煤矿锚杆支护应用过程中存在问题的分析

时间：2024-09-03

刘宏，张帅

煤矿锚杆支护应用过程中存在问题的分析

刘宏1，张帅2

（1．神华乌海能源公司安监局；2.神华乌海能源公司生产技术部，016000）

列举了锚杆支护的一些常规概念，设计制作施工等方面存在的问题，通过理论分析，现场实践和对材料的检测检验，提出解决问题的方法。

锚固力；拉拔力；预紧力；预紧力矩；问题；分析

锚杆支护是当前煤矿巷道支护采用的一种有效较为普遍的主动支护方式，由一个抗拉强度高于岩土体的杆体、杆体一端可以和岩土体紧密接触形成摩擦（或粘结）阻力、杆体位于岩土体外部的另一端能够形成对岩土体的径向阻力组成，锚杆作为深入地层的受拉构件，它一端与工程构筑物连接，另一端深入地层中，整根锚杆分为自由段和锚固段，自由段是指将锚杆头处的拉力传至锚固体的区域，其功能是对锚杆施加预应力；锚固段是锚固药剂体将预应力筋与土层粘结的区域，其功能是将锚固体与土层的粘结摩擦作用增大，增加锚固体的承压作用，将自由段的拉力传至土体深处。由于其具有显著提高围岩稳定性，成巷速度快，劳动强度低，提高断面利用率，简化回采工作面端头工艺，明显改善作业环境和安全生产等条件优势，得到了广泛的推广和应用。但还存在认识上的模糊以及操作上的不规范等一些问题。

1 锚固力与锚杆拉拔力

1.1 定义

锚固力是指锚杆对围岩产生的约束力，分为锚杆工作锚固力和设计锚固力，锚杆工作锚固力包括初锚力和正常工作时的锚固力，通常说的锚固力指锚杆正常工作时的锚固力。

拉拔力是指阻止锚杆从岩体中拔出的力，分为设计和检测拉拔力，通常指设计拉拔力，其值应大于锚杆破断力。拉拔力通常用于锚杆施工质量检测，其值应不小于设计锚固力。

1.2 锚杆锚固力与拉拔力的区别

（1）锚杆锚固力是锚杆对围岩产生的约束力，是限制围岩变形，起支护作用的力。拉拔力是锚杆锚固后拉拔实验时，所能承受的极限载荷，反映的是杆体，锚固剂、岩石粘结到一起后，锚杆破断或失效的最大拉力。

（2）锚杆锚固力随着支护围岩变形，膨胀而增大，是一个动态并不断变化的力。锚杆拉拔力是一个固定值，不随围岩变形和锚杆受力而改变。

（3）锚杆锚固力检测使用锚杆测力计，检测锚固力是为了监测锚杆受力状况。锚杆拉拔力拉测使用锚杆拉力计，检测拉拔力是为了查验锚杆杆体，锚固剂、岩石三者之间粘结程度。

（4）检查锚杆施工质量时，一般检查锚杆拉拔力。监测分析锚杆工作情况时测锚固力，测量锚固力是为了验证分析锚杆工作情况时测锚固力，测量锚固力量是为了验证支护的可靠性，为以后修改支护设计提供依据。设计和施工时，必须保证锚杆拉拔力大于杆体破断力这一基本原则，但常见错误是设计的错杆拉拔力小于杆体破断力。

（5）施工、设计锚杆锚固力与拉拔力经常混淆。一方面是由于一些标准，教科书说法不一，造成混乱；另一方面对二者内涵认识理解有误，辨识不清。

2 预紧力和预紧力矩

2.1 定义

预紧力也称锚力，在安装锚杆（锚索）时，通过拧紧螺母或采用张拉方法施加在锚杆（锚索）上的拉力，单位kN。预紧力矩是拧紧螺母使螺杆达到设计预紧力时，施加到螺母上的力矩，单位N·m。

