浅论锚杆支护的作用机理和适用条件

【关键词】锚杆；支护

　　1 引言

　　锚喷支护跟棚子和石材支架支护等相比较，具有明显的优越性。棚子和石材支架是在巷道围岩的外部对岩石进行支撑，它只是被动地承受围岩产生的压力和防止破碎的岩石冒落。而锚杆支护则是通过锚入围岩内部的锚杆，改变围岩本身的力学状态，在巷道周围形成一个整体而又稳定的岩石带，利用锚杆与围岩共同作用，达到维护巷道稳定的目的。它是一种积极防御的支护方法，是矿山支护技术的重大变革。

　　实践证明，锚杆不但支护效果好，且用料省，其用钢量仅为U形钢支架的1/12～1/15。另外，施工简单，有利于机械化操作，施工速度快。但是锚杆不能封闭围岩，以防止围岩风化；不能防止各锚杆之间裂隙岩石的剥落，因此，在围岩不稳定情况下，往往需配合其他支护措施，如喷水泥砂浆、挂金属网、喷射混凝土等通常称为锚喷支护或锚喷网联合支护。随着高产高效矿井建设的加快、采准巷道大量应用锚杆支护技术、施工速度大大提高。

　　2 锚杆支护的作用原理

　　锚杆维护巷道的作用机理尚在探讨中，目前主要有以下几种理论。

　　1）加固拱作用

　　对于被纵横交错的弱面所切割的块状或破裂状围岩，如果及时用锚杆加固，就能提高岩体结构弱面的抗剪强度，在围岩周边一定厚度的范围内形成一个不仅能维持自身稳定、而且能阻止其上部围岩松动和变形的加固拱，从而保持巷道的稳定。

　　通过光弹性试验，证实了加固拱的形成。在弹性体上安装具有预张力的锚杆后，在弹性体内便形成以锚头和紧固端为顶点的锥形体压缩区。挤压加固拱的形成关键在于对锚杆施加预张应力。由于锚杆预应力的作用，一方面在锥体压缩区内产生压应力，从而增大了岩块之间的内聚力（粘结力），提高了岩体强度；另一方面使压缩带内的岩石处于三向受压状态，使岩体强度得到提高。

　　2）悬吊作用

　　悬吊作用是利用锚杆将软弱岩层或危岩吊挂于上部坚固稳定的岩层上，由锚杆来承担其重量。

　　3）组合梁作用

　　将平顶巷道的层状顶板看作是以巷道两帮为支点的叠合梁，在荷载作用下，每层板的上下缘分别处在受压、受拉状态。但用锚杆将各层板紧固后，在荷载作用下，各层之间基本上不发生离层、错动，就如同一块板的变曲，大大提高了板系的抗弯强度。在层状顶板中安设锚杆后，各岩层由迭合梁变为组合梁，从而提高了顶板岩层的承载能力；锚杆本身也起着抗剪销钉的作用，有效地阻止了岩层的层间错动。

　　4）围岩补强作用

　　巷道围岩深部的岩石处于三向受压状态。靠近巷道周边的岩石则处于二向受力状态，故易于破坏而丧失稳定性。巷道周围安设锚杆后，相当于岩石又恢复了三向受力状态，从而增大了它的强度；另外，锚杆还可以增加岩层弱面的剪断阻力，使围岩不易破坏和失稳，这就是锚杆对围岩的补强作用。

　　5）减小跨度的作用

　　巷道顶板打了锚杆，相当于在该处打了点柱，减小了顶板跨度，从而增强了顶板岩石的稳定性，使岩石不易变形和破坏。

　　锚杆支护的上述作用，并非各自孤立存在，往往是同时并存、互为补充，只不过在不同条件下，某种支护作用占主导地位罢了。例如在拱形巷道中用锚杆加固围岩，加固拱的作用是主要的；而在支护平层状的巷道中，组合梁作用就是为主了。

　　3 锚杆的类型、结构和适用条件

　　我国自1956年开始使用锚杆支护，有木制的、金属的、水泥的、树脂的，其类型结构繁多，本文主要介绍几种常用的锚杆类型。

　　1）金属倒楔式锚杆

　　此种锚杆由杆体、固定楔、活动倒楔、垫板和螺帽组成，杆体用Φ14～22mm的圆钢制作，一端车有螺纹；另一端与固顶楔浇注在一起。固定楔、倒楔、垫板用铸铁制作。安装时，将活动倒楔的小头朝向孔底并与固定楔绑在一起，一齐送入锚杆孔的底部，然后用一专门锤击杆插入孔内，打击倒楔尾部，最后套上垫板，拧紧螺帽。

