锚杆支护观与支护失效因素研究

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锚杆支护观与支护失效因素研究范文
多年来国内外的实践经验证明，锚杆支护是煤矿经济、有效的支护技术，但是这种支护在实际过程中也面临着一些问题，如:不清楚是悬吊作用、组合梁、组合拱还是压缩拱作用，锚杆长度和锚固长度不够，导致锚杆失效。锚杆承载过程中预应力损失导致锚杆失效。
1锚杆支护的理论
锚杆主要是通过置入围岩内部发挥其支护作用，随着巷道围岩状态不同，锚杆支护也具有不同的作用基理。传统的锚杆支护理论有:悬吊理论、组合梁理论、组合拱(压缩拱)理论，近期又发展了最大水平应力理论。
(1)悬吊理论认为:锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定的岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性，由于锚杆的抗拉作用，锚杆穿过破碎岩石，深入稳定层中，对不稳定岩层起悬吊作用。
(2)组合梁理论认为:顶板锚杆的作用，一方面体现在锚杆的锚固力增强了各岩层的接触压力，避免各岩层出现离层现象;另一方面增强了岩层间的抗剪刚度，阻止各岩层间的水平错动，进而将作用范围内的几个岩层固成一个较厚的组合梁。
(3)组合拱理论认为，锚杆在围岩中形成一个均匀的压缩带，它不仅能保持自身的稳定，而且能承受地压，阻止危岩的松动和变形，这就是组合(挤压)拱。
(4)最大水平应力理论认为:矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，巷道顶、底板的稳定性主要受水平应力的影响。
2锚杆失效因素分析
(1)悬吊理论直观揭露了锚杆的悬吊作用，在分析过程中不考虑围岩的自承能力，而是将被锚固体与原岩体分开，只考虑了被动抗拉作用，与实际情况存在一定差距。
(2)组合梁理论很好的解释了层状岩体的支护作用，但在分析中，将锚杆的自稳作用分开，与实际情况有一定差距。并且随围岩条件的变化，在顶板破碎、连续性受到破坏时，组合梁也就不存在了。
(3)组合拱理论在一定程度上揭露了锚杆支护原理，但在分析过程中没有深入考虑围岩———支护的相互作用，只是将各支护结构的最大支护力简单相加，从而得到复合支护结构总的最大支护力，缺乏对加固岩体本身力学行为的进一步分析探讨，一般只能作为锚杆设计和施工的重要参考。
(4)由于最大水平应力基本沿层理方向，岩层容易出现水平错动和离层，以及沿轴向的岩层膨胀，于是锚杆起到约束离层和阻止岩层膨胀的作用，因此锚杆的选材必须具备高强度、高刚度、高抗剪切能力。
(5)锚杆支护参数设计不合理。锚杆支护参数设计包括:锚杆种类选择、锚杆几何参数、锚杆力学参数、锚杆密度(锚杆间、排距)、锚杆安装角度，钻孔直径、孔深、锚固方式和锚固长度、锚杆预紧扭矩等。
①锚杆长度根据普通的梁的理论，梁越厚，单层的梁越牢固。那么，通过层与层之间完美粘接的，具有界面的，由多层组成复合梁的结论也是如此。
②在锚杆的支护密度方面，岩层稳定程度、完整程度不同，支护密度也应该有所区别。因为，锚杆在施工时，锚杆的锚固力还是有差别的，形成锚杆单个作用，在不同锚固力的锚杆的作用下，会使顶板受到剪切而损坏，不能形成完整的支护体。在同等岩性的条件下，每根锚杆的支护半径不同，这就要求有合适的支护密度。如果锚杆密度过大，不但不会加强锚杆的支护效果，还会对顶板造成破坏。锚杆密度过小，则达不到应有的支护效果。
