锚杆支护技术存在的关键问题及解决方案

锚杆支护技术存在的关键问题及解决方案
锚固技术，国内习惯统称为锚杆支护技术，国外一般称锚固技术或锚杆加固技术。

自187 2年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡及1912年德国谢列兹矿最先在井下巷道采用锚固技术以来，锚固技术至今已有100多年的发展历史。

锚固技术是一种技术经济优越的技术手段，目前不仅广泛应用于世界主要产煤国家，而且也推广应用于冶金、水利水电、铁路公路、军工及建筑等工程之中，伴随着“21世纪－地下工程的世纪”的来临，可以预见，该技术必将得到更广泛深入的研究和推广应用。

尽管国内锚固技术与理论研究在近10余年取得了丰硕的研究成果，但还远不适应我国锚固技术推广与发展的需要，因此有必要在全面总结国内外锚固技术与理论发展现状的基础上，提出新的研究思路去研究和解决锚固技术推广与发展中的问题。

1国外锚固技术与理论研究的发展现状
就目前而言，国外锚固技术以澳大利亚、美国发展最为迅速，两国锚杆支护比重已接近100 ％，其锚固技术水平居于世界前列。

到20世纪80年代以后，一些曾以U型钢或工字钢支架为煤巷主要支护形式的国家（如英国、法国、德国、前苏联、波兰、日本等），也大力发展并应用了锚固技术。

1 1关于锚杆加固围岩的作用机理
美国因其巷道埋深较浅、岩层强度高且地应力比较低，因此倾向于悬吊理论和组合梁（加固岩梁）理论，而英国、澳大利亚巷道以受水平应力影响为主，尤其是澳大利亚相对英国其巷道围岩变形量及最大水平应力更剧烈，一般而言，英国、澳大利亚锚杆支护的设计理论倾向于加固拱（挤压支承拱）理论。

1 2关于锚杆加固设计方法
美国目前有两种基本设计方法：一为经验法，即是建立在以往解决岩层控制的经验基础上的设计方法。

该方法的主要缺点是强调了顶板控制问题的本身，而缺乏对引起顶板不稳定的内在原因的注意，即由于顶板条件的不同，经验法并不全都有效。

二为理论法，亦称客观法，即是建立在解决顶板支护问题的顶板和岩石力学理论基础上的设计方法。

该方法一般是通过公式或者估算确定有关参数，有代表性的是兰和比肖夫RRU准则和帕内克设计诺模图。

实践中常采用将上述两种方法相结合的设计方法。

澳、英两国在原采用理论法和经验性或试探法的基础上，认为锚杆加固设计必须保证巷道始终处于可靠的状态，而可靠的设计方法必须以对开挖引起的岩层变形、锚杆受力及加固效果的精确测量为基础。

在此基础上认为应采用以下两种手段相结合的设计方法：一进行巷道监测，确定围岩矿压显现及掘进和回采期间锚杆加固特性；二利用计算机模拟技术，模拟可能遇到的应力场范围内岩层矿压显现与锚杆加固的特性，以及评价新选择的各种锚杆加固。

澳大利亚把该设计方法的实施具体分为4个步骤：（1）地质力学评估，包括对巷道围岩（顶底板及煤层）力学性质测定、地应力（3个主应力的大小和方向）测试和现场调查；（2）初始设计（即利用计算机数值模拟方法在巷道开掘以前进行）；（3）现场监测（即利用测力锚杆及位移计等对锚杆受力及围岩位移进行适时观测）；（4）信息反馈和修改、完善设计（根据现场监测的数据与曲线与初始设计进行对比，若相同则证明初始设计正确，否则应修正初始设计，调整锚固结构和参数，完成最终设计）。

这个设计方法已被证明是成功的。

据报导，英国专门制定了技术规范明确要求必须通过实测进行锚固设计 ［2 ］ 。

1 3关于岩体锚固参数
岩体锚固参数一般包括锚固类型（全锚或端锚）、锚杆结构、材质选择及形式、锚杆长度、锚杆直径、锚杆间排距、粘结剂类型及相关参数、托盘与螺母等等。

岩体锚固参数的选择与确定是岩体锚固成败的关键，国外对此十分重视。

目前就锚杆材质而言，国外虽然
普通锚杆（δ s＜340MPa）、高强度锚杆（δ s=340～600MPa ）及超高强（度）锚杆（δ s ＞60 0 MPa）3种类型的锚杆材质均在使用，但以高强、超高强居多。

