦井深度的增加，對(duì)礦井巷道施工技術(shù)的要求也逐漸提升。為保證礦下工作人員的安全及采礦工作的效率，礦井應(yīng)力巷道必須具備較大的橫截面積、較高的抗震系數(shù)，為此必須有效提高巷道的支護(hù)效果。

1 錨桿支護(hù)系統(tǒng)剛度與預(yù)應(yīng)力的重要性

提高錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度是保證巷道安全性和強(qiáng)度的有效手段。其中主要的方式有增加錨桿的預(yù)應(yīng)力和增加錨固長(zhǎng)度兩種方式。與此同時(shí)，還應(yīng)相應(yīng)地通過(guò)鋼板、拖帶等部件將預(yù)應(yīng)力分散到整個(gè)系統(tǒng)中，從而有效方式支護(hù)結(jié)構(gòu)的錯(cuò)位和分離。

錨桿預(yù)應(yīng)力還包含了以下幾項(xiàng)內(nèi)容:①錨桿預(yù)緊力，即在安裝錨桿時(shí)對(duì)錨桿向軸心的拉力。②錨桿預(yù)緊力距，即軸心拉力到施力點(diǎn)的距離。③錨桿預(yù)應(yīng)力，指的是在錨桿安裝過(guò)程中對(duì)錨桿的軸心拉應(yīng)力。錨桿預(yù)應(yīng)力的大小與錨桿預(yù)緊力和錨桿的橫截面積相關(guān)，并可以根據(jù)兩者的一定換算關(guān)系得出。

錨桿預(yù)應(yīng)力在土木建設(shè)工程中應(yīng)用十分廣泛，其主要作用是加固巖土，提高建筑項(xiàng)目的安全性。預(yù)應(yīng)力錨桿與錨桿固定相結(jié)合的方式是工程項(xiàng)目中最為常見(jiàn)的支護(hù)方式。

最先對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力進(jìn)行研究和應(yīng)用的國(guó)家是美國(guó)。早在20 世紀(jì)后期，美國(guó)就利用錨桿預(yù)應(yīng)力支護(hù)礦山巷道。美國(guó)當(dāng)時(shí)采用的提高錨桿預(yù)應(yīng)力的方式是使用擴(kuò)殼式的錨頭，并將其與樹(shù)脂錨固劑結(jié)合使用。這種支護(hù)方式在當(dāng)時(shí)取得了很好的成效，錨桿的強(qiáng)度和安全性獲得了極大的提升。美國(guó)的礦山巷道支護(hù)系統(tǒng)的改進(jìn)能獲得成功的原因主要有3 個(gè)。首先是對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用有效地提高了頂板的抗震強(qiáng)度;其次是對(duì)錨桿的精細(xì)加工大大提升了錨桿的穩(wěn)定性;此外，美國(guó)當(dāng)時(shí)采用了最為先進(jìn)的錨桿施工器械，也在一定程度上提升了錨桿的支護(hù)性能。

美國(guó)對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力的研究成果對(duì)我國(guó)產(chǎn)生了巨大影響。我國(guó)學(xué)者在美國(guó)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究得出，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力在60 ～70 kN 時(shí)，其支護(hù)效果可以達(dá)到最佳狀態(tài)。之后又有專家將樹(shù)枝錨固試劑應(yīng)用到了錨索固定上，有效避免了巖層分離、滑動(dòng)的現(xiàn)象。

盡管我國(guó)在錨桿預(yù)應(yīng)力的研究應(yīng)用上取得了一定的成果，但對(duì)這一領(lǐng)域的研究還不夠深入。在我國(guó)的工程項(xiàng)目中，一般通過(guò)加大錨桿桿體密度的方式來(lái)提高錨桿的支護(hù)效果，這一做法雖然能在一定程度上提升錨桿強(qiáng)度，但也容易產(chǎn)生起錨桿延展性弱，機(jī)動(dòng)性差等問(wèn)題。為此，我國(guó)必須從理論出發(fā)，總結(jié)支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，并進(jìn)一步優(yōu)化錨桿施工器械和材料，從而提升錨桿支護(hù)系統(tǒng)的整體性能。

2 預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論

2.1 錨桿支護(hù)作用分析

錨桿支護(hù)技術(shù)主要是用于對(duì)巖石的加固。其中巖石的密度、內(nèi)部構(gòu)造及性質(zhì)等都會(huì)對(duì)錨桿的支護(hù)效果產(chǎn)生不同程度的影響。錨桿支護(hù)系統(tǒng)的作用主要可分為以下幾種。

錨桿支護(hù)系統(tǒng)可提高巖石的強(qiáng)度、粘合度及抗壓度等。錨桿支護(hù)對(duì)巖石加固主要通過(guò)改變巖石的物理性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。錨桿支護(hù)可提高巖石結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度。錨桿可以對(duì)巖石提供一定的軸心力和橫向力，從而有效提高巖石在結(jié)構(gòu)面上的強(qiáng)度，保證巖石的穩(wěn)定性和整體性。

錨桿支護(hù)能改善巖石的受力狀態(tài)。錨桿會(huì)對(duì)巖石施加一定的壓力，這一部分壓力可與巖石受到的摩擦力進(jìn)行一定程度的抵消，從而減少巖石的磨損。

