郭澤洋，王 斌, 2, 3，寧 勇

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可伸長讓壓錨桿的研究現(xiàn)狀及展望*

郭澤洋1，王 斌1, 2, 3，寧 勇1

(1.湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 湘潭市 411201；2.湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產(chǎn)重點實驗室，湖南 湘潭市 411201；3.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭市 411201)

深部圍巖支護中，可伸長讓壓錨桿因具有較高的支護強度和良好的讓壓變形能力越來越被重視?？缮扉L讓壓錨桿的作用原理源于支護結構與圍巖相互作用關系，適當降低支護結構剛度并增大變形能力可降低平衡點的應力?？缮扉L讓壓錨桿的種類較多，根據(jù)讓壓變形構件的工作原理可分為結構元件滑移可伸長和桿體可伸長，按照可伸長構件所在位置不同又可劃分為孔內(nèi)可伸長和孔外可伸長。探討分析了可伸長讓壓錨桿存在的不足和今后的研究方向，為可伸長讓壓錨桿未來的發(fā)展與研究提供參考。

可伸長讓壓錨桿；深部圍巖；讓壓支護

0 引 言

錨桿支護可顯著改善巷道圍巖承載并提高其穩(wěn)定性，因此廣泛應用于礦山等各類巖土工程領域[1]。隨著資源開采逐步向深部發(fā)展，各類巖體所處應力環(huán) 境日趨復雜，軟巖巷道圍巖變形量可以達到200~ 500 mm[2]，遠遠超過普通錨桿桿體的變形控制范 圍[3]；高應力條件下硬巖巷道圍巖變形小，通常只有20~65 mm，但對支護強度或讓壓吸能的要求高，普通錨桿也容易發(fā)生斷裂失效從而誘發(fā)巖爆等動力災 害[4]；普通錨桿由于其剛度太大、讓壓變形性能差等原因，在深部開采環(huán)境中難以適應高地應力或較大的圍巖變形的支護要求[3]。深部圍巖支護的理想錨桿既要有較高的支護強度，又要有良好的讓壓變形能力[5]，這一原則適用于軟巖和硬巖巷道，同時，錨桿讓壓吸能設計要充分利用深部巖體的自承載能力，尤其對硬脆圍巖，更要依靠并調(diào)動硬巖自身高強度形成的結構效應[6]。鑒于普通錨桿的吸能和變形的劣勢，國內(nèi)外學者致力于提高錨桿的變形讓壓吸能方面的研究，相應提出“吸能讓壓錨桿”或“可伸長讓壓錨桿”的 概念。

1 可伸長讓壓錨桿作用機理

1.1 讓壓支護與圍巖相互作用關系

讓壓支護結構與圍巖相互作用關系可以用圖1說明[7]：曲線Ⅰ是巷道圍巖在無支護條件下的應力?變形曲線，曲線Ⅱ、Ⅲ分別是采用普通錨桿和讓壓支護結構的力學特征曲線，曲線Ⅰ和曲線Ⅱ、Ⅲ的交點和分別是普通錨桿和讓壓支護結構的平衡點。A區(qū)域圍巖處于彈塑性階段，B區(qū)域圍巖松動破壞，點為圍巖穩(wěn)定平衡點，B區(qū)域的支護結構無法正常工作，故支護結構作用點應在點左側附近。普通錨桿(曲線Ⅱ)如采用加大支護剛度、加大支護阻力可達到減小巷道圍巖變形的效果，但圍巖和錨桿支護平衡點位置高，會導致普通錨桿支護結構受力較大，點對應的支護阻力遠大于點支護阻力。讓壓支護結構(曲線Ⅲ)允許圍巖有相對較大的變形，圍巖穩(wěn)定時支護結構可以以相對較小的工作阻力，保證巷道圍巖的完整性和穩(wěn)定性。因此，對于錨桿讓壓支護結構而言，錨桿的剛度應適當降低并有相對較大的變形能力，這也是可伸長讓壓錨桿的作用機理所在[8]。

圖1 支護與圍巖相互作用關系[7]