如澳大利亚近年一直未间断对高强度锚杆材质用钢进行开发研究，1983年研究了HS1045高强度锚杆用钢，当锚杆直径为22mm时，杆体破断载荷达240kN，后来进一步发展了AX超高强度钢，屈服载荷达240kN，破断载荷可达340kN ，延伸率为15%～27％。

目前正在研制一种超高强度锚杆，其破断载荷可达400kN以上，但延伸率低于15％，现正在解决这个问题。

其它国家亦是此趋势，如英国接近AX，日本为AX，美国介于HS与AX之间。

就锚固剂和锚固方式而言，国外一般使用树脂药卷和全长锚固方式；就外联接固定件如托盘、螺母及垫圈等，国外非常重视其与锚杆以及围岩表面的接触和配合关系，如螺母的配套、在螺母与托盘间使用增压垫圈等，更重要的是为避免托盘中心线与锚杆中心线不一致会产生偏心荷载，国外还专门研究开发了各种类型的托盘配套体系，如拱形球体与拱形托盘、高强度偏心托盘、蝶形托盘等。

美国对托盘制订的国家材料试验标准（AS TM）规定托盘的最低极限尺寸是152×152mm，且该面积不是托盘与顶板的接触面积而是托盘覆盖顶板的面积。

对于锚杆长度，澳、英两国一般为2 4m，美国一般为1 2～1 8m，近年澳、美等国提出了锚杆有一合理长度的概念；对于锚杆直径，国外多数选用 22mm，澳大利亚研究表明：锚杆直径与钻孔直径及树脂卷直径三者存在着最佳匹配关系。

总的来说，采用高强度、大延伸率锚杆以及对锚杆施加一定的初锚力（预应力），有利于控制围岩变形和增加围压，这在国外已成共识。

对于初锚力，澳大利亚研究证明：当初锚力达60～70kN以上时，可基本阻止巷道顶板下沉；美国的研究表明，当锚杆长度相同时，初锚力越大，其组合梁的垂曲就愈小。

总之，高强度预应力锚杆加固体系在国外已呈趋势。

2国内锚固技术与理论研究的发展现状
2 1〓锚固技术的发展阶段
我国在1955年开始使用锚杆，但只是在近些年，我国锚固技术尤其是煤炭锚杆支护技术才得到迅速发展。

回顾我国锚固技术的发展，大体可分3个阶段： （1）初期阶段。

50～60年代，以钢丝绳水泥砂浆锚杆为代表，锚杆没有托板（盘），锚杆相互间缺乏联系，在这种情况下，锚杆只起悬吊作用，被动承载而不与围岩共同作用。

当时由于盲目扩大这类锚杆的应用范围，致使部分井巷冒顶失修，实际上阻碍了锚杆支护的发展。

(2)组合锚杆支护阶段。

70～80年代，国家“七五”和“八五”科技攻关将锚杆支护定为软岩巷道支护的主攻方向之一，使锚杆支护技术有了新的发展，进入了以钢带网和锚梁网为代表的组合锚杆支护阶段。

尽管这一阶段开发了多种结构形式的锚杆如各结构形式的可拉伸锚杆等，但仍以水泥药卷钢筋锚杆为主且尾部增加了托盘（板）和螺母。

这一阶段中虽然也提出了锚杆施加预紧力问题，如我国规范规定锚杆螺母拧紧扭矩不应小于100N·m（对于 16m m 锚杆相应的预紧力不足20kN），然而规定的数值过低，施工中又缺乏保证，因而围岩和锚杆体系仍不能共同协调承担载荷，固岩和锚杆易被“各个击破”，限制了锚杆支护的进一步扩大应用。

（3）逐渐步入高强度预应力锚杆体系阶段。

近年随澳大利亚先进锚固技术与理论在我国的实地演示以及由煤科院北京开采所、建井所、上海分院和中国矿业大学与邢台矿务局联合对原煤炭部“九五”重大科技攻关项目《邢台矿务局煤巷锚杆支护成套技术研究》的攻关，在设计方法、锚杆材质、监测仪器、单体锚杆钻机、快速安装、部分复杂困难条件的煤巷锚杆支护技术等6个方面共15个研究子项目中，取得了一批代表国内水平的具先进性及实用性的成果，使我国煤巷锚杆支护技术水平上了一个新台阶，步入了一个新的发展阶段。