2.2 預(yù)應(yīng)力對(duì)錨桿支護(hù)的作用機(jī)理

隨著近來(lái)來(lái)科技的進(jìn)步，我國(guó)的錨桿支護(hù)技術(shù)也獲得了一定的發(fā)展，尤其是在理論層面的研究上，有越來(lái)越多的專家學(xué)者開(kāi)始意識(shí)到增加錨固剛度的重要性，其中提高錨桿預(yù)應(yīng)力是有效提高錨桿強(qiáng)度的主要手段。我國(guó)最早采用的預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)是樹(shù)脂錨固錨索技術(shù)。這種技術(shù)通過(guò)增大錨固深度為錨索提供了更大的預(yù)應(yīng)力，從而提高了錨索的整體強(qiáng)度。隨著研究的不斷深入和發(fā)展，我國(guó)的錨桿支護(hù)理論有了更全面科學(xué)的體系。

首先，預(yù)應(yīng)力錨桿應(yīng)用的根本目的在于防止巖石的分裂、滑動(dòng)，保證巖石的整體性和強(qiáng)度。其次，錨桿預(yù)應(yīng)力是決定錨桿支護(hù)效果的主要因素。在提高錨桿預(yù)應(yīng)力時(shí)不僅要增強(qiáng)錨桿的強(qiáng)度，還應(yīng)通過(guò)相應(yīng)的連接部件將預(yù)應(yīng)力進(jìn)行分散，提高整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度。錨桿支護(hù)系統(tǒng)也存在著一定的受壓限度。為保證錨桿支護(hù)系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，必須使支護(hù)系統(tǒng)的最大剛度大于受壓限度，從而有效避免支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。錨桿支護(hù)系統(tǒng)還應(yīng)具備一定的彈性，在收到壓力的沖擊時(shí)能夠通過(guò)一定限度的變形來(lái)分散壓力，從而必須支護(hù)系統(tǒng)的斷裂與破壞。為此，在保證錨桿所需強(qiáng)度的同時(shí)，還應(yīng)保證錨桿具備一定的韌性和延伸性。預(yù)應(yīng)力錨索在錨桿支護(hù)系統(tǒng)中也起到了關(guān)鍵作用。其用途主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:首先，預(yù)應(yīng)力錨索是將錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖石相連的紐帶;提高錨索的強(qiáng)度也能在一定程度上提高預(yù)應(yīng)力的承壓能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其次，錨索與錨桿共同形成了錨桿支護(hù)系統(tǒng)的骨架，是防護(hù)巖石的主要結(jié)構(gòu)。

3 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)材料的選擇

錨桿支護(hù)材料主要包括螺母、桿體、錨固劑、錨索、鋼板等。錨桿支護(hù)材料的強(qiáng)度會(huì)極大地影響錨桿的支護(hù)效果和穩(wěn)定性。在進(jìn)行錨桿支護(hù)材料的選擇時(shí)應(yīng)遵循以下原則。

錨桿桿體應(yīng)具備一定的抗壓能力。當(dāng)桿體受到較大的壓力時(shí)，桿體應(yīng)能夠通過(guò)一定的延展和變形將力進(jìn)行分散或傳導(dǎo)，從而將能量進(jìn)行分化，防止支護(hù)結(jié)構(gòu)的斷裂。

錨桿桿體的底部應(yīng)有相對(duì)較大的預(yù)應(yīng)力，這主要是由于在巷道施工中，桿體底部一般承受較大的壓力。增加桿體底部的預(yù)應(yīng)力可通過(guò)對(duì)底部螺紋進(jìn)行精細(xì)加工或改變其形狀、尺寸等方式實(shí)現(xiàn)。

錨桿螺母、托板等部件應(yīng)與桿體實(shí)現(xiàn)精確的匹配。當(dāng)部件與桿體無(wú)法較好地組合在一起時(shí)，容易引起部件的滑動(dòng)、扭轉(zhuǎn)、摩擦等，從而引起部件和桿體的磨損。

錨索應(yīng)具備一定的韌性和承壓性。錨索在支護(hù)系統(tǒng)中主要起到了連接的作用，因此較常受到扭轉(zhuǎn)力、拉伸力等，容易磨損。提高錨索的韌性和承壓性能夠有效提升預(yù)應(yīng)力，延長(zhǎng)錨索使用壽命。

托板、鋼帶等部件的性能應(yīng)與錨桿和錨索相一致，從而使錨桿上的預(yù)應(yīng)力能獲得高效的分散。

為提高錨桿支護(hù)體系的強(qiáng)度，我國(guó)在近年來(lái)開(kāi)始致力于提高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)材料的質(zhì)量。在錨桿底部螺紋的加工上，我國(guó)對(duì)其形狀和尺寸進(jìn)行了一定的優(yōu)化，使其更符合工程力學(xué)和支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度要求。同時(shí)在生產(chǎn)時(shí)也采用了精細(xì)加工的方式，大大提高了螺紋加工的質(zhì)量。

在托板、螺母的加工上，一方面采用了強(qiáng)度更大的材料，另一方面也對(duì)其形狀和尺寸進(jìn)行了一定的調(diào)整，并使其能與錨桿較好地結(jié)合。

在錨固方面，我國(guó)采用了最新的樹(shù)脂錨固，并在其直徑、橫截面、結(jié)構(gòu)上都進(jìn)行了一定的優(yōu)化。于此同時(shí)，還開(kāi)發(fā)出了與錨索相配合的特定托板，使支護(hù)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)性能都獲得了提升。

4 結(jié)語(yǔ)

錨桿預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用可以有效提高錨桿支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度和支護(hù)效果。當(dāng)錨桿受到較大壓力時(shí)，可通過(guò)一定的制動(dòng)系統(tǒng)和程序?qū)αM(jìn)行分散。當(dāng)錨桿受到的預(yù)應(yīng)力較大時(shí)，可通過(guò)托板、鋼帶等部件對(duì)力進(jìn)行分散;當(dāng)錨桿受到了預(yù)應(yīng)力較低時(shí)，有效壓力感應(yīng)器也相應(yīng)變小。

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