淺談礦用錨索失穩(wěn)類型及其影響因素

黃河飛

摘 要：通過現(xiàn)場工程調(diào)研，從圍巖、錨固劑、錨索材料性質(zhì)以及三者接觸界面的力學(xué)性能和傳遞機(jī)制出發(fā)，對錨索錨固失穩(wěn)的類型進(jìn)行了科學(xué)劃分，并分析了失穩(wěn)的主要影響因素。

關(guān)鍵詞：錨索；力學(xué)性能；錨固劑；圍巖

中圖分類號：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.083

根據(jù)錨索支護(hù)機(jī)理，錨索通過錨固劑與鉆孔周圍圍巖黏結(jié)為一體，以深部相對穩(wěn)定圍巖為受力點(diǎn)承受圍巖載荷，進(jìn)而控制圍巖的變形破壞。由此可見，錨索錨固體的穩(wěn)定性控制可維護(hù)一個“系統(tǒng)”的穩(wěn)定性，“系統(tǒng)”中每一單元的工作狀況對錨固體支護(hù)效用的發(fā)揮都至關(guān)重要，任一單元的損傷或破壞都可能導(dǎo)致錨索錨固失穩(wěn)，最終致使錨索支護(hù)失效。因此，本文主要從錨索錨固體的變形破壞特點(diǎn)出發(fā)，從“系統(tǒng)”的角度對礦用錨索的失穩(wěn)類型進(jìn)行劃分，并針對關(guān)鍵影響因素進(jìn)行重點(diǎn)分析，提出有針對性的控制對策。

1 礦用錨索失穩(wěn)的主要類型

通過現(xiàn)場調(diào)研，筆者從圍巖、錨固劑、錨索材料性質(zhì)以及三者接觸界面的力學(xué)性能和傳遞機(jī)制出發(fā)，對錨索失穩(wěn)的類型進(jìn)行了劃分，包括以下3個方面。

1.1 鋼絞線斷裂

錨索鋼絞線斷裂導(dǎo)致的錨索錨固失穩(wěn)有2種情況：①在礦山壓力的作用下，當(dāng)鋼絞線中某一根鋼筋達(dá)到極限破斷荷載后發(fā)生斷裂，剩余的鋼筋難以承受礦壓，最終造成整根斷裂的情況；②圍巖變形使被錨固巖體與錨索軸向成一定角度發(fā)生錯動，并在剪切力的作用下，鋼絞線被剪斷。

1.2 鋼絞線與錨固劑間產(chǎn)生滑移

錨索與錨固劑之間的黏結(jié)強(qiáng)度相比錨固劑與圍巖界面的要小，當(dāng)載荷較大時，在錨固劑與圍巖尚未產(chǎn)生滑移的情況下，鋼絞線與錨固劑間可能已經(jīng)產(chǎn)生了滑移。滑移一般從錨固段端頭開始，沿錨索軸向向深部逐漸擴(kuò)展，其破壞具有漸進(jìn)特性。

1.3 錨索托板和錨具失效

錨索托板的破壞一般有2種模式：①與托板面接觸的圍巖在復(fù)雜應(yīng)力的作用下發(fā)生破壞剝落，從而造成圍巖與托板脫離；②托板參數(shù)設(shè)計不當(dāng)或承受偏載產(chǎn)生應(yīng)力集中，所受壓應(yīng)力大于其極限承載強(qiáng)度，最終導(dǎo)致托板被壓裂。

錨索錨具的失效表現(xiàn)為夾片破裂或錨具脫落，主要原因包括：錨具質(zhì)量不合格、夾片硬度過大或過小，夾片硬度過大易造成夾片斷絲或脆裂，夾片硬度過小會易造成鋼絞線滑絲；錨具銹蝕大大降低了夾片螺紋牙的強(qiáng)度；錨索錨具中夾片錯位，承載過程中產(chǎn)生嚴(yán)重偏載。

2 礦用錨索失穩(wěn)的影響因素分析

本文根據(jù)圍巖錨固體的損傷介質(zhì)，從錨固劑失效、被錨固巖體弱化和錨固構(gòu)件破損3方面出發(fā)，對礦用錨索失穩(wěn)的影響因素進(jìn)行分析。

2.1 錨固劑失效

根據(jù)圍巖錨固機(jī)理，在圍巖與錨索相互作用的過程中，錨固劑作為一種黏結(jié)介質(zhì)，主要承擔(dān)力學(xué)的傳遞作用。只有確保錨固劑與索體、孔壁圍巖間具有足夠的黏結(jié)強(qiáng)度，才能保證錨索支護(hù)發(fā)揮效用。樹脂錨固劑作為一種化學(xué)材料，其具有的物化性質(zhì)較為復(fù)雜，部分特性在一定程度上對錨固劑的力學(xué)性能不利，比如樹脂固化收縮、遇水性能弱化和長時蠕變等。

