鄧天琳

(大同煤礦集團設(shè)計研究有限公司，山西大同037003)

0 引言

錨桿支護系統(tǒng)在人們的日常生活中已得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在煤礦巷道建設(shè)中，因其安全性高、強度大的特點成為了巷道支護的主要方式。然而，隨著近年來我國煤礦開采規(guī)模的不斷增大及礦井深度的增加，對礦井巷道施工技術(shù)的要求也逐漸提升。為保證礦下工作人員的安全及采礦工作的效率，礦井應(yīng)力巷道必須具備較大的橫截面積、較高的抗震系數(shù)，為此必須有效提高巷道的支護效果。

1 錨桿支護系統(tǒng)剛度與預(yù)應(yīng)力的重要性

提高錨桿支護系統(tǒng)的剛度是保證巷道安全性和強度的有效手段。其中主要的方式有增加錨桿的預(yù)應(yīng)力和增加錨固長度兩種方式。與此同時，還應(yīng)相應(yīng)地通過鋼板、拖帶等部件將預(yù)應(yīng)力分散到整個系統(tǒng)中，從而有效方式支護結(jié)構(gòu)的錯位和分離。

錨桿預(yù)應(yīng)力還包含了以下幾項內(nèi)容:①錨桿預(yù)緊力，即在安裝錨桿時對錨桿向軸心的拉力。②錨桿預(yù)緊力距，即軸心拉力到施力點的距離。③錨桿預(yù)應(yīng)力，指的是在錨桿安裝過程中對錨桿的軸心拉應(yīng)力。錨桿預(yù)應(yīng)力的大小與錨桿預(yù)緊力和錨桿的橫截面積相關(guān)，并可以根據(jù)兩者的一定換算關(guān)系得出。

錨桿預(yù)應(yīng)力在土木建設(shè)工程中應(yīng)用十分廣泛，其主要作用是加固巖土，提高建筑項目的安全性。預(yù)應(yīng)力錨桿與錨桿固定相結(jié)合的方式是工程項目中最為常見的支護方式。

最先對錨桿預(yù)應(yīng)力進(jìn)行研究和應(yīng)用的國家是美國。早在20 世紀(jì)后期，美國就利用錨桿預(yù)應(yīng)力支護礦山巷道。美國當(dāng)時采用的提高錨桿預(yù)應(yīng)力的方式是使用擴殼式的錨頭，并將其與樹脂錨固劑結(jié)合使用。這種支護方式在當(dāng)時取得了很好的成效，錨桿的強度和安全性獲得了極大的提升。美國的礦山巷道支護系統(tǒng)的改進(jìn)能獲得成功的原因主要有3 個。首先是對錨桿預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用有效地提高了頂板的抗震強度;其次是對錨桿的精細(xì)加工大大提升了錨桿的穩(wěn)定性;此外，美國當(dāng)時采用了最為先進(jìn)的錨桿施工器械，也在一定程度上提升了錨桿的支護性能。

美國對錨桿預(yù)應(yīng)力的研究成果對我國產(chǎn)生了巨大影響。我國學(xué)者在美國研究結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究得出，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力在60 ～70 kN 時，其支護效果可以達(dá)到最佳狀態(tài)。之后又有專家將樹枝錨固試劑應(yīng)用到了錨索固定上，有效避免了巖層分離、滑動的現(xiàn)象。

盡管我國在錨桿預(yù)應(yīng)力的研究應(yīng)用上取得了一定的成果，但對這一領(lǐng)域的研究還不夠深入。在我國的工程項目中，一般通過加大錨桿桿體密度的方式來提高錨桿的支護效果，這一做法雖然能在一定程度上提升錨桿強度，但也容易產(chǎn)生起錨桿延展性弱，機動性差等問題。為此，我國必須從理論出發(fā)，總結(jié)支護系統(tǒng)設(shè)計原理，并進(jìn)一步優(yōu)化錨桿施工器械和材料，從而提升錨桿支護系統(tǒng)的整體性能。

2 預(yù)應(yīng)力支護理論

2.1 錨桿支護作用分析

錨桿支護技術(shù)主要是用于對巖石的加固。其中巖石的密度、內(nèi)部構(gòu)造及性質(zhì)等都會對錨桿的支護效果產(chǎn)生不同程度的影響。錨桿支護系統(tǒng)的作用主要可分為以下幾種。

錨桿支護系統(tǒng)可提高巖石的強度、粘合度及抗壓度等。錨桿支護對巖石加固主要通過改變巖石的物理性質(zhì)來實現(xiàn)。錨桿支護可提高巖石結(jié)構(gòu)面的強度。錨桿可以對巖石提供一定的軸心力和橫向力，從而有效提高巖石在結(jié)構(gòu)面上的強度，保證巖石的穩(wěn)定性和整體性。

錨桿支護能改善巖石的受力狀態(tài)。錨桿會對巖石施加一定的壓力，這一部分壓力可與巖石受到的摩擦力進(jìn)行一定程度的抵消，從而減少巖石的磨損。

2.2 預(yù)應(yīng)力對錨桿支護的作用機理

隨著近來來科技的進(jìn)步，我國的錨桿支護技術(shù)也獲得了一定的發(fā)展，尤其是在理論層面的研究上，有越來越多的專家學(xué)者開始意識到增加錨固剛度的重要性，其中提高錨桿預(yù)應(yīng)力是有效提高錨桿強度的主要手段。我國最早采用的預(yù)應(yīng)力支護技術(shù)是樹脂錨固錨索技術(shù)。這種技術(shù)通過增大錨固深度為錨索提供了更大的預(yù)應(yīng)力，從而提高了錨索的整體強度。隨著研究的不斷深入和發(fā)展，我國的錨桿支護理論有了更全面科學(xué)的體系。