具体表现为:①以地应力为基础的锚杆支护设计方法已初见效果并渐渐发展成熟；
②开始采用高强度全长锚杆支护系统，如邢台局杆体材料选用20MnSi建筑用高强度螺纹钢，杆体直径采用大直径 22mm，采用全长树脂锚固并使用碟形托盘及高强度螺母，为提高锚杆预紧力创造了条件。

据试验， 22mm无纵筋左旋螺纹钢锚杆经热处理后其屈服载
荷为254kN，延伸率为20％，与澳大利亚相当，取得了显著的支护效果；③开发研制的顶板离层指示仪和测力锚杆为实施围岩动态监测设计方法提供了技术支持手段。

2 2理论研究现状
2 2 1锚杆加固围岩的作用机理研究
国内在对公认的锚杆加固围岩的三大机理基础上，对其机理的行为特征具体给出了以下解释。

(1)中国矿业大学提出巷道锚固围岩强度强化理论，其要点是:①锚杆加固围岩的实质是改变了巷道围岩的受力状况，增加了围压，从而提高了岩石的力学参数（δ、E、C、 ），改善被锚固岩体的力学性能；②巷道围岩存在着破碎区（松动区）、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域内的岩体的峰值强度或峰后强度、残余强度都能得到强化；③能较好地控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而更有利于保持巷道围岩的稳定。

(2）煤炭科学研究总院北京开采所对煤巷锚杆加固作用机理的研究表明：锚杆加固对于提高围岩自身的最大承载能力没有明显的效果，但在围岩产生塑性破坏后，对提高围岩的残余强度及承载能力有显著作用。

在巷道周围，锚杆与其锚固范围内的岩石构成一种锚固支护体，当这个锚固体中的岩石在围岩集中应力作用下发生破坏时，其承载能力降低并产生变形，同时围岩的集中应力向深部转移，使锚固体卸载。

在此过程中，锚固体通过锚杆的约束作用和抗剪作用，使塑性破坏后易于松动的岩石构成具有一定承载能力和适应自身变形卸载的锚固平衡拱。

2 2 2锚杆加固设计理论的研究
国内目前锚杆加固设计及参数选择方法基本上还停留在经验设计阶段和经验数据的基础上，即工程类比法是主要的设计方法。

近年随研究的深入，国内亦渐渐应用理论方法，有影响的主要有以下3种设计理论。

（1）巷道围岩松动圈支护理论 ［11］ 。

中国矿业大学董方庭教授等提出了松动圈支护理论。

该理论认为：围岩松动圈是开巷后地应力超过围岩强度的结果，在现有支护条件下，试图采用支护手段阻止围岩的松动破动是不可能的。

松动圈越大，收敛变形越大，支护就愈困难。

因此松动圈理论认为，支护的作用是限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的有害变形。

该理论的优点是简单、直观，对中小松动圈有极重要价值，但对大松动圈尤其是高应力软岩以及采准巷道，实践表明，该理论有一定的局限性。

（2）全长锚固中性点理论。

东北大学王明恕等提出了全长锚固中性点理论。

该理论认为在靠近岩石壁面部分（锚杆尾部），锚杆阻止围岩向壁面变形，剪力指向壁面。

在围岩深处（锚杆头部），围岩阻止锚杆向壁面方向移动，剪力背向壁面，锚杆上剪力指向相背的分界点，称为中性点，该点处剪应力为零，轴向拉应力为最大，由中性点向锚杆两端剪应力逐渐增大，轴向拉应力逐渐减少。

该理论近年在国内理论分析中其“中性点”观点，被普遍接受，但其理论形式及应用尚存在着争议，因为它难以解释锚杆尾部的断裂机理，有人认为该理论假设是未计托盘影响的结果。

（3）地应力为基础的锚杆支护设计理论研究。

1998年，中国矿业大学、煤科总院北京开采所与邢台矿务局联合研究，在国内首次提出了“地应力为基础的煤巷锚杆支护设计方法研究”，该支护设计理论应用“地质力学评估－初始设计－现场监测－反馈信息－修改设计”这种以地应力为基础、充分考虑水平地应力作用的动态煤巷锚杆支护设计方法，编制了集地质力学参数处理、利用现场监测反馈的信息对初始设计进行修改于一体的煤巷锚杆支护计算机辅助设计软件。

