淺論錨桿支護(hù)的作用機(jī)理和適用條件

【關(guān)鍵詞】錨桿；支護(hù)

　　1 引言

　　錨噴支護(hù)跟棚子和石材支架支護(hù)等相比較，具有明顯的優(yōu)越性。棚子和石材支架是在巷道圍巖的外部對巖石進(jìn)行支撐，它只是被動(dòng)地承受圍巖產(chǎn)生的壓力和防止破碎的巖石冒落。而錨桿支護(hù)則是通過錨入圍巖內(nèi)部的錨桿，改變圍巖本身的力學(xué)狀態(tài)，在巷道周圍形成一個(gè)整體而又穩(wěn)定的巖石帶，利用錨桿與圍巖共同作用，達(dá)到維護(hù)巷道穩(wěn)定的目的。它是一種積極防御的支護(hù)方法，是礦山支護(hù)技術(shù)的重大變革。

　　實(shí)踐證明，錨桿不但支護(hù)效果好，且用料省，其用鋼量僅為U形鋼支架的1/12～1/15。另外，施工簡單，有利于機(jī)械化操作，施工速度快。但是錨桿不能封閉圍巖，以防止圍巖風(fēng)化；不能防止各錨桿之間裂隙巖石的剝落，因此，在圍巖不穩(wěn)定情況下，往往需配合其他支護(hù)措施，如噴水泥砂漿、掛金屬網(wǎng)、噴射混凝土等通常稱為錨噴支護(hù)或錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。隨著高產(chǎn)高效礦井建設(shè)的加快、采準(zhǔn)巷道大量應(yīng)用錨桿支護(hù)技術(shù)、施工速度大大提高。

　　2 錨桿支護(hù)的作用原理

　　錨桿維護(hù)巷道的作用機(jī)理尚在探討中，目前主要有以下幾種理論。

　　1）加固拱作用

　　對于被縱橫交錯(cuò)的弱面所切割的塊狀或破裂狀圍巖，如果及時(shí)用錨桿加固，就能提高巖體結(jié)構(gòu)弱面的抗剪強(qiáng)度，在圍巖周邊一定厚度的范圍內(nèi)形成一個(gè)不僅能維持自身穩(wěn)定、而且能阻止其上部圍巖松動(dòng)和變形的加固拱，從而保持巷道的穩(wěn)定。

　　通過光彈性試驗(yàn)，證實(shí)了加固拱的形成。在彈性體上安裝具有預(yù)張力的錨桿后，在彈性體內(nèi)便形成以錨頭和緊固端為頂點(diǎn)的錐形體壓縮區(qū)。擠壓加固拱的形成關(guān)鍵在于對錨桿施加預(yù)張應(yīng)力。由于錨桿預(yù)應(yīng)力的作用，一方面在錐體壓縮區(qū)內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而增大了巖塊之間的內(nèi)聚力（粘結(jié)力），提高了巖體強(qiáng)度；另一方面使壓縮帶內(nèi)的巖石處于三向受壓狀態(tài)，使巖體強(qiáng)度得到提高。

　　2）懸吊作用

　　懸吊作用是利用錨桿將軟弱巖層或危巖吊掛于上部堅(jiān)固穩(wěn)定的巖層上，由錨桿來承擔(dān)其重量。

　　3）組合梁作用

　　將平頂巷道的層狀頂板看作是以巷道兩幫為支點(diǎn)的疊合梁，在荷載作用下，每層板的上下緣分別處在受壓、受拉狀態(tài)。但用錨桿將各層板緊固后，在荷載作用下，各層之間基本上不發(fā)生離層、錯(cuò)動(dòng)，就如同一塊板的變曲，大大提高了板系的抗彎強(qiáng)度。在層狀頂板中安設(shè)錨桿后，各巖層由迭合梁變?yōu)榻M合梁，從而提高了頂板巖層的承載能力；錨桿本身也起著抗剪銷釘?shù)淖饔�，有效地阻止了巖層的層間錯(cuò)動(dòng)。

　　4）圍巖補(bǔ)強(qiáng)作用

　　巷道圍巖深部的巖石處于三向受壓狀態(tài)�？拷�巷道周邊的巖石則處于二向受力狀態(tài)，故易于破壞而喪失穩(wěn)定性。巷道周圍安設(shè)錨桿后，相當(dāng)于巖石又恢復(fù)了三向受力狀態(tài)，從而增大了它的強(qiáng)度；另外，錨桿還可以增加巖層弱面的剪斷阻力，使圍巖不易破壞和失穩(wěn)，這就是錨桿對圍巖的補(bǔ)強(qiáng)作用。

　　5）減小跨度的作用

　　巷道頂板打了錨桿，相當(dāng)于在該處打了點(diǎn)柱，減小了頂板跨度，從而增強(qiáng)了頂板巖石的穩(wěn)定性，使巖石不易變形和破壞。

　　錨桿支護(hù)的上述作用，并非各自孤立存在，往往是同時(shí)并存、互為補(bǔ)充，只不過在不同條件下，某種支護(hù)作用占主導(dǎo)地位罷了。例如在拱形巷道中用錨桿加固圍巖，加固拱的作用是主要的；而在支護(hù)平層狀的巷道中，組合梁作用就是為主了。

　　3 錨桿的類型、結(jié)構(gòu)和適用條件

　　我國自1956年開始使用錨桿支護(hù)，有木制的、金屬的、水泥的、樹脂的，其類型結(jié)構(gòu)繁多，本文主要介紹幾種常用的錨桿類型。

　　1）金屬倒楔式錨桿

　　此種錨桿由桿體、固定楔、活動(dòng)倒楔、墊板和螺帽組成，桿體用Φ14～22mm的圓鋼制作，一端車有螺紋；另一端與固頂楔澆注在一起。固定楔、倒楔、墊板用鑄鐵制作。安裝時(shí)，將活動(dòng)倒楔的小頭朝向孔底并與固定楔綁在一起，一齊送入錨桿孔的底部，然后用一專門錘擊桿插入孔內(nèi)，打擊倒楔尾部，最后套上墊板，擰緊螺帽。

