锚固技术及其理论研究现状和方向

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<