【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 域內(nèi)，圍巖基本處于彈塑性變形階段，圍巖基本保持穩(wěn)定，彈塑性變形區(qū)沒(méi)有超過(guò)錨桿的支護(hù)范圍，錨桿系統(tǒng)仍然起到支護(hù)作用。在此區(qū)域內(nèi)，支護(hù)強(qiáng)度的微變將引起變形的劇烈增加。C區(qū)（圍巖破壞區(qū)）:此時(shí)圍巖破壞，支護(hù)系統(tǒng)承受破碎巖石的靜載荷。隨著破壞區(qū)域的增加，載荷增加。對(duì)于錨桿支護(hù)，如果錨桿系統(tǒng)的支護(hù)范圍小于破壞范圍，則錨桿系統(tǒng)受力將變?yōu)?，徹底失去其支護(hù)作用，錨桿支護(hù)系統(tǒng)與圍巖同步移動(dòng)。A區(qū)和B區(qū)的交點(diǎn)定義為耦合工況點(diǎn)。其包括兩個(gè)參數(shù)：支護(hù)系統(tǒng)的最小支護(hù)強(qiáng)度和最小延伸長(zhǎng)度。在圖2的條件下分別為100t和45mm。（2）支護(hù)體（錨桿，錨索）和圍巖間的耦合一個(gè)成功的錨桿支護(hù)系統(tǒng)，不僅要求支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到要求，還要根據(jù)圍巖應(yīng)力和變形特性曲線特征設(shè)計(jì)合理的錨桿特性曲線，以適應(yīng)圍巖應(yīng)力和變形的需要。下面先回顧一下已經(jīng)用過(guò)的三代錨桿的特性曲線并分析其存在的問(wèn)題。①第一、二 代錨桿：普強(qiáng)全螺紋鋼錨桿和普強(qiáng)滾絲錨桿。這兩類錨桿除了預(yù)應(yīng)力上稍有差別外，特性曲線基本相同。這種類型的錨桿在淺部地區(qū)效果較好，基本上解決了用錨網(wǎng)支護(hù)代替棚子支護(hù)的問(wèn)題。在深部和地壓大的礦井，其支護(hù)效果不理想，巷道變形量大，翻修量大。其錨桿支護(hù)特性曲線如圖3所示。由此可以看出，第一代錨桿的設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度過(guò)低（安裝應(yīng)力幾乎沒(méi)有）。在應(yīng)力較大的條件下，根本達(dá)不到控制圍巖穩(wěn)定的要求，導(dǎo)致松散破碎區(qū)變大，最終超過(guò)錨固區(qū)。此時(shí)，錨桿系統(tǒng)失效并導(dǎo)致錨桿與圍巖同步移動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)所表現(xiàn)的就是錨桿不破斷但巷道變形大甚至冒頂。圖3第一，二代錨桿支護(hù)工作曲線及其耦合②第三代錨桿:高強(qiáng)錨桿。超高強(qiáng)錨桿是利用Q500和Q600鋼材制造的錨桿。其特點(diǎn)是強(qiáng)度大，但加工性能不好。成品錨桿在破壞時(shí)大多在絲部脆斷，延伸率極小，無(wú)塑性變形階段。盡管其強(qiáng)度高，但由于其與圍巖變形不適應(yīng)，錨桿破斷率極高，其特性曲線如圖4所示。圖中的錨桿支護(hù)系統(tǒng)特性曲線的實(shí)線部分是錨桿在絲部斷裂時(shí)的狀態(tài)，實(shí)線+虛線是錨桿在桿體破斷時(shí)的特性曲線。由此可以看出，錨桿在絲部斷裂時(shí)的允許變形和圍巖變形相差甚大。此時(shí)盡管錨桿擁有較高的強(qiáng)度，但在圍巖大變形條件下必然斷裂。錨桿在桿體斷裂時(shí)，盡管錨桿的整體變形達(dá)到圍巖變形的要求，然而錨桿處于塑性變形狀態(tài)下工作，此時(shí)由于巷道支護(hù)安全的需要，設(shè)計(jì)錨桿時(shí)應(yīng)盡量設(shè)計(jì)錨桿的工況點(diǎn)在彈性范圍內(nèi)，否則變形的安全距離太小，微小的擾動(dòng)和圍巖變形變化也會(huì)導(dǎo)致錨桿破斷。此時(shí)如果單一地增加錨桿的支護(hù)強(qiáng)度，則錨桿支護(hù)系統(tǒng)所需的最小支護(hù)強(qiáng)度超過(guò)500 t。按每排5根錨桿計(jì)算，則單根錨桿的支護(hù)強(qiáng)度不小于100t。在目前的鋼材產(chǎn)品和制造水平下，還沒(méi)有這樣的錨桿。圖4第三代錨桿工作特性曲線及其耦合③耦合讓均壓錨桿（索）。耦合讓均壓錨桿是根據(jù)鋼材的原始特性，通過(guò)耦合讓均壓元件來(lái)改善錨桿（索）的工作特性曲線，使其與圍巖特性曲線耦合，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)目標(biāo)（圖5）。圖5耦合讓均壓錨桿工作特性曲線和耦合1）耦合讓均壓元件的參數(shù)有兩種途徑可以實(shí)現(xiàn)錨桿耦合讓均壓功能：一種是內(nèi)讓壓結(jié)構(gòu)，把桿體本身做成可變形結(jié)構(gòu)，但變形參數(shù)難控制且成本太高；另一種是保持桿體本身不變，利用耦合讓均壓元件讓均壓耦合。根據(jù)不同要求，耦合讓均壓環(huán)根據(jù)需要可以設(shè)計(jì)制造成不同特性。這里不闡述耦合讓均壓環(huán)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和制造過(guò)程，只簡(jiǎn)單介紹設(shè)計(jì)原理和結(jié)果。