广西壮族自治区百色电力有限责任公司 广西百色 533000
摘要：通过分析锚杆受力情况及围岩松动圈对锚杆受力的影响，结合国内锚杆受力分析试验和广西合山煤业有限责任公司三矿（石村二号井）的实际情况，提出了锚杆支护设计应综合考虑锚杆的悬吊能力和抗剪能力，并选择适宜的锚杆安装倾角，可增加锚杆的支护能力。
关键词：锚杆杆体；断杆；受力分析；拉应力；剪切力；地应力；松动圈；安装倾角
1 锚杆支护技术在中国的发展状况
锚杆支护技术是采煤工艺机械化的要求。20世纪50年代末，我国开始逐步推广使用锚杆支护技术，80年代末期引进澳大利亚技术后，锚杆支护技术在我国部分地区推广使用得到了进一步的加强。但由于我国煤矿地质条件复杂，所以总体使用比重较低，各地区发展不均衡。但由于本世纪初我国煤矿顶板事故多发，死亡人数比重大，国家强制推行锚杆支护等新支护工艺在采煤工艺中的使用，先后出台了《国家安全监管总局 国建煤矿安监局关于在小煤矿推行专用回风巷、壁式采煤方法和支护方式改革的通知》（安监总煤行[2007]216号）和《国家安全监管总局 国家煤矿安监局关于发布<禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录（第二批）>的通知》（安监总煤装[2008]49号），其中明确了采煤工作面2008年底起禁止使用木支护，2009年底之前淘汰金属摩擦支护支护，2015年国家安全监管总局再度强调，要求加快淘汰煤矿木支护，强化顶板管理，无法做到的煤矿要坚决关闭。因此，以锚杆支护为主的新支护工艺已成为煤矿的主要支护方式。
2 锚杆支护设计中锚杆选择存在的问题
在端锚式锚杆支护的实际应用中，通常只是考虑围岩的性质和锚杆轴向所承受的拉力（即悬吊能力）。就锚杆本身而言，通常只是考虑了锚杆的轴应力而未考虑锚杆杆体的抗剪能力。在此情况下，锚杆支护在实际应用中将可能被剪断，造成支护失效或者局部冒顶，甚至影响周边锚杆所承受的应力平衡，造成局部冒顶或者大面积冒顶事故。因此，在端锚式锚杆支护的实际应用中，应综合考虑各种因素，选择适宜的锚杆杆体和支护参数，是保证支护安全和防止发生冒顶事故的基本要求。
3 锚杆杆体在支护过程中的受力分析
锚杆杆体在支护过程中主要受到轴向的拉力（即悬吊理论中的受力）和锚固岩层离层产生位移时对锚杆杆体的剪切力。通常情况下，锚杆杆体只是受来自锚固岩体产生的拉应力，但在以下情况下，锚杆杆体除了受拉应力外还将受到锚固岩体的剪切力：一是竖直岩体中的水平或倾斜安装锚杆；二是倾斜岩体中非顺层安装锚杆（下同）。以下就这两种情况，结合国内外一些研究实验和本人2017年前在广西合山煤业有限责任公司三矿（石村二号井）工作的实际情况，对端锚式锚杆的受力情况进行简要分析。
3.1 水平岩层中锚杆杆体受力分析
在水平岩层中，进行锚杆支护时，一般都是垂直岩层锚固锚杆。这类锚杆杆体除了锚固初期的预紧力；当锚固岩体有下沉变形趋势后，锚杆受到的预紧力逐步转变为下沉岩体自重产生的拉应力。如岩体完整性较好且为中等及以上稳定岩石，当拉应力增大至甚至超过锚杆杆体所能承受的破断力时，岩体处于弹性状态，锚杆杆体将破断，支护失效。在锚杆支护设计中，锚杆杆体及支护参数均通过悬吊理论具体计算分析后选择，满足受力要求，一般情况下不会发生杆体破断现象。如岩体完整性破碎或者为较不稳定以下的岩石，当拉应力增大至甚至超过岩体的抗剪强度，岩体将被破坏，可能发生局部冒顶，此时锚杆杆体虽然完好，但支护失效，应根据实际情况采取加钢网和加压条的方式加强支护。
3.2 倾斜岩层中锚杆杆体受力分析
在倾斜岩层中，进行锚杆支护时，要使锚杆支护效果达到悬吊理论值的最佳效果，通常垂直顶板岩层倾向进行锚固锚杆。此类锚杆杆体除了锚固初期的预紧力；当锚固岩体受自重和矿山压力影响产生位移后，锚杆受到的预紧力将逐步转换为位移岩体自重产生的拉应力和剪应力，如图1。根据受力关系分析，锚杆杆体受到的拉应力、剪应力F与位移岩体自重G、岩层倾角存在如下关系：
和地应力联合产生的剪切力，极易发生断杆，支护失效。
图1 倾斜岩层中锚杆杆体受力示意图 图2 锚杆安装倾角与抗剪力关系图
当围岩稳定，松动圈值小于40cm时，锚杆支护设计满足悬吊理论的情况下不会发生断杆现象；当松动圈值大于150cm时，由于岩石的抗剪能力差，也不会发生锚杆被剪断现象；只有在松动圈值在40～150cm之间时，岩石的抗剪能力足够，且受力足够，才会发生锚杆被剪断现象。此外，只受锚固体自重影响的锚杆断杆现象比较少；受地应力影响后，发生锚杆断杆现象比较频繁。在广西合山煤业有限责任公司三矿（石村二号井），煤层顶底板为石灰岩、燧石灰岩，岩石普氏系数在5以上。-260m石门距离地面400m，岩层倾角8～10°，局部发生锚杆断杆现象；随着开采深度增加，至-350m水平时，巷道距离地面490m，锚杆断杆现象频繁发生。
4 锚杆安装倾角
根据国内锚杆受力方面的试验，锚杆的安装倾角与抗剪力存在一定的比值关系，法向应力越高则锚杆倾角的影响越小，但不论法向应力为何值，在试验条件下，当锚杆安装角度为60°左右时抗剪性能增强效果最大，如图2。因此可以认为，从抗剪强度考虑时，锚杆比较适宜的安装角在45°～75°范围内。而从悬吊理论出发，则锚杆的安装倾角应垂直岩层倾向为最佳。综合悬吊理论和锚杆抗剪性能，倾斜岩层中锚杆的最佳安装角度为70°～80°。
5 结论
根据上述锚杆受力分析可知，锚杆支护设计时，除了要按悬吊理论计算验证之外，还应根据锚杆受剪切力情况选择适宜抗剪强度的锚杆。此外，矿山地应力是锚杆超载荷发生断杆现象的重要因素。另外，应选择适宜的锚杆安装角度，增强锚杆的抗剪能力，减少因断杆引发的顶板事故。
参考文献：
[1]杨松林，徐卫亚，黄启平·节理剪切过程中锚杆的变形分析·岩体力学与工程学报[J]，2004，23（19）：3268～3273
[2]何满潮，袁和生，靖洪文，王方荣，景海河等·中国煤矿锚杆支护理论与实践[M]·北京：科学出版社，2004
[3]毕远志，朱赞成·利用松动圈原理确定锚杆支护的方法·江南大学学报（自然科学版），2006，5（2）
论文作者:朱启明
论文发表刊物:《科技研究》2018年6期
论文发表时间:2018/7/18
标签：锚杆论文; 应力论文; 岩层论文; 锚固论文; 受力论文; 倾角论文; 煤矿论文; 《科技研究》2018年6期论文;