2.2 被錨固巖體弱化

被錨固巖體是錨索支護(hù)對象，在錨索控制圍巖變形的過程中，巖體自身地質(zhì)賦存條件、完整性等因素對錨索錨固體的穩(wěn)定性具有重要影響。

2.2.1 軟弱夾層弱化

軟弱夾層的基本特征包括強(qiáng)度低、厚度小和變形模量低，部分軟巖夾層遇水易崩解、泥化和軟化。軟弱夾層相對層位不同，其對圍巖的弱化程度和機(jī)理也不同，誘發(fā)錨索錨固失穩(wěn)的原因也不同。

2.2.2 裂隙水弱化

由巖石力學(xué)理論分析可知，巖塊飽水狀態(tài)下的強(qiáng)度低于干燥時的強(qiáng)度，水對圍巖的弱化具有一般適用性。但相對于礫巖、砂巖和粉砂巖等硬巖，裂隙水對泥巖和具有膨脹性的軟巖的弱化程度最高。其中，泥巖在殘余強(qiáng)度期間遇水時的強(qiáng)度會降低50%左右。通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在泥質(zhì)或其他膨脹性軟弱圍巖遇水情況下，錨索（桿）的錨固失穩(wěn)現(xiàn)象較多。

2.3 錨固構(gòu)件破損

2.3.1 錨索破斷

在應(yīng)力作用下，被錨固巖體逐漸變形、破壞，但因受錨桿或鋼絞線兩端的約束而無法自由變形。此時，桿體或鋼絞線處于受拉狀態(tài)，一旦拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度，鋼絞線便會發(fā)生拉伸、破斷。此外，當(dāng)區(qū)域內(nèi)水平應(yīng)力較大時，錨固區(qū)內(nèi)各巖層間會發(fā)生沿巖層交界面的水平錯動，進(jìn)而使處于拉拔狀態(tài)下的錨索受到剪切破壞。

2.3.2 托盤受損

托盤緊貼于圍巖表面，長期經(jīng)受礦井水腐蝕，托盤與圍巖的接觸面常發(fā)生變化，有效接觸面積會不斷減小，在圍巖變形過程中易產(chǎn)生偏載和應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時，水的腐蝕會大大弱化托盤的力學(xué)性能，如果礦井水的酸性較強(qiáng)，則長期的化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕，加之圍巖變形載荷甚至可直接將托盤壓裂。

2.3.3 鎖具失效

在錨索支護(hù)巷道中，在圍巖深部將樹脂錨固劑鋼絞線與穩(wěn)定巖體黏結(jié)為一體；在圍巖表面通過錨具對被錨固巖體施加一定的預(yù)應(yīng)力，使其處于受壓狀態(tài)。在錨索支護(hù)中，錨具作用的實(shí)質(zhì)為在被錨固巖體向巷道自由空間變形移動過程中，限制鋼絞線向圍巖內(nèi)“收縮”，從而限制被錨固巖體的變形破壞。錨具的破壞是指鋼絞線由最初的“兩端約束”變?yōu)椤板^固端單獨(dú)粘結(jié)約束”，在軸向方向上使錨索失去對被錨固巖體的約束作用，圍巖變形近似自由狀，進(jìn)而導(dǎo)致錨索錨固失穩(wěn)。

3 結(jié)束語

綜上所述，錨索錨固失穩(wěn)有4種主要破壞模式：①鋼絞線斷裂；②鋼絞線與錨固劑間產(chǎn)生滑移；③鋼絞線與孔壁間錨固劑弱化；④托板與錨具失效。

錨索錨固失穩(wěn)的主要影響因素有以下3個：①樹脂錨固劑的固化收縮、遇水弱化和長時蠕變均會降低錨固劑的黏結(jié)強(qiáng)度，表現(xiàn)為錨固劑黏結(jié)失效，進(jìn)而導(dǎo)致錨索錨固失穩(wěn)；②巷道圍巖在軟弱夾層賦存、裂隙水和采動影響下，力學(xué)性能急劇惡化，表現(xiàn)為被錨固巖體整體性破壞，進(jìn)而導(dǎo)致錨索錨固失穩(wěn)；③錨固構(gòu)件破損導(dǎo)致錨索錨固失穩(wěn)的主要表現(xiàn)為鋼絞線破斷、托盤受損和錨具失效等。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕

Abstract： The field engineering research， from the surrounding rock， anchoring agent， anchor material properties and mechanical properties of the contact interface and delivery mechanism of the three starting on the anchorage types instability scientific division， and analyzes of instability the main factors.

Key words： anchor； mechanical properties； anchorage； surrounding rock