耦合讓壓均壓環(huán)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)包括：n 讓壓點(diǎn)：讓壓點(diǎn)即讓壓均壓環(huán)設(shè)計(jì)的起始讓壓載荷。讓壓點(diǎn)的大小，應(yīng)保證錨桿在巷道掘進(jìn)過(guò)程中承受的總載荷小于錨桿的實(shí)際屈服極限，以保證錨桿在掘進(jìn)過(guò)程中不發(fā)生屈服破壞，同時(shí)為動(dòng)壓變形階段留有充分的余地。n 讓壓載荷的穩(wěn)定性：一旦讓壓均壓環(huán)開(kāi)始讓壓，載荷需基本保持穩(wěn)定，過(guò)大的載荷下降會(huì)導(dǎo)致頂板支護(hù)效果不佳。讓壓穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)可以用讓壓穩(wěn)定系數(shù)來(lái)衡量：W—讓壓穩(wěn)定性系數(shù)，t/mm。Rt—讓壓終端載荷，tR0—讓壓點(diǎn)起始載荷，tD—最大讓壓距離，mm。n 最大讓壓距離：耦合讓均壓環(huán)從穩(wěn)定讓壓開(kāi)始到載荷開(kāi)始增加的距離，其大小根據(jù)巷道變形的具體情況按圍巖應(yīng)力變形關(guān)系確定。2）錨桿和錨索間的耦合錨桿和錨索是由不同性質(zhì)的金屬材料制成，本身的延伸率差別很大，在應(yīng)用中其幾何參數(shù)和安裝載荷差別很大，所以在大采深高應(yīng)力條件下，兩者之間變形耦合和載荷耦合都很差，很難達(dá)到共同支護(hù)圍巖的效果。由于這種現(xiàn)象的存在，很多深井巷道在高支護(hù)強(qiáng)度條件下仍然發(fā)生大量的支護(hù)體破斷現(xiàn)象。圖6是錨索延伸率（3～5%）和錨桿延伸率（15%）的實(shí)驗(yàn)室對(duì)比試驗(yàn)。如果錨桿、錨索支護(hù)體系在井下的實(shí)際工作狀態(tài)與實(shí)驗(yàn)室一致的話，低延伸率的錨索必然首先破斷。然而，井下實(shí)際施工和實(shí)驗(yàn)室相差太大，錨桿、錨索的實(shí)際工作曲線比實(shí)驗(yàn)室復(fù)雜得多，這樣更增加了錨索破斷的概率。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)生下列情況：圖6錨索延伸率和錨桿延伸率實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)比較a）無(wú)安裝載荷錨桿和高安裝載荷錨索。這種現(xiàn)象在現(xiàn)場(chǎng)很普遍，錨桿的安裝載荷很小但錨索施加高安裝載荷（這與國(guó)內(nèi)施工機(jī)具有直接的關(guān)系）。圖7是錨桿錨索的工作曲線。此時(shí)，錨桿無(wú)安裝載荷而錨索的安裝載荷為10t。工作曲線表明，隨著圍巖變形，錨桿初期受力很小，而錨索載荷增加很快，在圍巖位移達(dá)到40mm時(shí)，錨桿才真正受力，而此時(shí)錨索已經(jīng)破斷。即錨桿和錨索耦合性能差，起不到共同支護(hù)頂板的作用。圖7錨桿錨索的工作曲線b）錨桿安裝載荷為4～6t，錨索為20t。圖8為錨桿錨索系統(tǒng)的實(shí)際工作曲線，由此可以看出，更高的錨索安裝應(yīng)力條件下，錨索破斷前允許的頂板下沉量更小。（允許變形量?jī)H為34mm），這間接減少了錨索的工作延伸率。而錨桿的安裝應(yīng)力4t時(shí)，其允許變形量為75mm。錨桿和錨索允許變形量的安裝差別，必然導(dǎo)致錨索首先破斷。圖8錨桿錨索的工作曲線為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須采取耦合措施使得錨桿和錨索實(shí)現(xiàn)變形和載荷耦合協(xié)調(diào)，達(dá)到共同支護(hù)圍巖的目的。圖9為整體耦合讓均壓鳥(niǎo)窩錨索，圖10為一般錨索和整體耦合讓均壓鳥(niǎo)窩錨索的工作特性曲線比較。根據(jù)需要，可以設(shè)計(jì)錨索的耦合讓壓點(diǎn)、讓壓距離達(dá)到錨索與錨桿耦合。圖9 整體耦合讓均壓鳥(niǎo)窩錨索圖10普通錨索和整體耦合讓均壓鳥(niǎo)窩錨索的工作特性曲線比較 表面支護(hù)表面控制是指錨桿托盤、鋼帶（鋼筋梁）和金屬網(wǎng)等。錨桿托盤是錨桿支護(hù)頂板的受力點(diǎn)，托盤的強(qiáng)度必須與錨桿匹配，托盤的大小必須保證在錨桿達(dá)到其屈服載荷之前圍巖不會(huì)被壓壞。所以，其尺寸和強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)桿體強(qiáng)度和圍巖強(qiáng)度確定。不合適的托盤會(huì)導(dǎo)致錨桿失效。圖11是現(xiàn)場(chǎng)兩種不同規(guī)格的托盤拉拔試驗(yàn)。3條曲線分別是實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)200200mm、120120mm托盤條件下的拉拔結(jié)果。很明顯可以看出，120120mm托盤受力面積太小，隨著圍巖的變形，托盤壓入頂板造成錨桿受力急劇減少，完全改變了設(shè)計(jì)的錨桿工作曲線；盡管采用了高強(qiáng)錨桿，但錨桿受