锚杆支护相关的几个力的概念.doc

用心专注，服务专业 锚杆支护相关的几个力的概念1定义锚固力：指锚杆对围岩的约束力，它包括径向锚固力和切向锚固力，径向锚固力含托锚力和粘锚力。托锚力是托板阻止围岩向巷道内位移，对围岩施加的径向支护力；粘锚力是锚杆通过粘结剂对围岩施加的径向作用力；切向锚固力是锚杆体贯穿岩体弱面，对弱面的滑动和张开产生的限制力；单位kN.拉拔力：指阻止锚杆从岩体中拔出的力。拉拔力可分为设计拉拔力和检测拉拔力。通常说的拉拔力指设计拉拔力，其值应大于锚杆破断力；单位kN.锚杆预紧力：在锚杆安装过程中，对锚杆杆体施加的轴向拉力，单位kN.锚杆预紧力矩：在锚杆安装过程中，对锚杆螺母施加的力矩，单位Nm.锚杆预应力：在锚杆安装过程中，对锚杆杆体施加的轴向拉应力，等于锚杆预紧力与杆体横截面积的比值，单位MPa.2测量方法2.1 锚固力测试锚杆的锚固力一般用测力计进行，目前井下一般用的是ML-20型/ML-30型锚杆拉力计。安装测力计过程：检查拉力计内工作台液压力表油管接头情况；锚杆连接杆（内螺纹）直接套在锚杆端头的螺纹上，拧入的螺纹不少30mm;安装套筒，套筒紧靠锚杆托盘，再安装千斤顶（伸缩油缸的一端向外，紧靠螺母），用扳手拧紧螺母；将油管连接到千斤顶上；旋紧开关旋扭；用力匀速加压操作柄，时刻注意压力表，直至达到设计锚固力停止，缓缓旋开开关旋扭卸压。注意事项：（1）选择托盘处岩煤平整无破碎现象的位置；（2）垫板应尽量选择平整刚性的；（3）锚杆螺纹外露长度在2540mm 之间，且锚杆与煤岩面应垂直；千斤顶轴心连接杆锚杆体中心线一致；（4）加压前应检查测力计完好状况（工作介质管路压力表旋扭千斤顶等）；（5）锚杆测力计加压应均匀缓慢，直至锚杆松动或压力表读数至锚杆设计锚固力数值即停止，一般不作破坏性实验；（6）千斤顶卸压时，缓慢松开开关旋扭；（7）压试时，被检锚杆的附近3m不得有人；（8）树脂锚杆若在安装后半小时测定应将测定值乘以1.3的系数；（9）锚杆锚固力测试时应有安全保护措施。2.2 锚杆拉拔力检测锚杆拉拔计是最常用的锚杆拉拔力检测仪器。目前我国常用的几种锚杆拉拔计有MLJ-300/100型锚杆拉拔计、MJY-1型无损锚杆受力检测仪、ZY型系列锚杆拉拔计等。对锚杆拉拔实验有以下要求：锚杆拉拔实验采用锚杆拉拔计在井下巷道中完成；试验地点应该选在井下巷道施工现场或类似的围岩中完成；试验所用的锚杆、锚固剂等应与正式施工时所用的材料相同；试验所用的机具、钻孔参数应与正式施工时相同；试验应采用短锚固（如150200 mm长的锚固剂）形式，以便测试锚固剂粘结强度；试验为破坏性试验，拉拔至锚杆失效，试验过程中记录载荷与锚杆尾部位移；根据最大载荷与位移曲线，分析围岩的可锚性、锚固效果，对应用锚杆支护的可行性做出判断。有下列情况之一，必须重新进行锚杆拉拔试验：锚杆支护设计发生变更；支护材料发生变更；巷道围岩地质条件发生较大变化，如遇断层、破碎带、皱曲等地质构造；巷道顶板出现较大淋水等。2.3 锚杆预紧力矩测试锚杆预紧力的检测一般使用扭矩扳手。锚杆预紧力的检测应符合以下要求：每小班顶帮各抽样一组（3根）进行锚杆螺母扭矩检测。每根螺母预紧力矩应符合设计要求；每组中有一个螺母扭矩不合格，就要再抽查一组（3根）。若仍发现有不合格的，就将本班所有的螺母重新拧紧和检修一遍。3 几种易混淆的力之间的关系3.1 锚固力与拉拔力区别（1）锚固力是锚杆对围岩产生的约束力，是限制围岩变形，起支护作用的力。锚杆拉拔力是锚杆锚固后拉拔实验时，所能承受的极限载荷，反映的是杆体、锚固剂、岩石粘结到一起后，锚杆破断或失效的最大拉力。（2）锚固力随着被支护围岩变形、围岩的膨胀而增大，因此锚固力是一个动态发展并不断变化的力。