煤礦錨索支護(hù)的失穩(wěn)類型及其影響因素分析

沈仁為

摘 要：該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(duì)礦用錨索的失穩(wěn)類型進(jìn)行劃分，并針對(duì)關(guān)鍵影響因素進(jìn)行重點(diǎn)分析，主要包括錨固劑失效、被錨固巖體弱化、錨固構(gòu)件破損三方面。

關(guān)鍵詞：錨索支護(hù) 失穩(wěn)類型 影響因素

中圖分類號(hào)：TU272.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（c）-0214-02

懸吊理論認(rèn)為，錨索支護(hù)的基本原理是：通過(guò)錨固劑將錨索與鉆孔周?chē)鷩鷰r粘結(jié)為一體，使深部穩(wěn)定圍巖作為受力點(diǎn)承受載荷，并主動(dòng)控制圍巖的變形。因此，錨索支護(hù)體系可看作一個(gè)完整的“系統(tǒng)”，錨固劑、圍巖及錨固構(gòu)件串聯(lián)在一起，各單元的工作狀況對(duì)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)，進(jìn)而致使錨索支護(hù)失效。

1 錨索支護(hù)的主要失穩(wěn)類型

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)有兩種情況：①在礦山壓力作用下，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的影響，最終整根斷裂；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(cuò)動(dòng)，在剪切力作用下，鋼絞線發(fā)生剪斷。

1.2 鋼絞線與錨固劑間產(chǎn)生滑移

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

1.3 錨索托板與錨具失效

錨索托板的破壞一般有兩種模式：①與托板面接觸的圍巖在復(fù)雜應(yīng)力作用下發(fā)生破壞剝落，造成圍巖與托板脫離；②托板參數(shù)設(shè)計(jì)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)為夾片的破裂或錨具的脫落，主要原因包括：錨具的質(zhì)量不合格，夾片硬度過(guò)大或過(guò)小，過(guò)大易造成夾片斷絲或脆裂，過(guò)小易造成鋼絞線滑絲；錨具的銹蝕大大降低了夾片螺紋牙的強(qiáng)度；錨索錨具中夾片錯(cuò)位，承載過(guò)程中產(chǎn)生嚴(yán)重的偏載。

2 錨索失穩(wěn)破壞的主要影響因素

該文根據(jù)圍巖錨固體損傷介質(zhì)不同，從錨固劑失效、被錨固巖體弱化和錨固構(gòu)件破損三方面出發(fā)，對(duì)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過(guò)程中，錨固劑作為一種粘結(jié)介質(zhì)，主要承擔(dān)力學(xué)傳遞作用，只有確保錨固劑與索體及孔壁圍巖間具有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度，才能保證錨索支護(hù)發(fā)揮效用。樹(shù)脂錨固劑作為一種化學(xué)材料，其自身物化性質(zhì)較為復(fù)雜，部分特性在一定程度上對(duì)錨固劑的力學(xué)性能是不利的，例如樹(shù)脂固化收縮、遇水性能弱化、長(zhǎng)時(shí)蠕變等。

2.2 被錨固巖體弱化

被錨固巖體作為錨索支護(hù)對(duì)象，在錨索控制圍巖變形的過(guò)程中，巖體自身地質(zhì)賦存條件、完整性等因素對(duì)錨索錨固體的穩(wěn)定性同樣具有重要影響。

（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、變形模量低，部分軟巖夾層遇水易崩解、泥化、軟化。軟弱夾層相對(duì)層位不同，其對(duì)圍巖的弱化程度及機(jī)理也不同，誘發(fā)錨索錨固失穩(wěn)的原因亦不同。

（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)度要低于干燥時(shí)的強(qiáng)度，水對(duì)圍巖的弱化具有一般適用性。但是相對(duì)于礫巖、砂巖、粉砂巖等硬巖，裂隙水對(duì)泥巖及具有膨脹性的軟巖弱化程度最高。其中泥巖在殘余強(qiáng)度期間遇水時(shí)強(qiáng)度降低可高達(dá)50%左右，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研也發(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)象最多。

（3）采動(dòng)弱化

受地壓影響，圍巖力學(xué)性能降低，在經(jīng)受采動(dòng)影響后圍巖變得更加松散、破碎。通過(guò)分析可知，采動(dòng)弱化被錨固巖體而致使錨索錨固失穩(wěn)，主要是指巷道圍巖在采動(dòng)應(yīng)力作用下變得異常松散破碎，破壞了錨索、錨固劑、被錨固巖體三介質(zhì)間的緊密粘結(jié)，錨索錨固段粘結(jié)受損而不能對(duì)淺部被錨固巖體的變形、位移提供有效約束，巷道圍巖僅僅依靠錨固體的殘余強(qiáng)度維持整體性。

2.3 錨固構(gòu)件破損

（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不能自由變形；此時(shí)桿體或鋼絞線處于受拉狀態(tài)，一旦拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度，鋼絞線便發(fā)生拉伸破斷。另外，當(dāng)區(qū)域內(nèi)水平應(yīng)力較大時(shí)，錨固區(qū)內(nèi)各巖層間會(huì)發(fā)生沿巖層交界面的水平錯(cuò)動(dòng)，進(jìn)而使處于拉拔狀態(tài)下的錨索發(fā)生剪切破壞。

（2）托盤(pán)受損

托盤(pán)緊貼于圍巖表面，長(zhǎng)期經(jīng)受礦井水腐蝕，托盤(pán)與圍巖的接觸面發(fā)生變化，有效接觸面積減少，在圍巖變形過(guò)程中易產(chǎn)生偏載和應(yīng)力集中現(xiàn)象；同時(shí)水的腐蝕會(huì)大大弱化托盤(pán)的力學(xué)性能，若礦井水的酸性較強(qiáng)，長(zhǎng)期的化學(xué)腐蝕與應(yīng)力腐蝕加上圍巖變形載荷甚至可直接將托盤(pán)壓裂。

（3）鎖具失效

在錨索支護(hù)巷道中，在圍巖深部通過(guò)樹(shù)脂錨固劑鋼絞線與穩(wěn)定巖體粘結(jié)為一體；在圍巖表面通過(guò)錨具對(duì)被錨固巖體施加一定預(yù)應(yīng)力使其處于受壓狀態(tài)。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(dòng)過(guò)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。錨具的破壞意味著鋼絞線由最初的“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(duì)被錨固巖體的約束，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)語(yǔ)

（1）錨索錨固失穩(wěn)有四種主要破壞模式：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。

（2）錨索錨固失穩(wěn)的主要影響因素有：①樹(shù)脂錨固劑的固化收縮、遇水弱化和長(zhǎng)時(shí)蠕變均會(huì)降低錨固劑粘結(jié)強(qiáng)度，表現(xiàn)為錨固劑粘結(jié)失效導(dǎo)致錨索錨固失穩(wěn)；②巷道圍巖在軟弱夾層賦存、裂隙水及采動(dòng)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(pán)受損和錨具失效等。

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