这种方法已应用于邢台、新汶、开滦局等多个矿井的锚杆支护设计中，取得了显著效果。

2 2 3岩体锚固参数的研究
国内对岩体锚固参数的研究偏重于锚杆长度和锚杆直径，研究表明：锚杆长度和锚杆直径都存在着极限值，并不是通常认为的愈长愈好和愈粗愈好。

具有代表性的研究结果有以下几个方面。

（1）最早提出“中性点”理论的东北大学王明恕等人认为：对全长锚固锚杆的长度由锚杆尾部剪应力不超过粘结剂的极限粘结强度决定，岩石愈松软，巷道断面愈大，
锚杆的极限长度愈小。

认为对锚杆直径为 20mm～ 25mm时，锚杆长度难以超过2.5m 。

而对锚杆直径，认为锚杆的极限直径是根据杆体的最大轴向力和最大剪应力同时达到极限值来决定。

（2）中国矿业大学（北京校区）袁文伯等人基于弹塑性理论分析认为 ：锚杆的极限长度宜大于塑性区厚度且不宜过多地超出塑性区范围，其理论依据是，在塑性区锚杆产生的拉应力远远大于弹性区，锚杆过长带来作用效率降低且不经济；对锚杆直径，认为其仅与最大剪应力有关，由于粘结层强度的限制，故锚杆存在着极限直径。

（3）空军工程学院郑颖人等利用计算机通过对近万个数据的分析，对锚喷巷道锚杆长度与锚杆直径与喷层厚度（反映围岩压力大小），锚杆提供的附加支护抗力（反映锚杆受力状态），以及围岩稳定的安全系数K 2（＝P i/P 静，P i喷层支护抗力，P 静对应最小破裂松动区荷载）和锚杆安全系数K 1（＝δ p/δ,δ p锚杆材质的抗拉强度，δ为锚杆应力）之间的关系进行了研究。

结果表明，锚杆长度和锚杆直径都存在着一合理值。

（4）中国矿业大学（北京校区）马念杰等人对锚杆直径、钻孔直径与锚固药卷直径的参数匹配对支护效果、成本和效率等因素进行了深入而详细的研究。

研究结果表明：“三径”存在着最佳匹配关系，合理的三径匹配可提高锚杆锚固力，改善锚杆对围岩的支护效果，有效地控制了围岩变形和降低了支护费用。

3存在的问题及研究方向
3 1关于岩体锚固系统研究
岩体锚固系统与通常意义上的锚杆支护是两个不同的概念，锚杆支护重在研究锚杆的本身行为，它难以解释为什么同一锚杆对不同岩性、不同锚固方式、不同粘接剂以及不同的托盘系统而锚固效果却差距很大。

事实上不论对端锚或全锚，其都可被视作系统，它们是岩体锚固系统的两大基本分类。

全锚或端锚系统都可视为由围岩体（锚固长度范围内）、锚杆、内部固定物如粘结剂以及外部固定物如托盘、螺母等四大要素构成。

这四个要素之间互相作用，共同完成加固围岩的功能并与周围如外部或深部围岩体环境进行力传递作用，这四个要素构成岩体锚固系统的结构，随系统结构的不同匹配组合，系统相应产生不同的功能如串联或并联功能。

系统的功能体现是四个要素之间相互作用匹配耦合的结果，任何一个要素的功能体现都是在规定其它要素功能的基础之上，它不可能超越系统的功能。

由岩体锚固系统很容易解释单一锚杆支护系统所不能解释的一些问题。

就目前，从总体上看来，锚固技术的研究仍滞留在以锚杆为主体的研究水平上，尚没有上升到把锚固技术看作一个系统来作整体研究。

虽然国内外目前都没有对岩体锚固系统作系统深入地研究，但相比之下，国外如文献已提及锚固系统这个技术术语及要素构成，但遗憾的是没有给出具体的概念及进一步研究；国内如文献仅从内涵上隐约体现了系统的思想，远落后于国外。

建立岩体锚固系统的概念是重要的，因为它可以克服过去单一重视锚杆本身行为的弊端，从而可以充分发挥系统各要素的功能，以使系统达到最佳工作状态；另一方面对岩体锚固系统进行研究，必将对锚固机理的阐明、锚固力学特性研究以及锚固工程参数设计与实践都有着重要的意义。

