解析錨桿預應力與巷道支護效果的關系

摘 要：近年來，相關部門在不斷研究和探討預應力錨桿支護技術，使錨固理論得以發展和完善。與此同時，具有高強度和超高強度的錨桿材料也有了進一步發展，被應用于水利、建筑和礦山等領域。但是，在煤炭相關行業迅速發展和礦山生產規模深度不斷增加的同時，支護問題也逐漸顯現出來。原先的錨桿支護技術無法進一步適應現代礦井生產，而解析錨桿預應力與巷道支護效果的關系可以實現“三高一低”（高強度、高剛度、高可靠性、低支護密度）體系的構建，在加快生產速度的同時保證生產安全。根據多年的施工經驗和預應力錨桿的發展現狀，簡要論述了錨桿預應力與巷道支護效果的關系，不足之處還望大家批評、糾正。

關鍵詞：錨桿預應力；巷道支護效果；圍巖；預應力錨桿支護技術

中圖分類號：TD353+.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.114

目前，預應力錨桿加固圍巖的作用機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，沒有統一的理論體系。而現有的預應力支護大多依托于工程類，所以，理論研究也存在很大的滯后性。通過公式推導和對M-T實驗的探討，重點分析和探討了錨桿預緊扭矩與軸向預應力的對應關系，使用FLAC3D數值模擬軟件模擬錨桿預應力在巷道圍巖中的擴散狀態、錨桿預應力與巷道支護效果關系，最后通過對實驗現象的觀察說明錨桿預應力與巷道支護效果的關系。

1 錨桿預應力與巷道支護效果的關系

在具體工作中，通過對錨桿預緊扭矩與軸向預應力的影響因素的研究來探討錨桿預緊扭矩與軸向預應力的關系，以此明確錨桿預應力與巷道支護效果的關系。

錨桿尾部螺母承受的預緊扭矩與錨桿預緊力的關系是：

P=M/（K×D）. （1）

式（1）中：P為錨桿預緊力，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、桿徑等有關的系數；D為錨桿的直徑，m。

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

2 錨桿預緊扭矩與軸向預應力的關系M-T實驗

通過M-T實驗來得到相應的結論，具體的實驗裝置如圖1所示。

由該實驗可以得出以下結論：①錨桿預緊扭矩與軸向預應力呈現線性相關。錨桿預緊扭矩會隨著軸向預應力而發生正相關變化。同時，線性相關系數k直接反映錨桿預緊扭矩與軸向預應力的關系——當k值接近無窮小時，會有很好的摩擦效果。②在錨桿預緊扭矩相同的條件下，可以通過減小摩擦來進一步提高軸向預應力。軸向預應力提高的程度根據減少摩擦介質的不同而發生改變。采取減摩措施能夠將錨桿軸向預應力提高15.67%～110.47%，一般控制在26.57%～77.76%. 由實驗可知，1010尼龍墊片具有良好的減摩效果。這是因為1010尼龍墊片具有很好的壓延性，在對扭緊螺母時，可以變成碗形狀，以此來減摩。因此，在具體的工程實踐中，一般選用1010尼龍墊片作為錨桿支護的墊片。

除此之外，由于現場與實驗室的條件不同，為了更好地發揮實驗成果的作用，要及時調整錨桿預緊扭矩與軸向預應力的關系，也就是對實驗k值的修正。

3 相關數值模擬分析

通常情況下，使用flac模擬不同預應力條件下產生的應力場擴散狀況，并研究圍巖破壞情況和圍巖變形，以此來探討錨桿預應力與巷道支護效果的關系。

在錨桿預應力的作用下，圍巖出現了壓應力區域，同時，受群錨桿的作用，這些壓應力區域不斷疊加，由此產生了具有厚度和強度的承壓作用。隨著錨桿預應力的增加，圍巖中錨桿的附加應力場的范圍和強度也在增強。在具體工作中，使巷道圍巖處于受壓的狀態，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應力錨桿的影響下產生相應的正壓力，從而保證圍巖表層的三向受力狀態。由實驗可知，如果圍巖壓力為零，那么圍巖的殘余強度也近乎為零。當圍巖壓力為9 MPa時，圍巖的殘余強度就會達到9 MPa左右。由此不難看出，圍巖的殘余強度對圍巖很敏感。雖然預應力錨桿產生的應力場不是很大，但是，依舊在很大程度上提高了圍巖的殘余強度和承載能力，取得了良好的支護效果。

預應力錨桿支護可以進一步提高支護抗力，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，加強圍巖破碎區和塑性區的圍巖整體化進程。預應力錨桿的投入可以有效降低巷道圍巖參數，改善圍巖壓力和受力問題。預應力支護可以使頂版巖層處于橫向壓縮狀態，有效增強頂板預應力的承載能力，阻止高水平應力對巷道圍巖的破壞，在減少弱面離層現象發生的同時減少圍巖應力集中和巖體破壞的情況，使錨固區載荷可以更加均勻、平穩地傳遞，保持圍巖的穩定性。

我們都知道，在工程中，預應力錨桿的實際情況與實驗有很大的區別。在實際應用中，預應力錨桿常常出現在不同圍巖條件的巖體中，我們需要調整不同圍巖條件下修正系數的取值范圍，同時，小范圍調整錨桿預緊扭矩與軸向預應力的關系。通過數值模擬可以知道，當巷道錨桿施加了預應力，就可以使圍巖產生相應的附加預應力場；當巷道未變形時，巷道圍巖就恢復到三向受力狀態，同時，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。在巷道的對比實驗中，可以從錨桿預應力不同條件下的支護效果中看出，巷道變形量是隨著錨桿預應力的增大而減小的。在進行地質測試和錨桿支護作用理論分析的前提下，針對煤層頂板層間距的不同，對以錨桿支護為主的支護方案進行系統地分類，分為“錨桿+錨索”“錨桿+短錨索”“全長預應力錨桿”3種。由此可以看出，巷道不是必須要使用架棚支護的。在保證巷道安全支護的前提下，錨桿支護可以很好地滿足巷道掘進和工作面的工作需求，極大地降低了巷道支護消耗的成本和勞動強度。

4 結束語

在探討和研究了預應力錨桿支護技術后，對預應力錨桿加固圍巖作用機理的研究也有了很大的突破。實驗發現，如果有適當的錨桿支護力，那么，巷道圍巖中就有一定的預應力場。增加錨桿的預應力可以實現巷道頂層離層的控制。安裝了預應力錨桿后，就可以得到最大的預應力，進而提高錨固范圍內巖層的整體剛度，保證圍巖的完整性和整體強度。由此看來，高預應力強力錨桿能夠支護困難的巷道。與此同時，也能有效減少維修巷道所需的費用，在提高單進水平的同時創造更好的經濟效益。

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

〔編輯：白潔〕