　　这种锚杆属端头锚固型，安装后可立即承载，结构简单，易于加工，并可回收。锚固力达40kN左右。常用于围岩比较破碎，需要立即承载的地下工程，八十年代我国矿山使用广泛。

　　2）钢筋或钢丝绳砂浆锚杆

　　（1）钢筋砂浆锚杆

　　施工时，先向锚杆孔内注满标号为25号以上的水泥砂浆（砂浆用325号或425号普通硅酸盐水泥和粒径小于3mm的中细石英砂，按水泥：砂=1：2～3，水灰比为0.38～0.42制成），然后插入Φ16～20mm螺纹钢筋，利用砂浆与钢筋、孔壁间的粘结力锚固岩层。

　　（2）钢筋或砂浆锚杆

　　它是利用直径10～19mm的废旧钢丝绳代替钢筋插入锚杆孔内，然后注入砂浆固结而成，为保证锚固效果，设计锚杆固力30～50KN，结构简单，加工方便，成本低，广泛用于有一定自稳时间的岩石巷道。由于不能立即承载，在围岩破碎处不宜使用。

　　3）树脂锚杆

　　它是由树脂药包和杆体组成。安装时，药包用锚杆体送入孔后，转动杆体将药包捣破，随之上垫板拧紧螺帽，使化学药剂混合进行化学反应，将锚头与孔壁岩石粘结在一起，使用115型树脂锚固剂，可在3～5min内凝胶，15min后即可套上垫板紧固螺帽。使用82型锚固剂，可在15～60s内凝胶，5min后锚固力可达40KN以上。

　　树脂锚杆多为端头锚固型，不宜用于软岩，由于成本高，80年代后，有被快硬水泥锚杆、快硬膨胀 水泥锚杆取代的趋势。

　　4）快硬水泥锚杆

　　快硬水泥锚杆的杆体结构与树脂锚杆相同，它是用快硬水泥卷代替了树脂药卷西安科技大学研制。水泥卷直径37mm，长度为270mm、205mm时水泥装量分别为421g、320g，使用前需浸水2～3min，在锚杆孔内经杆头搅拌，12min后锚固力开始增长，1h后锚固力高达60KN左右。由于 成本低(约为树脂锚杆的1/4)，材料来源广，很有前途。适用于围岩自稳时间超过12min的各类永久性地下工程。配合先喷后锚，在软岩中亦可应用。

　　5）快硬膨胀水泥锚杆

　　它是用快硬膨胀水泥卷取代快硬水泥卷。锚杆前端焊有Φ14或Φ6mm钢筋，杆前端焊有Φ38～40mm的阻挡垫圈，另一端车有螺纹。安装时，把水泥卷的塑料袋、纱网内的圆纸筒去掉，把水泥卷串入杆体放在阻挡垫圈上，并在水泥卷上套加一垫圈，将水泥卷插入水中浸泡 3～5s后送入锚孔中用冲压管轻轻压实后，用力冲几下，而后套上垫板，紧固螺母。用一个水泥卷，2～5min后，锚固力可达20～40KN；用两个水泥卷，锚固力可达60～90KN。

　　快硬膨胀水泥锚杆系中国矿业大学研制，实验室及井下工业试验效果良好。由于锚固剂来源丰富、锚速快、锚固力大、成本低，可大量推广应用。

　　6）管缝式锚杆

　　管缝式锚杆又称开缝式或摩擦式锚杆，由美国詹姆斯?斯特科于1972年发明。它是采用高强度钢板卷压成带纵缝的管状杆体，外径38.1mm，用凿岩机强行压入比杆径小1.5～2.5mm的锚孔，为安装方便，打入端略呈锥形。由于管壁弹性恢复力挤压孔壁而产生锚固力，属全长锚固型锚杆。由于锚固力大(60kN以上)，结构简单，制作容易，安装方便，质量可靠，锚固力大而迅速在全国推广。

　　4 结束语

　　正是由于锚杆支护方式具有其独特的优越性，矿井支护中经常用到锚杆支护方式。本文简要地介绍了锚杆支护的优越性，锚杆支护的作用机理，以及金属倒楔式锚杆、钢筋或钢丝绳砂浆锚杆、树脂锚杆、快硬水泥锚杆、快硬膨胀水泥锚杆、管缝式锚杆等锚杆类型、结构和适用条件，只要我们掌握不同锚杆支护的机理，正确的选用锚杆的类型，加上合理的设计和正确的工艺，必定能够得到理想的支护效果。