塑料锚杆的特点及作用

　　锚杆支护作为一种有效支护方式，由于对巷道围岩的强化作用，可以提高围岩的稳定性，加之具有支护成本低、成巷速度快等诸多优点，目前已成为世界各国矿井巷道的一种主要支护形式。在煤矿采准巷道支护中，主要使用树脂类锚杆，这类锚杆是靠钻孔中的粘结剂将杆体与周边岩体粘结在一起而提供锚固力的。但是，在极松软破碎顶板的巷道支护中，这种靠粘结力提供锚固力的锚杆有时容易失效。针对这个问题，国内相继出现了胀壳式、倒楔式锚杆，本文介绍了几种塑料胀壳式锚杆的结构、锚固及应用特点。

　　1塑料胀壳式锚杆结构形式塑料胀壳式锚杆主要由三部分组成：锚固部分、杆体和托盘紧固部分。由于其锚固部分(锚头)是由优化配方的高强度聚氯乙烯工程塑料用注塑方法制成的胀楔形芯、壳组成，固称为塑料胀壳式锚杆。其阻燃性、抗静电性均优于其他聚合物产品。

　　锚芯结构形式为内置骨架的中空外楔形体，锚壳结构形式为内锥形圆筒状体，胀壳沿纵向分为四瓣，为了适应不同的围岩条件，有三种外壁形式：光壁式、台阶齿形和V齿形。

　　塑料胀壳式系列锚杆按锚头和杆体的联结形式分为杆体可回收式和不可回收式。按锚杆锚固功能分为单节锚固式、加长锚固式和端锚内注式。单节锚固式和加长锚固式锚杆杆体视其锚固力大小用直径14～20 mm圆钢制作。和分别为杆体可回收式和杆体不可回收式塑料胀壳式锚杆的实物照片。

　　塑料胀壳式系列锚杆适用于各类围岩条件下的各类巷道常规支护及注浆加固支护。杆体可回收式塑料胀壳式锚杆主要用于回采工作面两巷支护，在回采之前可对超前支护段的锚杆进行杆体回收，这样，不但可大幅度降低巷道支护成本，也可有效防止采煤机割锚杆杆体所发生的安全事故。杆体不可回收塑料胀壳式锚杆主要用于开拓准备巷道支护，这种类型锚杆可以根据支护需要增加锚头以提高锚固能力。

　　3塑料胀壳式锚杆锚固性能因为此种锚杆在安装时是让楔形锚芯与锚壳产生重合而使锚壳膨胀，靠锚壳与孔壁之间挤压和摩擦而起到锚固作用。所以本锚杆在锚固性能上的主要特点是：在锚固端能够提供足够大的胀锚力，其数值约为托锚力、剪锚力的2.5倍，而树脂锚杆和快硬水泥锚杆对围岩只有托锚力和剪锚力作用，无胀锚力作用，管缝式锚杆的胀锚力只为本锚杆胀锚力的1/15～1/10.锚杆对围岩的作用主要体现在两个方面，即纵向约束力作用和横向约束力作用，纵向约束力作用通过托锚力和剪锚力实现，而横向约束作用基本依靠胀锚力来实现。以往人们只注重锚杆的纵向约束作用，即纵向上有利于形成组合梁或挤压拱等结构，而忽略了锚杆对围岩的横向约束作用，这是不完全的。众所周知，地下岩体抗拉强度很小，又往往被层理、节理、裂隙等弱面所切割，弱面的抗拉强度几乎为零。抗剪强度主要取决于作用在该弱面上的正压力，当正压力不大时，弱面的抗剪能力也很弱。如果随着巷道周边围岩和深部围岩位移差的增大，锚杆能够同时提供愈来愈大的横向挤压力，就会压实松动岩石的节理、裂隙，提高其抗拉能力和抗剪能力，有利于围岩形成结构，提高其支撑能力。这个作用和纵向约束减小围岩离层是同等重要的，只有把两者有机地结合起来，才能更好地发挥锚杆加固围岩的作用。

　　本锚杆的另一优点是具有近似恒阻的工作特性，可保证锚杆在 大锚固力下与围岩保持同步变形，即锚杆不会因围岩变形增大而失效。在软岩巷道中，随着围岩破坏，由于破碎岩体中各个岩块之间沿裂隙面的相对滑移将引起强烈的膨胀变形，在这种情况下，纵有很大的支护强度，也难以控制围岩的变形。理论和实践都证明，在软岩巷道的开挖初期，要将围岩变形控制在较小范围，则需要很大的支护强度，这在技术上很难实现，在经济上也不合理。因此，软岩巷道支架应具备承载可缩的性能，以适应掘巷初期围岩的强烈变形。在控制围岩变形的同时，使围岩内蕴藏的变形能得以充分释放。所以，支架的工作阻力和可缩量及其合理匹配是软岩巷道支护 为重要的参数。

　　随着围岩位移的增大，锚杆支架延伸的过程就是让压过程。让压途径可分为三种典型情况：(1)恒阻让压，支护有较大的锚固力，围岩始终在恒定的支护阻力下变形，直到围岩压力等于支护阻力而稳定。

　　(2)增阻让压，支护锚固力不大，随着围岩的变形增大，锚固力不断增大，围岩压力却逐渐减小，直到两者达到平衡而稳定。

　　(3)自由让压，在无支撑或无阻力情况下让压，直到围岩变形达到某极限后再给予强力支撑。

　　理论分析和实践都说明，合理的让压途径应该是恒阻式或微增阻式的。其合理性除了上述的定性理由之外，还可从支架的合理工作点中反映出来。

　　近年来，无论是依据充分考虑松软围岩体积增大特性的Hoek-Brown准则而进行的理论分析，还是模拟试验、数值计算以及实际观测，都得出了软岩巷道围岩变形与支护强度呈负指函数关系，本锚杆在平庄矿务局六家煤矿-75井底水仓支护中使用时，采用两节锚固头，锚固力90～120 kN，支护密度为0.6 m×0.6 m，算得支护强度为0.33 MPa，锚杆长1.8 m，达到锚固力时杆体伸长率为5 %，周边围岩受托板的压缩量与杆体伸长量近似相等。由于本锚杆具有恒阻让压特性，能够有效控制围岩变形达300 mm时而稳定下来。同具有增阻特性的树脂或快硬水泥锚杆相比，在达到相近支护效果的前提下，本锚杆比树脂等类锚杆可减少支护强度约30%。

　　塑料胀壳式系列锚杆锚头直径37～41 mm，锚头长度120～150 mm，适用钻孔直径38～45 mm.

