讓壓錨索力學特性及支護機理探討

沈磊磊

(潞安環能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

讓壓錨索是基于采深較大、巖層巖性較弱以及巷道開挖后可能引起大變形等而設計的一種區別于常規錨索結構和支護類型的可延伸錨索[1]。與常規錨索相比較，讓壓錨索的最大特點是增加了可以較大程度緩解圍巖壓力對錨索損傷的讓壓裝置，能夠提高支護阻力，可塑性好，具有很好的讓壓效果，能夠抵抗強烈的外力作用，避免錨索發生破斷失效，從而保證支護的可靠性和安全性[1-2]。而且讓壓裝置可以根據巷道支護條件、支護特點、以及巷道可能存在的圍巖壓力等進行規格選擇，所以讓壓錨索可以在多種條件下適應巷道圍巖變形對讓壓錨索的影響[3-4]。

為了更好地掌握讓壓錨索的支護性能，提升讓壓錨索的支護效果，本文對讓壓錨索的力學特性及支護作用機理進行探討，以期為支護參數的選擇提供依據。

1 讓壓錨索的組成及參數

讓壓錨索主要由金屬墊圈、托盤、鎖具、讓壓裝置和錨索鋼絞線等組成，其中讓壓裝置是讓壓錨索最為主要的組成部分，讓壓裝置的類型和參數選擇直接關系到讓壓錨索(桿)的支護效果。根據讓壓管系統內力壓力的變形特征曲線與讓壓管系統壓力理想狀態相對比，可以將讓壓錨索(桿)讓壓管分為理想型、補償型和損失型，即系統內力與理想狀態相比較有所增大則為補償型，反之為損失型，見圖1。

讓壓管是讓壓錨索(桿)的重要組成部分，而為了保持讓壓錨索(桿)具有有效的支護性能，必須選擇科學合理的讓壓管基本參數。讓壓管的基本設計參數包括：

1) 讓壓點：讓壓管開始產生讓壓作用的起始載荷。

圖1 讓壓管變形特征曲線

2) 讓壓載荷的穩定性：讓壓錨索(桿)在受力起支撐作用情況下，讓壓管必須保持載荷穩定性，出現較大的荷載波動直接影響到讓壓效果。荷載波動幅度由讓壓穩定系數k衡量，當k=0時表示理想情況下，錨索荷載達到設計讓壓荷載時，讓壓管開始工作提供讓壓位移。

(1)

式中：k為讓壓穩定性系數，kN/mm；Fi為讓壓終端荷載，kN；Fy為讓壓起始荷載，kN；D為最大讓壓位移，mm。

3) 最大讓壓位移：讓壓錨索(桿)在讓壓支護過程中，讓壓管所能提供的極限距離閾值。

2 讓壓錨索力學特性

讓壓錨索的讓壓機理，可以簡化為在一定的彈力范圍內，通過讓壓管提供的彈性裝置將巷道圍巖施加給讓壓錨索(桿)的外界壓力進行傳遞和轉換，以便可以在一定圍巖應力作用范圍內讓壓錨索(桿)保持穩定的支護效果，類似于胡克定律，而整個讓壓錨索的讓壓支護過程也遵循胡克定律。巷道圍巖采用讓壓錨索進行支護，在受到圍巖應力作用下，讓壓錨索能夠提供很好的支護阻力，可塑性條件好，在起到對圍巖主動支護作用的同時，具有很好的讓壓效果，能夠抵抗強烈的外力作用而不會致使錨索發生破斷失效，從而保證巷道支護的可靠性和安全性。根據讓壓錨索與圍巖應力之間的相互作用產生的應力應變狀態，可以將讓壓錨索力學特性分為5個階段，見圖2。

圖2 讓壓錨索應力應變曲線

1) OA階段，初期讓壓錨索受到應力作用發生彈性變形。

2) AB階段，隨著讓壓錨索受應力作用逐漸增強，讓壓管開始發揮作用，該階段由于受到讓壓管彈性作用，讓壓錨索應力變化較小，讓壓錨索變形量隨著圍巖應力變化而發生變化。