3 2关于岩体锚固的作用机理研究
就目前来看，国内外岩体锚固的作用机理研究仍是对三大作用机理的具体解释和说明，实质上是对其的进一步补充和完善。

因此现有机理的研究很难从本质上清楚解释为什么锚杆有别于其它支护形式而能有效地控制围岩大变形且用料极省。

若从单一锚杆的研究角度出发，无非是用前述的锚杆加固围岩强化观点及加固承载观点等，这仍是一种宏观讨论，远不能有效解释。

但若从岩体锚固系统出发，因系统的作用对象是围岩体本身，所以就可归结到系统要素之一围岩体本身的变形机制来分析讨论，因岩体锚固系统具有强度和柔性双重属性，所以岩体锚固系统区别于其它支护形式的核心在于它不仅能从内部有效地控制围岩变形的核心部分——结构变形（结构变形在围岩变形中占较大比重），而且能适应随围岩开挖持续的岩石材料变形（仅占很小比重）。

因此从岩体锚固系统出发，以岩体结构为研究中
心，是岩体锚固作用机理的研究方向。

3 3关于锚杆加固围岩的承载结构研究
锚杆加固围岩能形成承载结构已被国内外认可，目前存在两个基本观点，一种观点认为是承载梁结构；另一种观点认为是承载拱结构。

这实质上是基于以锚杆为主体的研究思想。

事实上，从岩体锚固系统出发，梁、拱结构并不是弧立存在而是互相统一的，若把岩体锚固系统看作一个结构体系，这二者仅是锚杆加固围岩形成的次生结构的不同表现形式。

次生结构形式的变化及稳定与否，取决于系统结构体系。

如次生结构有可能在锚固的最初阶段表现为梁结构（矩形巷道）或拱结构（曲线巷道），若系统结构体系保持不变或变化不大，则次生结构状态保持不变，若是变化亦仅作位置的相应调整；但若结构体系变化较大，次生结构随之作动态调整，若调节匹配耦合，最终梁、拱结构都将演变成动态拱结构状态，否则次生结构将失稳，随之结构体系也处于失稳状态。

因此上升到岩体锚固系统角度来研究承载结构体系，并利用顶板动态观测仪器监测其变化范围，是研究巷道稳定性的关键所在。

3 4关于锚杆加固设计理论的研究
对高应力软岩下的采动影响巷道，就目前以地质力学参数为基础的围岩动态观测锚杆加固设计方法无疑是有效方法及发展方向。

实质上该方法是汲取了经验法或工程类比法与理论法之长，借助现代观测仪器及计算机模拟技术的一种动态设计方法。

因此有效的初始设计是应用该方法的前提。

也就是说初始设计参数的选取和确定仍需要使用经验法或理论法。

从另一个方面来讲，限于经济因素，国内的每一条巷道也都不可能做到凡巷必测，因此寻求研究一种工程实用的估算初始设计参数的方法是应用该设计理论的有益补充。

3 5关于锚杆尾部断裂问题
锚杆是岩体锚固系统的关键结构组成部分，由于常规锚杆在锚杆体与锚尾螺纹直径相同的情况下，其锚尾螺纹有效截面积小于锚杆体，因此锚杆在使用时的拉应力作用下，无疑会首先在锚尾螺纹部位发生塑性变形直至破断。

锚杆尾部破断对端锚意味着锚固系统功能失效；对全锚则意味着功能急剧降低，因此解决锚尾断裂问题不仅是锚固系统研究的核心技术问题，而且也是锚固技术推广与发展的关键问题。

为解决这个问题国内（国外未见相关报导）相继采取了改锚尾螺纹加工由车丝改滚丝工艺和锚尾热处理措施。

采取滚丝工艺后，锚尾强度有所提高，但仍较杆体放低。

目前这种工艺已被推广，但它只能是一种配套措施。

一般情况下采用锚尾热处理方法。

但实践表明，在围岩压力大时，利用这种方法处理的锚杆仍在尾部发生断裂，而此时锚杆的力学性能并未得到充分利用，显然不仅造成钢材浪费，更重要的是降低锚固效果。

因此要想充分发挥岩体锚固系统的功能，必须对锚尾的破断机制进行深入研究，以便寻求出一种防锚尾破断的新型锚杆。