解析錨桿預(yù)應(yīng)力與巷道支護(hù)效果的關(guān)系

摘 要：近年來，相關(guān)部門在不斷研究和探討預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)，使錨固理論得以發(fā)展和完善。與此同時(shí)，具有高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度的錨桿材料也有了進(jìn)一步發(fā)展，被應(yīng)用于水利、建筑和礦山等領(lǐng)域。但是，在煤炭相關(guān)行業(yè)迅速發(fā)展和礦山生產(chǎn)規(guī)模深度不斷增加的同時(shí)，支護(hù)問題也逐漸顯現(xiàn)出來。原先的錨桿支護(hù)技術(shù)無法進(jìn)一步適應(yīng)現(xiàn)代礦井生產(chǎn)，而解析錨桿預(yù)應(yīng)力與巷道支護(hù)效果的關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)“三高一低”（高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性、低支護(hù)密度）體系的構(gòu)建，在加快生產(chǎn)速度的同時(shí)保證生產(chǎn)安全。根據(jù)多年的施工經(jīng)驗(yàn)和預(yù)應(yīng)力錨桿的發(fā)展現(xiàn)狀，簡要論述了錨桿預(yù)應(yīng)力與巷道支護(hù)效果的關(guān)系，不足之處還望大家批評、糾正。

關(guān)鍵詞：錨桿預(yù)應(yīng)力；巷道支護(hù)效果；圍巖；預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)

中圖分類號：TD353+.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.114

目前，預(yù)應(yīng)力錨桿加固圍巖的作用機(jī)理研究中還有很多問題需要解決，大家對其的研究還處于探索階段，沒有統(tǒng)一的理論體系。而現(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力支護(hù)大多依托于工程類，所以，理論研究也存在很大的滯后性。通過公式推導(dǎo)和對M-T實(shí)驗(yàn)的探討，重點(diǎn)分析和探討了錨桿預(yù)緊扭矩與軸向預(yù)應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系，使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬錨桿預(yù)應(yīng)力在巷道圍巖中的擴(kuò)散狀態(tài)、錨桿預(yù)應(yīng)力與巷道支護(hù)效果關(guān)系，最后通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察說明錨桿預(yù)應(yīng)力與巷道支護(hù)效果的關(guān)系。

1 錨桿預(yù)應(yīng)力與巷道支護(hù)效果的關(guān)系

在具體工作中，通過對錨桿預(yù)緊扭矩與軸向預(yù)應(yīng)力的影響因素的研究來探討錨桿預(yù)緊扭矩與軸向預(yù)應(yīng)力的關(guān)系，以此明確錨桿預(yù)應(yīng)力與巷道支護(hù)效果的關(guān)系。

錨桿尾部螺母承受的預(yù)緊扭矩與錨桿預(yù)緊力的關(guān)系是：

P=M/（K×D）. （1）

式（1）中：P為錨桿預(yù)緊力，kN；M為錨桿施加的扭矩，N·m；K為與錨桿螺紋的形式、接觸面、材料、桿徑等有關(guān)的系數(shù)；D為錨桿的直徑，m。

由式（1）可知，錨桿預(yù)緊力與預(yù)緊扭矩成線性關(guān)系。對于不同材質(zhì)、桿徑、形式的錨桿，其所對應(yīng)的K值也不相同。

2 錨桿預(yù)緊扭矩與軸向預(yù)應(yīng)力的關(guān)系M-T實(shí)驗(yàn)

通過M-T實(shí)驗(yàn)來得到相應(yīng)的結(jié)論，具體的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

由該實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：①錨桿預(yù)緊扭矩與軸向預(yù)應(yīng)力呈現(xiàn)線性相關(guān)。錨桿預(yù)緊扭矩會隨著軸向預(yù)應(yīng)力而發(fā)生正相關(guān)變化。同時(shí)，線性相關(guān)系數(shù)k直接反映錨桿預(yù)緊扭矩與軸向預(yù)應(yīng)力的關(guān)系——當(dāng)k值接近無窮小時(shí)，會有很好的摩擦效果。②在錨桿預(yù)緊扭矩相同的條件下，可以通過減小摩擦來進(jìn)一步提高軸向預(yù)應(yīng)力。軸向預(yù)應(yīng)力提高的程度根據(jù)減少摩擦介質(zhì)的不同而發(fā)生改變。采取減摩措施能夠?qū)㈠^桿軸向預(yù)應(yīng)力提高15.67%～110.47%，一般控制在26.57%～77.76%. 由實(shí)驗(yàn)可知，1010尼龍墊片具有良好的減摩效果。這是因?yàn)?010尼龍墊片具有很好的壓延性，在對扭緊螺母時(shí)，可以變成碗形狀，以此來減摩。因此，在具體的工程實(shí)踐中，一般選用1010尼龍墊片作為錨桿支護(hù)的墊片。

除此之外，由于現(xiàn)場與實(shí)驗(yàn)室的條件不同，為了更好地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)成果的作用，要及時(shí)調(diào)整錨桿預(yù)緊扭矩與軸向預(yù)應(yīng)力的關(guān)系，也就是對實(shí)驗(yàn)k值的修正。

3 相關(guān)數(shù)值模擬分析

通常情況下，使用flac模擬不同預(yù)應(yīng)力條件下產(chǎn)生的應(yīng)力場擴(kuò)散狀況，并研究圍巖破壞情況和圍巖變形，以此來探討錨桿預(yù)應(yīng)力與巷道支護(hù)效果的關(guān)系。