1.2 可伸長讓壓錨桿試驗

基于讓壓支護與圍巖的相互作用關系，國內(nèi)外學者設計了不同類型的可伸長讓壓錨桿，并通過試驗驗證了可伸長讓壓錨桿的優(yōu)越性。文獻[9]對比了Conebolt錨桿、Roofex錨桿、恒阻大變形錨桿與普通錨桿的拉力?位移關系，如圖2所示，與普通錨桿相比，可伸長讓壓錨桿依靠不同的讓壓變形結構達到減小桿體剛度的目的，并且都能增加桿體的延伸量。文獻[10]提出高強預應力讓壓錨桿，彈性讓壓變形距離和塑性讓壓變形距離分別提高了188.9%和44.1%，桿體的極限承載力與普通錨桿基本相等，如圖3所示。文獻[11]中高強讓壓錨桿與普通錨桿受力變形對比曲線如圖4所示，讓壓錨桿在彈性變形階段產(chǎn)生一定的讓壓作用，其它變形階段的受力變形曲線和普通錨桿相同。文獻[3]設計了拉壓耦合大變形錨桿，普通錨桿峰值強度在130~140 kN之間，但拉壓耦合試件在145 kN時才發(fā)生屈服，極限拉拔強度達到200 kN，桿體達到極限承載力時的延伸量提高了5倍，如圖5所示?？梢钥闯?，以上幾種可伸長讓壓錨桿的試驗曲線與圖1中曲線Ⅲ的特點很接近。

圖2 國內(nèi)外可變形讓壓支護性能對比[9]

圖3 高強預應力讓壓錨桿[10]

圖4 高強讓壓錨桿[11]

圖5 拉壓耦合大變形錨桿[3]

2 可伸長讓壓錨桿的讓壓變形構件

20世紀60年代，Cook[5]等提出屈服錨桿的概念，并將其應用于南非金礦。1992年Windsor也提出理想錨固裝置不僅要具有足夠的強度，還要有良好的變形性能[3]。國內(nèi)外現(xiàn)階段的可伸長讓壓錨桿有很多，國外主要有Conebolt 錨桿、Roofex 錨桿、Durabar型錨桿以及D 型錨桿[2]，國內(nèi)包括恒阻大變形錨桿[1]、拉壓耦合大變形錨桿[3]、H型桿體可延伸增強錨桿[7]、動靜組合錨桿[12]、動壓軟巖巷道用讓壓錨桿[13]等。

按照讓壓變形構件工作原理，上述可伸長讓壓錨桿可分為結構元件滑移可伸長和桿體可伸長兩類，前者在桿體上設計一些機械構件，當圍巖變形傳遞到錨桿時，桿體拉力達到一定數(shù)值可借助特殊的機械結構發(fā)生滑動，桿體的滑動量和阻力就是錨桿的變形量和工作阻力；后者依靠桿體材料的延伸率和屈服強度提供錨桿的變形量和工作阻力[7]。按照可伸長構件所在孔口位置不同又可分為孔內(nèi)可伸長和孔外可伸長兩大類[12]，孔內(nèi)可伸長讓壓錨桿可選擇布置結構元件滑移和桿體可伸長兩類元件，孔外可伸長讓壓錨桿只能增設結構元件，如塑料壓縮筒、彈簧結構或金屬讓壓 管等。

2.1 錨桿工作原理分類

(1) 結構滑移可伸長讓壓錨桿。最早的結構元件滑移可伸長讓壓錨桿是Jager設計Conebolt錨桿[3]，該錨桿由光滑桿體和錨頭位置的扁平闊口組成，如圖6(a)所示，錨桿通過扁平闊口與錨固劑擠壓滑動達到大變形的目的。Garford Solid錨桿[4]如圖6(b)所示，在桿體上安裝吸能裝置，該吸能裝置內(nèi)徑小于桿體，巖石膨脹時迫使桿體擠壓穿過吸能裝置，桿體屈服載荷由實心桿體和吸能裝置的孔徑差決定，極限變形量由錨尾長度決定。何滿潮設計出具有負泊松比效應的恒阻大變形錨桿[14]，圖6(c)所示，圍巖變形過程中恒阻體與桿體上的恒阻套管摩擦并保持恒阻特性，依靠恒阻裝置的結構變形來抵抗巖體的變形破壞?？卓趶椈蓧嚎s式錨桿[15]在孔口增加一個彈簧和墊板，如圖6(d)所示，巷道圍巖發(fā)生膨脹時，彈簧受壓提供圍巖所需的變形量，桿體最大變形量由桿體受力和彈簧的彈性壓縮系數(shù)決定。