锚杆拉拔力是一个固定值，不随围岩变形和锚杆受力而改变。如果围岩不发生变形且不考虑杆体的松驰效应，锚固力等于初锚力。（3）锚固力检测使用安装于锚杆螺母和托盘之间的锚杆测力计，一般在锚杆安装时把锚杆测力计安好。检测锚固力是为了监测锚杆受力状况，需要进行长期观测。锚杆拉拔力检测使用锚杆拉力计，检测可以在锚杆安装完成后任何时候进行，检测锚杆拉拔力是为了查验锚杆杆体、锚固剂、岩石粘结效果。在施工中，检测锚杆拉拔力时，一般只要达到设计锚固力即可；在做破坏性检测时，则要求锚杆被拉断或锚杆被拉出才终止。（4）检查锚杆施工质量时，一般检查锚杆拉拔力。监测分析锚杆工作情况时，测锚固力。测量锚固力是为了验证支护的可靠性，为以后修改支护设计提供依据。设计和施工时，必须保证锚杆拉拔力大于杆体破断力这一基本原则，即锚杆杆体受力超过其破断力后，锚杆可能被拉断，但锚杆不能被拉出。常见错误是设计的锚杆拉拔力小于杆体破断力。3.2 预紧力和预紧力矩关系（1）锚杆预紧力与预紧扭矩的简化关系式为：M=kTd,其中M为预紧扭矩，Nm;k为比例系数，T为预紧力，kN;d为杆体直径，mm;比例系数k是一个综合系数，它受螺纹升角、螺距、螺旋副的摩擦系数以及螺母与支撑面的摩擦系数等参数的综合影响，因此是确定预紧力与预紧扭矩之间关系的关键。（2）预紧力是力，是施加在锚杆（锚索）上的拉力，单位kN;预紧力矩是力矩，施加在压紧螺母上，单位Nm.（3）二者测量仪器不同。预紧力可以通过安装在锚杆托盘与螺母间的锚杆测力计观测；预紧力矩可以通过数字显示或带有刻度显示的锚杆扭力扳手观测。（4）锚杆施工设计要求的是预紧力，而不是预紧力矩。但在实际施工中，由于预紧力矩测读方便而预紧力测量相对复杂，且预紧力随着预紧力矩增大而增大，为了检测方便，通过直接检测预紧力矩而达到间接检测锚杆的预紧力的目的。因此，锚杆安装时通常检测预紧力矩，而不检测预紧力。3.3 预紧力与预应力区别锚杆预紧力：在锚杆安装过程中，对锚杆杆体施加的轴向拉力。锚杆预应力：锚杆预紧力与杆体横截面积的比值。4 各力的作用4.1 锚固力的作用锚杆的锚固作用体现为径向和切向锚固力的作用。径向锚固力对围岩施加围压，将围岩由单向、双向受力状态转化为双向、三向受力状态，提高围岩的稳定性。锚杆贯穿同一岩层中的弱面，切向锚固力改善了弱面的力学性质，从而改善了围岩的力学性质。因此锚杆是兼有支护和加固两种作用的较完美的支护形式。径向锚固力主要起着支护作用，切向锚固力主要起着加固作用。而在煤巷围岩中，主要是径向锚固力起作用，起到支护作用。具体表现为以下几个方面：（1）加固拱作用。对于被纵横交 错的弱面所切割的块状或破裂状围岩，如果及时用锚杆加固，能提高岩体结构的抗剪强度，在围岩周边一定厚度的范围内形成一个不仅能维持自身稳定，而且能防止其上部围岩松动和变形的加固拱， 从而保持巷道的稳定。（2）悬吊作用。悬吊作用是指锚 杆把将要冒落的软弱岩层或危岩悬吊于上部坚固稳定的岩石上， 由锚杆来承担危岩或者软弱岩层的重量。（3）组合梁作用。在层状岩层的巷道顶板中，通过锚入一系列的锚杆，将锚杆锚固长度以内的薄岩层组成一定的组合梁，从而提高其承载能力。可以把平顶巷道的层状岩石顶板看作是以巷道两帮为支点的叠合梁。在载荷作用下，各岩层都有各自的单独弯矩， 每层岩石分别处于受压和受拉状态。锚杆将各层岩石组合在一起之后，大大提高了组合梁的抗弯强度和承载能力。4.2 预紧力的作用（1）预紧力能够发挥锚杆主动支护作用，特别是在层状岩层、破碎围岩条件下，增大预紧力能够改变围岩性质，防止围岩破坏，保持围岩稳定，有利于对围岩支护。锚杆预紧力大小对顶板稳定性具有决定性的作用。当预紧力大到一定程度时，锚杆长度范围内和锚杆长度以上的顶板离层可