③锚杆间排距确定的原则主要包括:巷道断面维持原设计不变，保证正常通风、运输;控制支护成本，在现有支护材料不变的前提下仅改变支护参数，确保支护稳定的基础上降低支护成本，提高经济效益;保持现施工方法不变，适当增加间排距，提高单进水平和工效;支护设计必须保证理论成熟、安全可靠、结构合理;先进行方案、设计可行性研究，经研究同意后方可进行试验，分段进行;建立可靠的锚杆监测监控系统，观测锚杆支护体系的稳定性，以便及时修改锚杆支护系统。
④锚杆直径的选择要做到“三径匹配”，即锚杆直径、钻孔直径、钻头直径三者匹配。三径不匹配，锚杆的锚固长度、锚杆和围岩的结合程度就会偏离设计值，降低锚杆的承载力，当围岩来压时，锚杆易造成失效。由此看出，锚杆支护设计不合理，很难保证锚杆的支护效果，同时，煤矿井下的地质条件是随时变化的，所以，在施工过程中要根据实际情况，及时地修定锚杆支护设计参数。
3锚杆支护预应力导致锚杆失效的因素
(1)锚杆预应力小，预应力扩散效果差，支护刚度低，致使锚杆主动支护作用不能充分发挥，不能有效控制围岩离层与破坏，锚杆螺纹加工精度低。
(2)不同程度地出现锚杆被拉断、剪断和弯曲断裂的现象，表明锚杆强度偏低锚杆受力状态不佳;
(3)锚杆虽然实现了加长与全长锚固，不能实现全长预应力锚固，影响锚杆支护;
(4)组合构件强度、刚度不足而发现被拉断、剪断、压穿等现象。
4锚固失效因素分析
锚固剂又称作胶泥，由不饱和高分子聚脂树脂、固化剂、填充材料等配比组成，可分为油基锚固剂和水基锚固剂2种。有很多因素导致锚固失效，本文只对油基树脂锚固剂和预应力锚杆在使用过程中造成锚固失效因素做分析。锚固剂通常包装成圆柱状，内用聚脂薄膜分隔为两部分，只有充分搅拌后才能迅速固化，生成锚固力。
4．1油基树脂锚固剂失效因素
(1)搅拌时间控制。树脂锚固剂充分搅拌均匀后产生化学反应，并逐渐固化，体积有微量收缩，伴随有放热现象。当开始固化瞬间，锚固剂不能受外力搅拌，否则会彻底破坏锚固剂的力学性能，形成碎砾状固化颗粒，没有粘结力，造成锚固失效。
(2)水对锚固剂的影响。树脂锚固剂是一种不溶于水的化学物质，当锚固剂中混入水后，在固化过程中，水因重力作用从胶泥中渗出，固化体中形成很多大小不等的细小气孔，这种气孔减少了锚固剂抗拉强度、抗弯强度、弹性模量和粘结力，长时间经水浸泡，锚固剂逐步老化，造成失效。因此井下巷道遇含水破碎带时不宜采用树脂锚杆支护。
4．2预应力锚杆的锚固失效因素
预应力锚杆由杆体、托盘、螺纹圈组成，预应力锚杆用于巷道支护，除具有一般锚杆悬吊、加拱、围岩加固作用，主要作用是通过锚杆给围岩增加预应力。
(1)油脂对锚固剂影响:树脂锚固剂不溶于油脂，锚杆杆体表面由于制造过程中被油脂污染，降低锚固剂的粘结强度，造成锚固失效。因此，应该严格控制杆体中油脂含量。
(2)合理的安排锚杆间距、排距、材质、直径对锚杆支护效果起着决定性作用。
(3)钻孔直径的影响:钻孔大，搅拌锚固剂时从钻孔中流出，造成锚固剂固化疏松，减少粘结强度，减小锚固力。钻孔小，锚杆对锚固剂搅拌困难，难以推进药卷至钻孔底，甚至途中固化。
(4)“手套效应”:锚固剂直径大于杆体直径，杆体插入药卷中，没能搅破外包膜而固化，药膜将孔壁与固化剂完全分开造成失效。
(5)安装后应从杆体尾部螺纹施加不小于100N?m的预应力，保证顶板有足够承载能力，随着地质变化，螺母松弛，造成预应力损失，导致失效。因此应定期紧固螺母保持设计预应力。
5结论
由于锚杆支护受多种因素影响，为达到锚杆对周围岩体的有效支护目的，设计时不仅要考虑地质构造，还要考虑外在因素影响。锚固设计中基本采用经验、半经验方法，锚杆与围岩体等的相互作用理论等，各种锚杆的应力传递规律，锚杆与其他构件的相互作用等方面依然存在大量的不确定性。应参照实际成功的经验，综合评价，进一步夯实基础，以使锚杆锚固支护达到完美，实现安全终极目标。