锚杆（索）支护安装载荷作用机理研究

徐学富

【摘要】本文通过红会矿的支护改革实践，分析了锚杆支护安装载荷的作用机理。合理安装载荷的设计和现场实现是围岩支护的重要因素之一。通过对锚杆安装载荷和其他相关因素的改进，红会矿巷道支护状况得到了很大改善。并成功支护和维护了受上层煤高支承压力影响的巷道。

【关键词】安装载荷；主动加固梁；无效主动加固空间

1、引言

适当提高安装载荷可以起到早期及时支护的作用，防止巷道围岩早期变形和离层。捷马公司和红会矿最近两年对巷道支护进行了全面改革。作为支护改进的参数之一，对锚杆的安装载荷进行了系统的研究试验并应用到支护实践中。红会四矿的巷道支护状况得到了很大提高。并成功的支护和维护了受一煤层4602面支承压力影响的4701工作面的回风顺槽。本文只阐述安装载荷方面的改进。

2、安装载荷作用机理探讨

2.1改善围岩应力状态加强围岩自承能力

安装应力是改善围岩应力状态和加强围岩自承能力的源泉。通过摩尔应力圆和强度准则可以得到定性的解释。锚杆支护系统围岩变形破坏和支护过程经过一下几个步骤如图1所示：

（1）巷道开挖前：如图所示，巷道开挖前，岩石处于三向应力状态，摩尔强度曲线远离应力圆，围岩处于稳定状态。

（2）巷道开挖后支护之前：巷道围岩表面处于单向应力状态，摩尔应力圆内移并与Y轴相切。同时由于开挖后引起的应力集中造成巷道变形破坏，造成围岩的内聚力C和内摩擦角φ降低，摩尔强度曲线一方面下降另一方面斜率减少。最终强度曲线和应力圆相切相交，剪应力大于围岩的强度，围岩逐步产生变形破坏。

（3）锚杆（锁）主动支护：如图所示，在锚杆（锁）安装过程中，通过扭矩及时的施加适当的主动安装载荷。一方面变围岩单向应力状态成三向应力状态，外推应力圆，安装载荷越大，应力圆外推距离越远，改善了围岩的应力状态。另一方面，在安装载荷的作用下，已经变形破坏围岩的内聚力C和内摩擦角φ将增加，强度曲线上移斜率加大。最终结果是强度曲线远离应力圆。

综上所述，安装载荷对巷道支护是关键因素之一，适当的安装载荷可以改善围岩的应力状态，增加围岩的自承能力。

2.2主动及时支护改善锚杆（锁）工作性能

为了研究安装载荷对锚杆工作特性的影响，进行了一系列的实验室和井下锚杆测试如图2所示。图中包括三条测试曲线，一条是按设计进行的实验室测试曲线（中），一条是现场有安装载荷（6吨）测试曲线（上），一条是现场无安装载荷测试曲线（下）。

（1）实验室测试设计曲线：从图中可以看出，按设计锚杆在顶板变形12mm对顶板所提供的支护阻力应该达到18吨左右。然后随着顶板的不断变形产生屈服，塑性强化，最后破断。达到了限制早期变形及时主动的要求。

（2）现场无安装应力测试：从图中可以看出，顶板在下沉40mm之前锚杆受力很小。顶板变形达到42mm后，锚杆对顶板的支护阻力才达到18吨。与设计要求相差很远。其原因主要是顶板变形时，首先要压实浮矸，钢带，金属网以及顶板的部分变形。这可能会产生两种情况：一种情况是如果锚杆足够长，围岩变形很大，锚杆将承受很大的变形碎涨载荷，杆体强度不大时发生破断、托盘翻盘；另一种情况是由于围岩早期变形大，造成松散破碎圈内移，直至超出锚杆的锚固范围，从而造成锚杆支护系统失效而随围岩一起外移，这时尽管围岩变形很大但锚杆受力很小。

（3）现场6吨安装应力测试：从图中可以看到，锚杆系统首先在顶板离层变形前给顶板施加6t的安装应力，然后随着围岩的变形，锚杆载荷迅速增加到其设计工作载荷，此时达到设计工作载荷时的围岩变形只有5mm，锚杆系统起到了早期、主动的支护作用。

综上所述，安装载荷是主动及时支护的源泉，是保证锚杆设计工作性能的先决条件。施工过程中所施加的安装载荷的大小会直接影响到锚杆的工作状态，严重时会引起锚杆支护系统失效。经过大量的试验和分析，在红会矿的条件下安装载荷不小于4吨。

3、安装载荷的实现和质量保证

综上所述，安装载荷在锚杆（锁）支护系统中起到非常重要的作用。安装载荷是锚杆安装质量的重要标之一。安装载荷的实现是通过安装机具通过扭扭上紧锚杆的螺母实现的。传统上，现场都是通过规定安装扭矩的方法保证安装，然而很少知道所规定的安装扭矩能够转化成多大安装载荷。不同类型的锚杆和不同厂家生产的锚杆是截然不同的。为了保证安装载荷的实现，红会四矿对锚杆安装进行了改革。首先是对安装载荷和安装扭矩进行了井下试验。通过实验分析可以得到，对于所测试的锚杆，载荷扭矩比为1.8吨/100Nm。要想达到4吨以上的设计安装载荷，所需的扭矩不小于220Nm。从而得出质检标准。

然而，传统的检查方法不可能每根锚杆都做检查，同时在巷道较高的情况下，顶板锚杆质检比较困难。为了解决这个问题，红会矿和捷马公司采用了安装应力显示锚杆，此种锚杆在操作工安装过程中可以方便的通过载荷显示器看到安装载荷是否达到基本要求。从而保证安装载荷。

经过近两年对巷道支护的改进，红会矿取得了明显的效果。并成功的支护和维护了受一煤层4602面支承壓力影响的4701工作面的回风顺槽。解决了巷道多次翻修的问题，为安全，经济，快速的巷道掘进和回采工作回采创造了条件。

参考文献

[1]王亚杰.深井高地压、大变形围岩巷道支护技术及锚杆设计.矿支护，2008，（1）

[2]王亚杰.孤岛工作面顺槽防冲耦合让压支护技术研究.锚杆支护，2012年第四期