(a) Conebolt錨桿[3]；(b) Garford Solid錨桿[4]；(c)恒阻大變形錨桿[14]；(d)彈簧壓縮式錨桿[15]

(2) 桿體可伸長讓壓錨桿。桿體可伸長讓壓錨桿通過改變桿體形狀或材料性質(zhì)達到增加其變形量的效果。Durabar 型錨桿[4]由光滑桿體、正弦波彎曲結構以及托盤和螺母組成，如圖7(a)所示，當荷載達到該錨桿的設計屈服極限時，桿體通過在硬化的錨固劑中滑動而屈服，其極限荷載不僅與桿體和錨固劑之間的摩擦系數(shù)有關，其彎曲結構主要起錨固作用。D 型錨桿[4]在光滑桿體上設計有多個波浪形結構的錨節(jié)，錨節(jié)分為葉片形和波紋形，如圖7(b)所示，相鄰兩個錨節(jié)之間的桿體長度可根據(jù)不同圍巖條件進行設計，圍巖變形過程中錨節(jié)牢牢固定在錨固劑中，通過錨桿多點受力將桿體分成若干個自由段和錨固單元，圍巖變形過程中能夠充分發(fā)揮各個自由段的變形優(yōu)勢。侯朝炯針對錨桿螺紋段強度低而經(jīng)常發(fā)生破壞的問題，提出H型桿體可延伸增強錨桿[7]，圖 7(c)所示，通過對錨尾螺紋段做高溫處理，使錨尾強度大于桿體，圍巖發(fā)生變形后保證斷裂位置在錨桿桿體而不在錨尾，利用桿體的塑性變形適應圍巖變形的要求，并提高錨桿整體剛度[16]。針對巖爆巷道常發(fā)生表面巖層剝離導致錨桿托盤懸空的問題，王斌提出動靜組合錨桿[12]，其對可伸長桿體兩端進行錨固，并將可伸長構件置于彈性區(qū)和破裂區(qū)邊界附近，錨桿既能夠提供一定的變形空間，破裂區(qū)全長錨固的錨桿又能夠對層裂巖體提供補強作用，圖7(d)所示是在現(xiàn)場應用的彎曲型動靜組合錨桿。

(a) Durabar 型錨桿[4]；(b) D型錨桿[4]；(c) H型桿體可延伸增強錨桿[16]；(d)彎曲型動靜組合錨桿[12]

2.2 可伸長構件所在位置分類

(1) 孔內(nèi)可伸長讓壓錨桿?？變?nèi)可伸長讓壓錨桿將可伸長構件設置在孔內(nèi)，依靠異形桿體或桿體與機械結構的擠壓摩擦提供讓壓變形能力，可選擇布置結構元件滑移和桿體可伸長兩類元件，因讓壓變形構件在巷道圍巖深部，更強調(diào)錨桿的主動支護功能。前述Garford Solid錨桿、恒阻大變形錨桿、Durabar 型錨桿、D 型錨桿、H型桿體可延伸增強錨桿、動靜組合錨桿都是典型的孔內(nèi)可伸長讓壓錨桿。圖8(a)所示的Roofex錨桿[17]，當桿體所受荷載超過預設值時，插有銷釘?shù)奈軜嫾c桿體發(fā)生相對移動，達到抵抗圍巖變形對桿體產(chǎn)生破壞的效果。圖8(b)所示的吸能防沖錨桿索利用吸能套管將錨桿和錨索連接，并在錨尾墊片和托盤之間安裝吸能裝置，發(fā)生沖擊地壓時，一方面錨桿依靠吸能套管的摩擦發(fā)生滑移，另一方面依靠錨尾吸能裝置實現(xiàn)讓位吸能[18]。圖8(c)拉壓耦合大變形錨桿錨頭段桿體表面加工成粗糙狀，錨尾通過螺紋、螺母固定，中間光圓段兩端各安裝一個錨節(jié)，錨節(jié)起到阻止粗糙段外移以及支撐圍巖的作用，中間光圓段的變形和讓壓作用得到發(fā)揮[3]。

(a) Roofex錨桿[17]；(b) 吸能防沖錨桿[18]；(c) 拉壓耦合大變形錨桿[3]

