錨桿（索）支護安裝載荷作用機理研究

徐學(xué)富

【摘要】本文通過紅會礦的支護改革實踐，分析了錨桿支護安裝載荷的作用機理。合理安裝載荷的設(shè)計和現(xiàn)場實現(xiàn)是圍巖支護的重要因素之一。通過對錨桿安裝載荷和其他相關(guān)因素的改進，紅會礦巷道支護狀況得到了很大改善。并成功支護和維護了受上層煤高支承壓力影響的巷道。

【關(guān)鍵詞】安裝載荷；主動加固梁；無效主動加固空間

1、引言

適當(dāng)提高安裝載荷可以起到早期及時支護的作用，防止巷道圍巖早期變形和離層。捷馬公司和紅會礦最近兩年對巷道支護進行了全面改革。作為支護改進的參數(shù)之一，對錨桿的安裝載荷進行了系統(tǒng)的研究試驗并應(yīng)用到支護實踐中。紅會四礦的巷道支護狀況得到了很大提高。并成功的支護和維護了受一煤層4602面支承壓力影響的4701工作面的回風(fēng)順槽。本文只闡述安裝載荷方面的改進。

2、安裝載荷作用機理探討

2.1改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)加強圍巖自承能力

安裝應(yīng)力是改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)和加強圍巖自承能力的源泉。通過摩爾應(yīng)力圓和強度準則可以得到定性的解釋。錨桿支護系統(tǒng)圍巖變形破壞和支護過程經(jīng)過一下幾個步驟如圖1所示：

（1）巷道開挖前：如圖所示，巷道開挖前，巖石處于三向應(yīng)力狀態(tài)，摩爾強度曲線遠離應(yīng)力圓，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）巷道開挖后支護之前：巷道圍巖表面處于單向應(yīng)力狀態(tài)，摩爾應(yīng)力圓內(nèi)移并與Y軸相切。同時由于開挖后引起的應(yīng)力集中造成巷道變形破壞，造成圍巖的內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ降低，摩爾強度曲線一方面下降另一方面斜率減少。最終強度曲線和應(yīng)力圓相切相交，剪應(yīng)力大于圍巖的強度，圍巖逐步產(chǎn)生變形破壞。

（3）錨桿（鎖）主動支護：如圖所示，在錨桿（鎖）安裝過程中，通過扭矩及時的施加適當(dāng)?shù)闹鲃影惭b載荷。一方面變圍巖單向應(yīng)力狀態(tài)成三向應(yīng)力狀態(tài)，外推應(yīng)力圓，安裝載荷越大，應(yīng)力圓外推距離越遠，改善了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。另一方面，在安裝載荷的作用下，已經(jīng)變形破壞圍巖的內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ將增加，強度曲線上移斜率加大。最終結(jié)果是強度曲線遠離應(yīng)力圓。

綜上所述，安裝載荷對巷道支護是關(guān)鍵因素之一，適當(dāng)?shù)陌惭b載荷可以改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，增加圍巖的自承能力。

2.2主動及時支護改善錨桿（鎖）工作性能

為了研究安裝載荷對錨桿工作特性的影響，進行了一系列的實驗室和井下錨桿測試如圖2所示。圖中包括三條測試曲線，一條是按設(shè)計進行的實驗室測試曲線（中），一條是現(xiàn)場有安裝載荷（6噸）測試曲線（上），一條是現(xiàn)場無安裝載荷測試曲線（下）。

（1）實驗室測試設(shè)計曲線：從圖中可以看出，按設(shè)計錨桿在頂板變形12mm對頂板所提供的支護阻力應(yīng)該達到18噸左右。然后隨著頂板的不斷變形產(chǎn)生屈服，塑性強化，最后破斷。達到了限制早期變形及時主動的要求。

（2）現(xiàn)場無安裝應(yīng)力測試：從圖中可以看出，頂板在下沉40mm之前錨桿受力很小。頂板變形達到42mm后，錨桿對頂板的支護阻力才達到18噸。與設(shè)計要求相差很遠。其原因主要是頂板變形時，首先要壓實浮矸，鋼帶，金屬網(wǎng)以及頂板的部分變形。這可能會產(chǎn)生兩種情況：一種情況是如果錨桿足夠長，圍巖變形很大，錨桿將承受很大的變形碎漲載荷，桿體強度不大時發(fā)生破斷、托盤翻盤；另一種情況是由于圍巖早期變形大，造成松散破碎圈內(nèi)移，直至超出錨桿的錨固范圍，從而造成錨桿支護系統(tǒng)失效而隨圍巖一起外移，這時盡管圍巖變形很大但錨桿受力很小。

（3）現(xiàn)場6噸安裝應(yīng)力測試：從圖中可以看到，錨桿系統(tǒng)首先在頂板離層變形前給頂板施加6t的安裝應(yīng)力，然后隨著圍巖的變形，錨桿載荷迅速增加到其設(shè)計工作載荷，此時達到設(shè)計工作載荷時的圍巖變形只有5mm，錨桿系統(tǒng)起到了早期、主動的支護作用。

綜上所述，安裝載荷是主動及時支護的源泉，是保證錨桿設(shè)計工作性能的先決條件。施工過程中所施加的安裝載荷的大小會直接影響到錨桿的工作狀態(tài)，嚴重時會引起錨桿支護系統(tǒng)失效。經(jīng)過大量的試驗和分析，在紅會礦的條件下安裝載荷不小于4噸。

3、安裝載荷的實現(xiàn)和質(zhì)量保證

綜上所述，安裝載荷在錨桿（鎖）支護系統(tǒng)中起到非常重要的作用。安裝載荷是錨桿安裝質(zhì)量的重要標之一。安裝載荷的實現(xiàn)是通過安裝機具通過扭扭上緊錨桿的螺母實現(xiàn)的。傳統(tǒng)上，現(xiàn)場都是通過規(guī)定安裝扭矩的方法保證安裝，然而很少知道所規(guī)定的安裝扭矩能夠轉(zhuǎn)化成多大安裝載荷。不同類型的錨桿和不同廠家生產(chǎn)的錨桿是截然不同的。為了保證安裝載荷的實現(xiàn)，紅會四礦對錨桿安裝進行了改革。首先是對安裝載荷和安裝扭矩進行了井下試驗。通過實驗分析可以得到，對于所測試的錨桿，載荷扭矩比為1.8噸/100Nm。要想達到4噸以上的設(shè)計安裝載荷，所需的扭矩不小于220Nm。從而得出質(zhì)檢標準。

然而，傳統(tǒng)的檢查方法不可能每根錨桿都做檢查，同時在巷道較高的情況下，頂板錨桿質(zhì)檢比較困難。為了解決這個問題，紅會礦和捷馬公司采用了安裝應(yīng)力顯示錨桿，此種錨桿在操作工安裝過程中可以方便的通過載荷顯示器看到安裝載荷是否達到基本要求。從而保證安裝載荷。

經(jīng)過近兩年對巷道支護的改進，紅會礦取得了明顯的效果。并成功的支護和維護了受一煤層4602面支承壓力影響的4701工作面的回風(fēng)順槽。解決了巷道多次翻修的問題，為安全，經(jīng)濟，快速的巷道掘進和回采工作回采創(chuàng)造了條件。

參考文獻

[1]王亞杰.深井高地壓、大變形圍巖巷道支護技術(shù)及錨桿設(shè)計.礦支護，2008，（1）

[2]王亞杰.孤島工作面順槽防沖耦合讓壓支護技術(shù)研究.錨桿支護，2012年第四期