首先，預(yù)應(yīng)力錨桿應(yīng)用的根本目的在于防止巖石的分裂、滑動，保證巖石的整體性和強度。其次，錨桿預(yù)應(yīng)力是決定錨桿支護效果的主要因素。在提高錨桿預(yù)應(yīng)力時不僅要增強錨桿的強度，還應(yīng)通過相應(yīng)的連接部件將預(yù)應(yīng)力進(jìn)行分散，提高整個支護系統(tǒng)的強度。錨桿支護系統(tǒng)也存在著一定的受壓限度。為保證錨桿支護系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，必須使支護系統(tǒng)的最大剛度大于受壓限度，從而有效避免支護結(jié)構(gòu)的變形。錨桿支護系統(tǒng)還應(yīng)具備一定的彈性，在收到壓力的沖擊時能夠通過一定限度的變形來分散壓力，從而必須支護系統(tǒng)的斷裂與破壞。為此，在保證錨桿所需強度的同時，還應(yīng)保證錨桿具備一定的韌性和延伸性。預(yù)應(yīng)力錨索在錨桿支護系統(tǒng)中也起到了關(guān)鍵作用。其用途主要表現(xiàn)在兩個方面:首先，預(yù)應(yīng)力錨索是將錨桿支護結(jié)構(gòu)與巖石相連的紐帶;提高錨索的強度也能在一定程度上提高預(yù)應(yīng)力的承壓能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其次，錨索與錨桿共同形成了錨桿支護系統(tǒng)的骨架，是防護巖石的主要結(jié)構(gòu)。

3 預(yù)應(yīng)力錨桿支護材料的選擇

錨桿支護材料主要包括螺母、桿體、錨固劑、錨索、鋼板等。錨桿支護材料的強度會極大地影響錨桿的支護效果和穩(wěn)定性。在進(jìn)行錨桿支護材料的選擇時應(yīng)遵循以下原則。

錨桿桿體應(yīng)具備一定的抗壓能力。當(dāng)桿體受到較大的壓力時，桿體應(yīng)能夠通過一定的延展和變形將力進(jìn)行分散或傳導(dǎo)，從而將能量進(jìn)行分化，防止支護結(jié)構(gòu)的斷裂。

錨桿桿體的底部應(yīng)有相對較大的預(yù)應(yīng)力，這主要是由于在巷道施工中，桿體底部一般承受較大的壓力。增加桿體底部的預(yù)應(yīng)力可通過對底部螺紋進(jìn)行精細(xì)加工或改變其形狀、尺寸等方式實現(xiàn)。

錨桿螺母、托板等部件應(yīng)與桿體實現(xiàn)精確的匹配。當(dāng)部件與桿體無法較好地組合在一起時，容易引起部件的滑動、扭轉(zhuǎn)、摩擦等，從而引起部件和桿體的磨損。

錨索應(yīng)具備一定的韌性和承壓性。錨索在支護系統(tǒng)中主要起到了連接的作用，因此較常受到扭轉(zhuǎn)力、拉伸力等，容易磨損。提高錨索的韌性和承壓性能夠有效提升預(yù)應(yīng)力，延長錨索使用壽命。

托板、鋼帶等部件的性能應(yīng)與錨桿和錨索相一致，從而使錨桿上的預(yù)應(yīng)力能獲得高效的分散。

為提高錨桿支護體系的強度，我國在近年來開始致力于提高預(yù)應(yīng)力錨桿支護材料的質(zhì)量。在錨桿底部螺紋的加工上，我國對其形狀和尺寸進(jìn)行了一定的優(yōu)化，使其更符合工程力學(xué)和支護系統(tǒng)的強度要求。同時在生產(chǎn)時也采用了精細(xì)加工的方式，大大提高了螺紋加工的質(zhì)量。

在托板、螺母的加工上，一方面采用了強度更大的材料，另一方面也對其形狀和尺寸進(jìn)行了一定的調(diào)整，并使其能與錨桿較好地結(jié)合。

在錨固方面，我國采用了最新的樹脂錨固，并在其直徑、橫截面、結(jié)構(gòu)上都進(jìn)行了一定的優(yōu)化。于此同時，還開發(fā)出了與錨索相配合的特定托板，使支護系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)性能都獲得了提升。

4 結(jié)語

錨桿預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用可以有效提高錨桿支護系統(tǒng)的強度和支護效果。當(dāng)錨桿受到較大壓力時，可通過一定的制動系統(tǒng)和程序?qū)αM(jìn)行分散。當(dāng)錨桿受到的預(yù)應(yīng)力較大時，可通過托板、鋼帶等部件對力進(jìn)行分散;當(dāng)錨桿受到了預(yù)應(yīng)力較低時，有效壓力感應(yīng)器也相應(yīng)變小。

［1］高利平.預(yù)應(yīng)力在錨桿支護中的作用［J］. 江西煤炭科技，2013(4):28 -31.

［2］富榮輝，劉昱.高層建筑深基坑預(yù)應(yīng)力長錨桿支護的應(yīng)用［J］.東北水利水電，2013(3):112 -115.

［3］陳黎東. 汪明志. 錨索測力計在錨桿支護中的應(yīng)用［J］.煤，2012(7):62 -64.