　　這種錨桿屬端頭錨固型，安裝后可立即承載，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，并可回收。錨固力達(dá)40kN左右。常用于圍巖比較破碎，需要立即承載的地下工程，八十年代我國礦山使用廣泛。

　　2）鋼筋或鋼絲繩砂漿錨桿

　�。�1）鋼筋砂漿錨桿

　　施工時(shí)，先向錨桿孔內(nèi)注滿標(biāo)號(hào)為25號(hào)以上的水泥砂漿（砂漿用325號(hào)或425號(hào)普通硅酸鹽水泥和粒徑小于3mm的中細(xì)石英砂，按水泥：砂=1：2～3，水灰比為0.38～0.42制成），然后插入Φ16～20mm螺紋鋼筋，利用砂漿與鋼筋、孔壁間的粘結(jié)力錨固巖層。

　�。�2）鋼筋或砂漿錨桿

　　它是利用直徑10～19mm的廢舊鋼絲繩代替鋼筋插入錨桿孔內(nèi)，然后注入砂漿固結(jié)而成，為保證錨固效果，設(shè)計(jì)錨桿固力30～50KN，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，成本低，廣泛用于有一定自穩(wěn)時(shí)間的巖石巷道。由于不能立即承載，在圍巖破碎處不宜使用。

　　3）樹脂錨桿

　　它是由樹脂藥包和桿體組成。安裝時(shí)，藥包用錨桿體送入孔后，轉(zhuǎn)動(dòng)桿體將藥包搗破，隨之上墊板擰緊螺帽，使化學(xué)藥劑混合進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，將錨頭與孔壁巖石粘結(jié)在一起，使用115型樹脂錨固劑，可在3～5min內(nèi)凝膠，15min后即可套上墊板緊固螺帽。使用82型錨固劑，可在15～60s內(nèi)凝膠，5min后錨固力可達(dá)40KN以上。

　　樹脂錨桿多為端頭錨固型，不宜用于軟巖，由于成本高，80年代后，有被快硬水泥錨桿、快硬膨脹 水泥錨桿取代的趨勢。

　　4）快硬水泥錨桿

　　快硬水泥錨桿的桿體結(jié)構(gòu)與樹脂錨桿相同，它是用快硬水泥卷代替了樹脂藥卷西安科技大學(xué)研制。水泥卷直徑37mm，長度為270mm、205mm時(shí)水泥裝量分別為421g、320g，使用前需浸水2～3min，在錨桿孔內(nèi)經(jīng)桿頭攪拌，12min后錨固力開始增長，1h后錨固力高達(dá)60KN左右。由于 成本低(約為樹脂錨桿的1/4)，材料來源廣，很有前途。適用于圍巖自穩(wěn)時(shí)間超過12min的各類永久性地下工程。配合先噴后錨，在軟巖中亦可應(yīng)用。

　　5）快硬膨脹水泥錨桿

　　它是用快硬膨脹水泥卷取代快硬水泥卷。錨桿前端焊有Φ14或Φ6mm鋼筋，桿前端焊有Φ38～40mm的阻擋墊圈，另一端車有螺紋。安裝時(shí)，把水泥卷的塑料袋、紗網(wǎng)內(nèi)的圓紙筒去掉，把水泥卷串入桿體放在阻擋墊圈上，并在水泥卷上套加一墊圈，將水泥卷插入水中浸泡 3～5s后送入錨孔中用沖壓管輕輕壓實(shí)后，用力沖幾下，而后套上墊板，緊固螺母。用一個(gè)水泥卷，2～5min后，錨固力可達(dá)20～40KN；用兩個(gè)水泥卷，錨固力可達(dá)60～90KN。

　　快硬膨脹水泥錨桿系中國礦業(yè)大學(xué)研制，實(shí)驗(yàn)室及井下工業(yè)試驗(yàn)效果良好。由于錨固劑來源豐富、錨速快、錨固力大、成本低，可大量推廣應(yīng)用。

　　6）管縫式錨桿

　　管縫式錨桿又稱開縫式或摩擦式錨桿，由美國詹姆斯?斯特科于1972年發(fā)明。它是采用高強(qiáng)度鋼板卷壓成帶縱縫的管狀桿體，外徑38.1mm，用鑿巖機(jī)強(qiáng)行壓入比桿徑小1.5～2.5mm的錨孔，為安裝方便，打入端略呈錐形。由于管壁彈性恢復(fù)力擠壓孔壁而產(chǎn)生錨固力，屬全長錨固型錨桿。由于錨固力大(60kN以上)，結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，安裝方便，質(zhì)量可靠，錨固力大而迅速在全國推廣。

　　4 結(jié)束語

　　正是由于錨桿支護(hù)方式具有其獨(dú)特的優(yōu)越性，礦井支護(hù)中經(jīng)常用到錨桿支護(hù)方式。本文簡要地介紹了錨桿支護(hù)的優(yōu)越性，錨桿支護(hù)的作用機(jī)理，以及金屬倒楔式錨桿、鋼筋或鋼絲繩砂漿錨桿、樹脂錨桿、快硬水泥錨桿、快硬膨脹水泥錨桿、管縫式錨桿等錨桿類型、結(jié)構(gòu)和適用條件，只要我們掌握不同錨桿支護(hù)的機(jī)理，正確的選用錨桿的類型，加上合理的設(shè)計(jì)和正確的工藝，必定能夠得到理想的支護(hù)效果。