2.2 预紧力和预紧力矩关系

（1）二者有定性的关系，通常预紧力矩越大，预紧力越大，但非线关系。

（2）预紧力是力，是施加在锚杆（锚索）上的拉力，单位kN：预紧力矩是力矩，施加在压紧螺母上，单位N·m。

（3）二者测量仪器不同。预紧力通过锚杆测力计观测，预紧力矩则通过力矩扳手观测。

（4）锚杆施工设计要求的是预紧力，而不是预紧力矩。但在实际施工过程中，由于预紧力矩测读方便，且预紧力随着预紧力矩增大，通过直接检测预紧力矩就能达到间接检测锚杆预紧力的目的。因此，锚杆安装时通常检测预紧力矩。

3 预紧力的作用和要求

（1）预紧力能够发挥锚杆主动支护作用，特别是在层状岩层、破坏围岩条件下，增大预紧力能够改变围岩性质，保持围岩稳定，有利于对围岩支护。

（2）如果顶板围岩有整体离层冒落的趋势时，只有预紧力大于潜在冒落围岩重量时，才能阻止围岩离层趋势的出现和继续发展，才能发挥锚杆主动支护的作用。

（3）锚杆预紧力矩越大越好，但由于受锚杆机具限制，往往预紧力和初锚力都不能达到一个较高的数值。

（4）锚杆能够有效发挥主动支护作用，只有当预紧力达到一定程度后，才能使受支护围岩层形成组合梁或组合拱的结构。合适的预紧力范围应该是下限大于被支护围岩的重量，上限为锚杆屈服强度的70%。

4 锚杆设计中存在的问题及注意事项

对支护条件的研究不够，设计马虎，生搬硬套，一成不变，是设计中的主要问题。锚杆设计时，一般采用悬吊理论来计算锚杆的直径，这种设计在矿压小，围岩运动方向与锚杆平行的条件下适用，但在高应力，围岩运动方向与锚杆方向不一致时受到限制。要贯彻“动态设计”的思想，在满足通风、运输、行人的前提下，巷道的设计高度和宽度应预留适当的变形量。必须选择性能稳定质量可靠的锚杆及其它支护产品。另外不仅要考虑锚杆拉伸强度，还要考虑剪切强度，否则会造成支护强度不够，产生冒顶现象。对难维护复杂条件的支护设计，必须提高支护强度和支护等级，如大跨度、交叉点、软弱破碎不稳定煤、岩层，应采用加长或全长锚固、锚带索、桁架等联合支护方式。

5 锚杆施工过程中存在的问题

（1）锚杆、锚索支护设计不够科学。锚杆、锚索支护设计时绝大多数采用工程类比法，支护形式和参数不尽合理，有可能支护强度太高，造成支护强度过剩，浪费了材料；再者在松、散、软等特殊地质条件下支护强度可能不足，出现片帮、冒顶事故。

（2）锚杆、锚索支护材料的质量不能完全达到要求。如钢材质量、加工的螺纹质量、树脂药卷质量均直接影响支护质量。

（3）锚杆、锚索支护监测仪器与技术不能满足现场施工需要。常用仪器的精确度、实用性不尽完善，不能完全真实反映锚杆、锚索支护效果。

（4）对施工条件的变化掌握不够，不注意观察顶板岩性、水、断层及裂隙的变化，造成支护形式、支护强度不能适应支护条件的变化。

（5）锚杆眼深控制不到位。锚杆眼过深或过浅，都会造成降低锚杆的有效锚固长度。

（6）初锚力、锚固力的现场检验不到位，锚固剂用量，用法不符合设计，忽视了锚杆（索）的二次紧固。

（7）现有技术条件下，施工因素是直接影响锚杆、锚索支护质量的关键环节。施工人员安装锚杆（索）搅拌后，图省事，安上就拉，降低了锚杆（索）的预紧力。对锚杆、锚索支护理论的系统认识不够，对锚杆安装质量不到位，不能完全按设计施工。施工中常见的巷道成型差，锚杆托板不切岩面，造成锚杆失效；安装过程采用的机具、工艺不同，导致临近锚杆安装后预紧力不同，支护阻力增长不同均影响了支护效果。