预应力在锚杆支护中的作用

邓天琳

(大同煤矿集团设计研究有限公司，山西大同037003)

0 引言

锚杆支护系统在人们的日常生活中已得到了广泛的应用，尤其是在煤矿巷道建设中，因其安全性高、强度大的特点成为了巷道支护的主要方式。然而，随着近年来我国煤矿开采规模的不断增大及矿井深度的增加，对矿井巷道施工技术的要求也逐渐提升。为保证矿下工作人员的安全及采矿工作的效率，矿井应力巷道必须具备较大的横截面积、较高的抗震系数，为此必须有效提高巷道的支护效果。

1 锚杆支护系统刚度与预应力的重要性

提高锚杆支护系统的刚度是保证巷道安全性和强度的有效手段。其中主要的方式有增加锚杆的预应力和增加锚固长度两种方式。与此同时，还应相应地通过钢板、拖带等部件将预应力分散到整个系统中，从而有效方式支护结构的错位和分离。

锚杆预应力还包含了以下几项内容:①锚杆预紧力，即在安装锚杆时对锚杆向轴心的拉力。②锚杆预紧力距，即轴心拉力到施力点的距离。③锚杆预应力，指的是在锚杆安装过程中对锚杆的轴心拉应力。锚杆预应力的大小与锚杆预紧力和锚杆的横截面积相关，并可以根据两者的一定换算关系得出。

锚杆预应力在土木建设工程中应用十分广泛，其主要作用是加固岩土，提高建筑项目的安全性。预应力锚杆与锚杆固定相结合的方式是工程项目中最为常见的支护方式。

最先对锚杆预应力进行研究和应用的国家是美国。早在20 世纪后期，美国就利用锚杆预应力支护矿山巷道。美国当时采用的提高锚杆预应力的方式是使用扩壳式的锚头，并将其与树脂锚固剂结合使用。这种支护方式在当时取得了很好的成效，锚杆的强度和安全性获得了极大的提升。美国的矿山巷道支护系统的改进能获得成功的原因主要有3 个。首先是对锚杆预应力的应用有效地提高了顶板的抗震强度;其次是对锚杆的精细加工大大提升了锚杆的稳定性;此外，美国当时采用了最为先进的锚杆施工器械，也在一定程度上提升了锚杆的支护性能。

美国对锚杆预应力的研究成果对我国产生了巨大影响。我国学者在美国研究结果的基础上进一步研究得出，当锚杆预应力在60 ～70 kN 时，其支护效果可以达到最佳状态。之后又有专家将树枝锚固试剂应用到了锚索固定上，有效避免了岩层分离、滑动的现象。

尽管我国在锚杆预应力的研究应用上取得了一定的成果，但对这一领域的研究还不够深入。在我国的工程项目中，一般通过加大锚杆杆体密度的方式来提高锚杆的支护效果，这一做法虽然能在一定程度上提升锚杆强度，但也容易产生起锚杆延展性弱，机动性差等问题。为此，我国必须从理论出发，总结支护系统设计原理，并进一步优化锚杆施工器械和材料，从而提升锚杆支护系统的整体性能。

2 预应力支护理论

2.1 锚杆支护作用分析

锚杆支护技术主要是用于对岩石的加固。其中岩石的密度、内部构造及性质等都会对锚杆的支护效果产生不同程度的影响。锚杆支护系统的作用主要可分为以下几种。

锚杆支护系统可提高岩石的强度、粘合度及抗压度等。锚杆支护对岩石加固主要通过改变岩石的物理性质来实现。锚杆支护可提高岩石结构面的强度。锚杆可以对岩石提供一定的轴心力和横向力，从而有效提高岩石在结构面上的强度，保证岩石的稳定性和整体性。

