预应力在锚杆支护中的作用
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摘要：阐述了刚度以及预应力对锚杆支护系统不可缺少的重要作用，应用有限差分软件分析了在不同预应力的条件下锚杆和锚索的应力场分布特征。该系统在矿井下的试验结果表明，其可以显著地提高锚杆预应力的力度，有效地减小巷道围岩变形的幅度，控制住顶板离层，其中，钢带在此支护系统中起到了显著的作用，当达到锚杆预应力临界值后，支护系统就能够控制住围岩的变形。
关键词：预应力；锚杆支护；作用
中图分类号：TU757文献标识码： A
引言
对于锚杆支护结构的稳定性分析与计算，在考虑预应力对稳定性的影响时，尚无有效的方法，当采用圆弧滑移面计算支护结构的稳定性时，多是将锚杆当作土钉处理。但是锚杆的自由段与土体是无粘结的，作用基理不同，并不能等效成土钉；且忽略了自由段预应力的作用。锚杆的主要作用是将预应力传递到土体中，改变了土体应力状态，一般说来，这种改变是积极的，能有效提高边坡的稳定性。
一、锚杆支护的重要作用
1、加固拱（挤压组合拱）作用
一根锚杆能形成一个锥形压缩体，多根锚杆根据一定间距排列，能通过一个个锥形压缩体互相咬合形成一定厚度的拱墙体。锚杆能将松散的石子变为一体。锚杆对围岩能起到加固作用，而这个作用是传统的巷道支护方式（支撑式）所不能比拟的。
2、悬吊作用
即把要冒落的软弱岩层或围岩悬吊于深部坚固稳定的岩体上，由锚杆来承担这些岩体的重量。若顶板中无坚硬稳定岩层或软弱岩层较厚不能把锚杆锚固到上面坚硬稳定岩层中，悬吊作用就会失效。
3、组合梁作用
在层状岩层中通过锚杆作用把一层层岩石组成一个整体，提高其承载能力，这个整体即组合梁。在顶板岩层中存在若干薄的分层时，通过锚杆的作用，能把这些岩层锚固成一个较厚的岩层，由叠合梁转变成组合梁，以提高岩梁的自承能力。组合梁越厚，梁的最大应力和梁的挠度就越小，承载能力就越大。在锚杆支护的基础上，为避免岩石松动和风化，应再喷射一层50mm-200mm厚的砂浆或混凝土，即构成锚喷支护。
二、锚杆预应力产生的应力场分布
1、锚杆预应力的作用。当锚杆预应力达到20kn时，锚杆尾部产生了应力集中现象，最大值为0.07Mpa。在锚杆长度的1/5处，压应力变小，为0.02Mpa。在锚杆长度一半时，应力值大于0.01Mpa，在尾部压力就很小了。由于锚杆预紧力降低，锚杆支护应力相应变小，有效压应力范围减小，彼此之间独立分布，没有有机结合在一起。预紧力为100kn时，锚杆尾部的最大应力为0.35Mpa，在锚杆长度的1/5处，压应力变小，为0.12Mpa。在锚杆长度一半时，应力值大于0.04Mpa，压力范围明显扩大，锚杆之间形成了一个有机的整体。
2、钢带的作用
（1）没有钢带时，锚杆形成压力彼此之间是互相独立的，处于不连接状态，预应力作用范围有限，锚杆不能够起到防止围岩分裂的作用；（2）存在钢带时，压力沿着钢带的方向得以延伸，在顶板那里，压力的分布区间彼此相连，起到了预防围岩分裂的作用；（3）钢带达到了锚杆预应力的有效扩散的目的，极大地提高锚杆防止围岩的分裂作用，支护系统的整体支护效果得到了明显的改善。
3、锚索预应力产生的应力场
（1）给予预紧力后，锚索尾部产生了压应力的集中现象，锚固下部也出现了类似现象，上部没有产生同样的现象；（2）当给予锚索预紧力不大的情况下时，同样尾部出现的压应力值也不大，甚至中部的力更小；（3）当锚索预紧力达到200kn时，其尾部的应力较大，为0.5Mpa，虽然在尾部压力逐渐降低，但也达到了0.04Mpa，锚索之间互相联系，形成一个有效的压力网络，加强了对围岩的保护作用。
4）锚杆与锚索联合支护的应力场
（1）锚杆与锚索的联合支护作用，极大地提高了锚固区的压应力值，压力达到0.03Mpa，有效压应力区彼此连接，成为一个大范围的主动支护区；（2）锚索预紧力达到200kn的情况下，锚杆端部的拉应力消失，而是形成具有一定压应力值的压缩区；（3）在锚杆与锚索之间，有效压应力区形成以锚索为骨架、锚杆为连续带的骨架网状结构，对围岩的支护作用很大。
三、预应力锚杆支护系统在井下的应用
新的锚杆支护系统得到有效开发以后，其在新汶和晋城等矿区得到了成功应用，改变了巷道支护的现状。