3) BC階段，在讓壓管作用下，隨著圍巖應力進一步增大，讓壓管逐漸達到荷載應力極限，讓壓滑動變形逐步向彈性變形階段轉變，錨索承載的應力逐漸增大。

4) CD階段，由于超過讓壓錨索的彈性范圍，應力荷載超出極限應力承載，讓壓錨索發生屈服，錨索材料發生塑性變形和組織變化，但讓壓錨索的支護性能更為提高，錨索應變發生明顯變化。

5) DE階段，隨著圍巖應力的進一步增大，讓壓錨索彈性和塑性變化達到極致，錨索逐步進入脆性變化階段，該階段應力作用大于錨索強度極限，錨索支護效果迅速下降，錨索破損。

3 讓壓錨索的支護機理

為了了解讓壓錨索對巷道圍巖的支護作用機理，探討讓壓錨索產生的錨固力作用與圍巖受到應力變化產生的變形量間的關系，可以利用讓壓錨索與圍巖變形之間的支護、作用、協調關系進行說明。按照錨索發揮的支護作用不同，將錨索的錨固力分為徑向錨固力和切向錨固力，其中徑向發揮錨索的支護作用，切向發揮錨索的加固作用，見圖3。未使用錨索支護條件下，巷道圍巖在承受應力作用下表現的變形曲線為P0AG，使用讓壓錨索支護后，巷道圍巖壓力與位移關系曲線為P0ABD，而在徑向作用力曲線ECB缺失的錨索支護條件下巷道圍巖的位移曲線為P0ABF，在讓壓錨索處于讓壓狀態下，讓壓錨索錨固力與圍巖變形關系處于平衡狀態，A點為安設錨索支護前后巷道圍巖壓力與變形曲線的節點，即A點后錨索支護作用逐漸發揮，巷道圍巖逐漸趨于穩定。根據圖3中表示，讓壓錨索響應巷道圍巖應力產生支護作用可以分為切向錨固支護作用曲線ABF、徑向錨固支護作用曲線ECB和讓壓錨索產生的讓壓支護作用曲線EHD三個分支，B為圍巖變形與錨索支護作用平衡點，如果ECB曲線上某點缺失，就會致使巷道變形向F點發展，可能會造成巷道圍巖某點上的失穩。而在讓壓錨索產生的讓壓作用下，錨固力與圍巖發生的變形曲線改變為EHD，錨固平衡點B轉變為點D。

圖3 讓壓錨桿錨固力與圍巖變形關系

從另一個角度來進行分析，錨固力與圍巖變形關系可以由錨索響應巷道圍巖應力作用而產生的響應方式進行探討。在巷道圍巖進行支護后，錨索逐漸對巷道圍巖進行支護、強化，迫使圍巖原有變形曲線發生改變，錨索所產生的錨固力的大小與巷道圍巖所作出的應力反應呈正比，即圍巖壓力越大，錨固力越大，該階段巷道圍巖的應力作用于錨索支護系統，發生了變形能向錨索系統彈性能的轉變(EC段或EH段)。而隨著應力作用的逐漸增大，讓壓錨索中的讓壓構件開始發揮作用，該階段，雖然圍巖應力在不斷增大，但錨索發生的彈性變化逐漸由讓壓構件產生的讓壓性能代替，該階段主要為巷道圍巖的變形能向讓壓變形能之間的轉變，錨索本身的彈性能未發生改變(HD段)。選擇的讓壓錨索對巷道圍巖是否可以產生好的支護性能，即選擇的讓壓構件最大讓壓距離是否能滿足巷道圍巖應力變形對錨索本身的應力作用范圍，如果不能滿足，則錨索在CD階段某節點就會提早進入錨索屈服階段，造成錨索自身損耗。

4 結 語

1) 與傳統錨索相比，基于讓壓構件，讓壓錨索支護過程中可以對圍巖應力作用起到一個緩沖作用，從而在同等圍巖應變條件下，讓壓錨索受力明顯小于傳統錨索。

2) 在支護過程中，讓壓錨索與圍巖形成了相互協調的作用關系，讓壓錨索可以吸收圍巖變形產生的部分能量，能夠起到較好的讓壓效果，同時控制圍巖塑性破壞區向深部轉移。

3) 讓壓錨索的支護效果關鍵在于讓壓距離的合理選擇，而合理的讓壓距離也是保證圍巖發生變形時錨索不被破壞、失效的關鍵。