　　塑料胀壳式杆体可回收式锚杆的室内模拟孔检测拉拔力，经国家煤炭工业局锚杆质量检测中心检测为73～90 kN，井下实测拉拔力50～60 kN.杆体不可回收式锚杆检测结果是，室内模拟孔，单锚头拉拔力为80～90 kN，井下实测为50～70 kN，多节锚固(2或3节)拉拔力为单节拉拔力×节数×80%。

　　3塑料胀壳式锚杆的几种变型产品3.1外锚内注式注浆锚杆

　　对于节理裂隙发育的软岩巷道，向一定深度范围内的围岩注浆，可改变围岩的松散结构，提高粘结力和内摩擦角，使岩体强度显著提高。锚杆锚固和注浆加固是巷道等岩土工程支护和加固的基本形式，这两种基本支护和加固形式同时在一条巷道内使用时，如果利用锚杆兼做注浆管，实现锚注一体化，可大大提高生产效率。

　　目前国内已有几个科研部门研制出了几种形式的外锚内注式锚杆，并进行了井下工业性试验，但还未形成正式产品投放市场。所研制的几种外锚内注式锚杆主要由杆体、托板和螺帽组成。锚固和密封材料为空心快硬水泥卷，锚固位置为孔口至1 100 mm范围。

　　塑料胀壳锚固式注浆锚杆主要由杆体、胀壳式锚固头、隔离架、橡胶密封套、密封胀壳及托盘和紧固螺母可直接用标准件。

　　胀壳式锚杆的锚芯和锚壳代替，只是将锚芯内径加大即可，隔离架用直径6mm钢筋和垫圈焊制，托盘和塑料胀壳锚固式注浆锚杆主要优点在于：(1)由于锚固头在孔底，所以真正起到了锚杆锚固作用，井下拉拔试验达50 kN以上。

　　(2)安装操作方便，密封可靠。

　　(3)塑料锚头用注塑方法加工而成，产品规格质量易于保证。

　　(4)杆体和其他组件加工工艺简单，具备一般加工能力的单位即可自行加工。

　　4.2塑锚式顶板离层指示仪及围岩深部基点位移计对于全锚杆支护巷道来说，顶板离层是 大的安全隐患。如果巷道顶板在锚杆锚固端以外出现离层，且巷道跨度很大时，其组合梁厚度相对较小，所具有的抗折强度不能阻止组合梁的下沉，则可能发生冒顶事故。如在巷道顶板上每隔一定距离安装一个顶板离层测点，就会及时发现事故隐患，以便能做到及早防范。

　　利用塑料胀壳式锚固头做锚固基点，可以制成一种简易实用的顶板离层指示仪和围岩深部基点位移计。顶板离层指示仪离层监测深度3m，共有3个测点，每个测点是用胀壳式塑料锚头制成，测点引出杆是用直径6 mm冷拉钢筋制成。该型顶板离层指示仪具有安装方便、操作简单、读数准确的特点。

　　具体安装方法为，在巷道的顶板中央，向上垂直于顶板钻一个直径42 mm、深3 000mm钻孔，然后用专用安装装置将测点分别固定于孔中的3 m、2 m和1 m深处，每个测点都用测杆引出至孔口处，测杆外露长度约180～200 mm，测点之间用隔离架分开，在孔口处安装一个测点引出套。由于测点引出套和巷道顶板表面同时运动，因而引出套的下孔口平面即做为测量的基准点。

　　塑锚式围岩深部基点位移计结构与塑锚式顶板离层指示仪基本相同，只是孔口固定套有些差异，位移计结构如所示。

　　4结论和建议以上介绍塑料胀壳式系列锚杆已在铁法局、神东矿区补连塔矿、甘肃华亭矿区砚北煤矿、四川开县笔山等煤矿中推广应用。杆体不可回收系列锚杆，在平庄矿务局六家煤矿―75井底水仓大断面巷道支护中应用。以上两种系列锚杆的现场应用，均取得非常满意的支护效果。塑锚式顶板离层指示仪和巷道围岩深部基点位移计，已在甘肃华亭矿区砚北煤矿、神东矿区活鸡兔矿、铁法矿务局晓南矿、平庄矿务局六家煤矿及神火煤电公司葛店等煤矿的矿压观测中成功应用。

　　几年来通过对塑料胀壳式系列锚杆的现场应用，得出以下主要结论：(1)锚杆是靠锚壳与孔壁之间挤压和摩擦而起到锚固作用，因此锚杆具有近似恒阻作用，在大位移量下不失效。

　　(2)由于锚头对锚固孔壁有横向挤压作用，可增加锚固带岩体自撑能力。

　　(3)杆体能制成可回收式，能大幅度降低支护成本，也可防止采煤机截割锚杆杆体。

　　(4)锚头为模具注塑成型，生产成本低、效率高，规格质量易得到可靠保证。

　　(5)锚头可做成多级锚固式，以便特殊需要时增加锚固力。