1、预应力提高了锚杆支护系统控制围岩变形的能力。锚杆的预应力大小得到了显著提高，预应力的改变有效地提高了锚杆支护系统控制围岩变形的能力，还控制住了顶板的离层趋势。新汶煤矿埋深约1000m，水平主应力均达约38Mpa，起初巷道采用低强度、低预紧力的锚杆支护系统，两帮位移量为770mm，顶板离层为80mm，一部分锚索和锚杆出现了被拉断现象，钢带也被撕裂，顶板也遭到了破坏；但在采用高预紧力支护系统后，两帮位移量减少至170mm，顶板离层更是极大地减少至4mm，分别减少了78%和95%。巷道的围岩变形量小，围岩稳定。
2）钢带的支护作用显著。在进行井下试验的过程中，由于钢筋托梁存在强度低且支护表面积也不大等缺陷，与围岩表面接触时预应力的扩散及支护效果也差。而在前面提到的钢带具有很好的支护作用，但支护效果与钢带的尺寸大小是有关系的。在新汶矿区的实验结果表明，对于那些长度达到千米级的巷道，在采用相同的锚杆支护系统参数的情况下，3mm厚的钢带效果就会很差，易出现撕裂等破坏现象；但在采用5mm厚的钢带情况下，支护效果就好，围岩完好无损，钢带也没有出现撕裂等现象。
四、锚杆安装的注意事项
1、气动式顶板锚杆钻机安全操作
（1）打眼前的准备
1）检查风水管路是否完好、畅通，接头是否牢固，并进行钻机试运转试验。2）检查钻杆有无弯曲，中心水孔是否堵塞，如钻杆弯曲或中心水孔不通要立即更换。3）检查钻头刃角是否锋利，合金钢是否缺损或脱落，钻头水孔有无堵塞，不合格的立即更换。4）检查打眼现场的安全情况，若出现隐患应进行处理。5）在打眼前，对顶板要进行详细检查，敲帮问顶，将活矸找掉。
（2）操作方法
1）要对钻机进行检查，在试运转正常后，把钻机在打眼现场竖起，按施工技术要求和定出的眼位进行打眼。2）打眼时一人抓住钻机的控制手把，一人抓住钻机的扶手，安上带钻头的0.8m-1.0m长的钻杆。操作人员先轻轻旋转左右控制开关，把钻杆升起，钻头顶住顶板后再钻进。打眼时除操作人员外，其余人员必须撤离打眼位置至安全地点。要先开水后开风，打完眼后先关风后关水。3）打眼推进时，要密切注意钻机的声音，如果声音异常，要停止打眼，查明原因，处理好后再打。4）钻进0.6m-0.9m后，停止推进使钻旋转，退出短钻杆，更换成长钻杆，继续钻进直至要求深度。5）眼打够深后，停止推进使钻旋转，退出钻杆，进行锚杆安装。钻机底部要在实底或用道木、柱帽垫实。6）打眼人员要扶稳钻机，注意钻机偏倒伤人。7）在换钻杆过程中要注意保持钻机不要挪动，防止换上第二根钻杆时，不能沿第一根短钻杆原有的轴线进行钻进。钻孔不能保持直线，会给锚杆安装带来困难。
2、树脂锚杆安装
帮锚杆在安装前要保障锚杆孔内无积水和岩粉（煤粉），并把孔口周围的岩（煤）层面找平。安装前要用压风吹净锚杆孔内的积水和岩粉（煤粉），防止影响药卷和孔壁的黏结，并把孔口周围的岩（煤）层面找平。确保托盘上好后能紧贴岩（煤）层面。安装时，先把树脂药卷送入孔内，再把锚杆插入孔中，把药卷推送到孔底，再在锚杆尾部拧上锚杆安装器，插入煤电钻（或锚杆钻机），送电（或送风）转动锚杆将药卷刺破搅拌，同时把锚杆匀速推至孔底，搅拌药卷20-30s，不能中断，随后上托盘，拧上螺母。约15min后扭紧螺母。安装过程中必须注意的问题：（1）检查锚固剂饱满度，以横担手上、直立不弯曲为宜。（2）安装锚固剂时必须防止锚固剂之间和锚固剂与锚索或锚杆之间重叠，锚固剂和锚杆一定要从孔底开始黏结，避免中间黏结。（3）安装时开始慢速旋转，等到剩余快速锚固剂的长度时快速旋转，到位，直到转不动为止。（4）锚杆外露尺寸露出托板小于50mm（锚索外露尺寸从外端到锚具要在200mm以下）。（5）打锚杆眼的角度要满足设计要求。打锚杆眼的顺序要从中间开始，向两边展开。
结束语
锚杆预应力对提高锚杆支护系统的支护效果作用显著。当锚杆预应力较低时，锚杆支护作用的应力值较小，导致有效压应力区的范围也较小，且彼此间孤立分布，互不组成整体；反之，当预应力较高时，锚杆支护作用的应力值较大，导致有效压应力区的范围也较大，彼此间连为一个整体，发挥了锚杆的支护作用。
参考文献
[1]韩爱民，李建国，肖军华.预应力锚杆框架梁的支护力学行为研究[J].岩土力学，2010年.
[2]王军，曹平，曾国柱，等.基于流变效应锚杆柔性支护在基坑中的应用[J].理工大学学报(自然科学版)，2009年.