(2) 孔外可伸長讓壓錨桿?？淄饪缮扉L讓壓錨桿通過在錨孔外側安裝讓壓變形構件，圍巖發(fā)生膨脹變形時擠壓外部的讓壓構件發(fā)生變形，讓壓構件布置在孔外，方便安裝與更換且易于觀察變形破壞情況?？卓趶椈墒綁嚎s錨桿[15]和動壓軟巖巷道用讓壓錨桿[13]分別如圖6(d)和9(a)所示，通過在孔外增加彈簧構件，圍巖發(fā)生變形時托盤受力擠壓彈簧構件，彈簧構件的變形量就是允許圍巖能夠發(fā)生的變形量。高強讓壓錨桿[10]、塑料壓縮筒可伸長讓壓錨桿[15]、預應力讓壓錨桿[11]都是通過在錨孔外側安裝金屬讓壓管或塑料讓壓管，其基本結構形式如圖9(b)所示，圍巖變形時讓壓管受擠壓變形，其變形量就是錨桿允許圍巖產(chǎn)生的變形量。

(a)動壓軟巖巷道用讓壓錨桿[13]；(b)預應力讓壓錨桿[10]

3 問題與展望

3.1 問 題

現(xiàn)有可伸長讓壓錨桿種類較多，但大多數(shù)沒有得到很好的應用推廣，究其原因主要有以下幾點：

(1) 可伸長讓壓錨桿在較高的工作阻力下保持恒定變形的能力依然很弱，相比于普通錨桿變形量有所增大，但是依然不能達到控制圍巖大變形的要求[19]，尤其深部軟巖大變形巷道的變形量很大；

(2) 深部硬巖錨桿讓壓支護與軟巖是有區(qū)別的，硬巖破壞的主要問題是斷裂而不是變形，針對巖爆災害防治的可伸長讓壓錨桿，對硬巖的破壞特點沒有充分把握，如錨桿托盤位置硬脆巖體易發(fā)生層裂片剝，導致錨桿托盤懸空而錨固失效[20]；

(3) 錨桿承載力設計不足，不能夠適應深部巷道的高地應力環(huán)境；

(4) 結構設計復雜，沒有考慮讓壓變形構件的制作成本，對其安裝工藝考慮不到位也是制約因素之一。

3.2 展 望

(1) 可伸長讓壓錨桿的讓壓變形設計，要區(qū)分硬巖和軟巖的作用效果。可伸長讓壓錨桿的提出，最初是基于軟巖巷道大變形實際情況，因此，深部軟巖支護時，可伸長讓壓錨桿同時考慮強度和延伸量時，應偏重延伸能力的設計。對于硬巖支護時，應偏重吸能或耗能設計，因為硬巖不允許進入塑性，深部硬巖在高應力條件下會積聚大量應變能[6, 21]，讓壓變形構件更應遵循能量釋放原則，如采用柔性材料加以控制[22]，或通過降低應力集中程度并耗散巖體內(nèi)積聚的應變能，此對策對堅硬且完整的深部硬脆性巖體的讓壓支護十分有利[23]。

(2) 未來可伸長讓壓錨桿的設計，要注重新材料、新結構的研發(fā)，注重現(xiàn)場試驗的重要性，為優(yōu)化可伸長讓壓錨桿提供科學依據(jù)，還要對可伸長讓壓錨桿配件的各個參數(shù)進行細致的分析，研發(fā)適合于不同工況的一系列可伸長讓壓錨桿，擴大對可伸長讓壓錨桿的應用范圍，如利用讓壓構件的變形特點開發(fā)可供實時監(jiān)測的智能讓壓錨桿[17]。

(3) 高預應力條件下錨桿的主動支護作用能得到充分發(fā)揮[24]，在可伸長讓壓錨桿研究領域，應充分利用預應力的這種增強效果，如美國捷馬公司設計的高預應力讓壓錨桿以能讓壓和施加高預應力著稱[25]，通過對高預應力讓壓錨桿研究，發(fā)現(xiàn)該錨桿能提供較高的預應力控制圍巖早期變形[10]。

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國家自然科學基金資助項目(51674116).

(2019?01?24)

郭澤洋(1994—)，男，河南安陽人，在讀碩士研究生，主要從事采礦與巖石力學方面的研究，Email: 2692353750@qq.com。

王 斌(1975—)，男，博士，副教授，碩士生導師，主要從事采礦與巖石力學方面的教學與研究工作，Email: wb21c@sina.com.cn。