在錨桿預(yù)應(yīng)力的作用下，圍巖出現(xiàn)了壓應(yīng)力區(qū)域，同時(shí)，受群錨桿的作用，這些壓應(yīng)力區(qū)域不斷疊加，由此產(chǎn)生了具有厚度和強(qiáng)度的承壓作用。隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增加，圍巖中錨桿的附加應(yīng)力場的范圍和強(qiáng)度也在增強(qiáng)。在具體工作中，使巷道圍巖處于受壓的狀態(tài)，以此提高巷道的承載力。

在巷道變形之前，巷道圍巖表面本身就在預(yù)應(yīng)力錨桿的影響下產(chǎn)生相應(yīng)的正壓力，從而保證圍巖表層的三向受力狀態(tài)。由實(shí)驗(yàn)可知，如果圍巖壓力為零，那么圍巖的殘余強(qiáng)度也近乎為零。當(dāng)圍巖壓力為9 MPa時(shí)，圍巖的殘余強(qiáng)度就會達(dá)到9 MPa左右。由此不難看出，圍巖的殘余強(qiáng)度對圍巖很敏感。雖然預(yù)應(yīng)力錨桿產(chǎn)生的應(yīng)力場不是很大，但是，依舊在很大程度上提高了圍巖的殘余強(qiáng)度和承載能力，取得了良好的支護(hù)效果。

預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)可以進(jìn)一步提高支護(hù)抗力，對于巷道圍巖的變形有控制能力，可以很好地提高承載能力，加強(qiáng)圍巖破碎區(qū)和塑性區(qū)的圍巖整體化進(jìn)程。預(yù)應(yīng)力錨桿的投入可以有效降低巷道圍巖參數(shù)，改善圍巖壓力和受力問題。預(yù)應(yīng)力支護(hù)可以使頂版巖層處于橫向壓縮狀態(tài)，有效增強(qiáng)頂板預(yù)應(yīng)力的承載能力，阻止高水平應(yīng)力對巷道圍巖的破壞，在減少弱面離層現(xiàn)象發(fā)生的同時(shí)減少圍巖應(yīng)力集中和巖體破壞的情況，使錨固區(qū)載荷可以更加均勻、平穩(wěn)地傳遞，保持圍巖的穩(wěn)定性。

我們都知道，在工程中，預(yù)應(yīng)力錨桿的實(shí)際情況與實(shí)驗(yàn)有很大的區(qū)別。在實(shí)際應(yīng)用中，預(yù)應(yīng)力錨桿常常出現(xiàn)在不同圍巖條件的巖體中，我們需要調(diào)整不同圍巖條件下修正系數(shù)的取值范圍，同時(shí)，小范圍調(diào)整錨桿預(yù)緊扭矩與軸向預(yù)應(yīng)力的關(guān)系。通過數(shù)值模擬可以知道，當(dāng)巷道錨桿施加了預(yù)應(yīng)力，就可以使圍巖產(chǎn)生相應(yīng)的附加預(yù)應(yīng)力場；當(dāng)巷道未變形時(shí)，巷道圍巖就恢復(fù)到三向受力狀態(tài)，同時(shí)，形成了具有一定厚度的承壓拱。這些都在很大程度上提高了圍巖的承載能力，對圍巖變形和圍巖破壞起到了很大的控制作用。在巷道的對比實(shí)驗(yàn)中，可以從錨桿預(yù)應(yīng)力不同條件下的支護(hù)效果中看出，巷道變形量是隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增大而減小的。在進(jìn)行地質(zhì)測試和錨桿支護(hù)作用理論分析的前提下，針對煤層頂板層間距的不同，對以錨桿支護(hù)為主的支護(hù)方案進(jìn)行系統(tǒng)地分類，分為“錨桿+錨索”“錨桿+短錨索”“全長預(yù)應(yīng)力錨桿”3種。由此可以看出，巷道不是必須要使用架棚支護(hù)的。在保證巷道安全支護(hù)的前提下，錨桿支護(hù)可以很好地滿足巷道掘進(jìn)和工作面的工作需求，極大地降低了巷道支護(hù)消耗的成本和勞動強(qiáng)度。

4 結(jié)束語

在探討和研究了預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)后，對預(yù)應(yīng)力錨桿加固圍巖作用機(jī)理的研究也有了很大的突破。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果有適當(dāng)?shù)腻^桿支護(hù)力，那么，巷道圍巖中就有一定的預(yù)應(yīng)力場。增加錨桿的預(yù)應(yīng)力可以實(shí)現(xiàn)巷道頂層離層的控制。安裝了預(yù)應(yīng)力錨桿后，就可以得到最大的預(yù)應(yīng)力，進(jìn)而提高錨固范圍內(nèi)巖層的整體剛度，保證圍巖的完整性和整體強(qiáng)度。由此看來，高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿能夠支護(hù)困難的巷道。與此同時(shí)，也能有效減少維修巷道所需的費(fèi)用，在提高單進(jìn)水平的同時(shí)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡介：張秋林（1973—），男，山西澤州人，2010年畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院采礦工程專業(yè)，在職碩士研究生，采礦高級工程師。

〔編輯：白潔〕