锚杆支护能改善岩石的受力状态。锚杆会对岩石施加一定的压力，这一部分压力可与岩石受到的摩擦力进行一定程度的抵消，从而减少岩石的磨损。

2.2 预应力对锚杆支护的作用机理

随着近来来科技的进步，我国的锚杆支护技术也获得了一定的发展，尤其是在理论层面的研究上，有越来越多的专家学者开始意识到增加锚固刚度的重要性，其中提高锚杆预应力是有效提高锚杆强度的主要手段。我国最早采用的预应力支护技术是树脂锚固锚索技术。这种技术通过增大锚固深度为锚索提供了更大的预应力，从而提高了锚索的整体强度。随着研究的不断深入和发展，我国的锚杆支护理论有了更全面科学的体系。

首先，预应力锚杆应用的根本目的在于防止岩石的分裂、滑动，保证岩石的整体性和强度。其次，锚杆预应力是决定锚杆支护效果的主要因素。在提高锚杆预应力时不仅要增强锚杆的强度，还应通过相应的连接部件将预应力进行分散，提高整个支护系统的强度。锚杆支护系统也存在着一定的受压限度。为保证锚杆支护系统的安全性、稳定性，必须使支护系统的最大刚度大于受压限度，从而有效避免支护结构的变形。锚杆支护系统还应具备一定的弹性，在收到压力的冲击时能够通过一定限度的变形来分散压力，从而必须支护系统的断裂与破坏。为此，在保证锚杆所需强度的同时，还应保证锚杆具备一定的韧性和延伸性。预应力锚索在锚杆支护系统中也起到了关键作用。其用途主要表现在两个方面:首先，预应力锚索是将锚杆支护结构与岩石相连的纽带;提高锚索的强度也能在一定程度上提高预应力的承压能力和系统的稳定性。其次，锚索与锚杆共同形成了锚杆支护系统的骨架，是防护岩石的主要结构。

3 预应力锚杆支护材料的选择

锚杆支护材料主要包括螺母、杆体、锚固剂、锚索、钢板等。锚杆支护材料的强度会极大地影响锚杆的支护效果和稳定性。在进行锚杆支护材料的选择时应遵循以下原则。

锚杆杆体应具备一定的抗压能力。当杆体受到较大的压力时，杆体应能够通过一定的延展和变形将力进行分散或传导，从而将能量进行分化，防止支护结构的断裂。

锚杆杆体的底部应有相对较大的预应力，这主要是由于在巷道施工中，杆体底部一般承受较大的压力。增加杆体底部的预应力可通过对底部螺纹进行精细加工或改变其形状、尺寸等方式实现。

锚杆螺母、托板等部件应与杆体实现精确的匹配。当部件与杆体无法较好地组合在一起时，容易引起部件的滑动、扭转、摩擦等，从而引起部件和杆体的磨损。

锚索应具备一定的韧性和承压性。锚索在支护系统中主要起到了连接的作用，因此较常受到扭转力、拉伸力等，容易磨损。提高锚索的韧性和承压性能够有效提升预应力，延长锚索使用寿命。

托板、钢带等部件的性能应与锚杆和锚索相一致，从而使锚杆上的预应力能获得高效的分散。

为提高锚杆支护体系的强度，我国在近年来开始致力于提高预应力锚杆支护材料的质量。在锚杆底部螺纹的加工上，我国对其形状和尺寸进行了一定的优化，使其更符合工程力学和支护系统的强度要求。同时在生产时也采用了精细加工的方式，大大提高了螺纹加工的质量。

在托板、螺母的加工上，一方面采用了强度更大的材料，另一方面也对其形状和尺寸进行了一定的调整，并使其能与锚杆较好地结合。

在锚固方面，我国采用了最新的树脂锚固，并在其直径、横截面、结构上都进行了一定的优化。于此同时，还开发出了与锚索相配合的特定托板，使支护系统的整体结构性能都获得了提升。

4 结语

锚杆预应力的应用可以有效提高锚杆支护系统的强度和支护效果。当锚杆受到较大压力时，可通过一定的制动系统和程序对力进行分散。当锚杆受到的预应力较大时，可通过托板、钢带等部件对力进行分散;当锚杆受到了预应力较低时，有效压力感应器也相应变小。

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