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摘要：浅析锚杆-锚索联合支护的机理，以及支护失效原因分析等。
关键词：锚杆-锚索联合支护；失效原因；分析
中图分类号：U455.7+1
1 引言
煤矿巷道的锚杆支护，具有劳动强度低、支护效果好和成本低的特点，因此被广泛使用。但是，当前仍有不少人对锚杆-锚索联合支护作用机理的认识不清，尤其是煤巷施工，锚杆-锚索联合支护的设计思想与支护方法存在着不协调的矛盾。多数人认为，锚杆与锚索的“悬吊理论”，将顶板松动区岩石通过锚索悬吊于深部稳定岩层上，从而达到支护效果。实际中并非如此，顶板离层过大，锚索还未发挥效能就产生了破断，使锚杆-锚索联合支护形同虚设，其实并没有充分发挥锚索的工程特性作用。
2 锚杆-锚索联合支护机理
锚杆-锚索联合支护，主要是以锚杆支护作为及时支护和加固巷道周围浅部围岩，从而提高围岩的整体承载能力和自身稳定性。同时，通过预应力锚索作用，一是提高锚杆支护体的支护强度，使围岩变形破坏得到控制；二是围岩的破坏范围超过锚杆的锚固长度时，通过预应力锚索的悬吊作用，将顶板松动的岩石悬吊在深部稳定的岩层中，防止顶板失控冒落。同时安装锚杆和预应力锚索时，锚杆与预应力锚索对围岩起到相同的加固作用，增强了锚岩支护体的承载能力，避免围岩发生破坏。软岩和破碎顶板巷道中，围岩的变形量很大，在巷道开挖初期进行支护时，主要靠锚杆的柔性支护，后期则是发挥了锚索的悬吊作用。锚杆和锚索并没有同时加强支护，只是相互取长补短，这样改善了巷道锚杆支护的整体支护性能，实现了控制围岩大变形的作用。
3 支护失效原因分析
为弄清锚杆-锚索联合支护失效的原因，将联合支护这一整体进行分解，先对锚杆的失效进行分析，再分析联合支护失效的原因。
1）锚杆失效原因。许多专家学者运用各种方法对大量煤巷顶板锚杆支护失败的案例进行了分析，得出了导致锚杆支护失败的根本原因：①施工管理水平差。技术力量薄弱、管理人员轻视、施工管理制度不完善及责任心不强等，会直接导致产生安全隐患。②设计不合理。分支护型式和支护参数不合理。前者由于围岩分类错误、地质调查不全面、支护对象不明确、支护方法不正确及支护不及时。后者是由锚杆排列方向顺序不正确、锚杆长度不够、锚杆间排距不合理及“三径”不匹配导致的。③监测效果差。如在监测管理制度不健全，监测人员没有经过培训，监测仪器落后且性能不可靠，加上责任心不强等。监测不到位等问题，留下了安全隐患。④锚杆质量不合格。分杆体质量和配套机具不合格。前者主要是材料强度不够，抗拉强度达不到设计要求；锚杆结构形式不合理，需要使用粗尾锚杆的却用普通锚杆，导致锚杆过早破断；锚杆材料力学性能不好。较软煤壁上该使用玻璃钢锚杆支护，却使用了木锚杆；锚杆质量差。而配套机具不合格主要有树枝药卷失效、托盘螺母不配套、掘锚机质量性能差等。
2）联合支护失效原因。锚杆—锚索联合支护失效的主要原因是在围岩变形过程中，锚索尚未发生作用就产生破断，这与锚索的低延伸率和抗拉强度有关。锚索力学指标在实际应用中与实验设计结果相差太远，尤其是预应力锚索的承载能力和延伸率并不能达到钢绞线力学性能的指标。
①预应力锚索工程特性。使用预应力锚索配合锚杆对煤巷进行支护时，应用到两个重要指标—锚索的承载能力（或破断力Fms）和锚索的延伸量Δl。当前，锚索的支护与设计没有技术规范可循，实际设计时大多应用悬吊理论进行并检验。因此，仅考虑锚索的破断力这一指标却忽视了锚索延伸量。其实锚索的延伸量也是关键的技术指标，它反映了锚索对巷道围岩变形的适应程度。在多数围岩条件尤其是软弱围岩条件下，锚索的延伸量指标在设计中应放在第一位，其次才考虑锚索的承载能力。国家标准中，规定预应筋钢绞线与锚具组装件的静载锚固性能必须同时满足以下两项标准：ηa≥0.95，εapu≥2.0%；对于使用1×7结构的1860MPa级别钢绞线，以上两项条件可写成：Fapu≥245.19KN，εapu≥2.0%。根据以上分析，煤巷支护条件下预应力锚索的锚固性能需要满足下列两项要求：Fms≥221KN，εms≥1.8%。
这里两项要求仅是对锚索在巷道支护中正常使用应该达到的锚固参数，并非锚索支护设计需要的条件。因为εms不是锚索实际允许围岩变形的延伸率，而是锚索破断时的延伸率。能够被实际工程所利用的锚索延伸率（延伸量）与安装锚索时所给的预紧力有很大的关系，对1×7结构级别钢绞线预应力锚索，可利用的延伸率为：εl=（1.8-Fy/A）%，式中Fy为锚索预紧力（kN）；A为锚索钢绞线的刚度系数（kN，取221）。
如在煤巷支护实际工程中，安装锚索的预紧力为100kN，可利用于适应巷道围岩变形的延伸率为：εl=（1.8-100/221）%=1.35%。显然，煤巷支护中锚索可利用的延伸率非常小，仅为钢绞线国标要求的38.6%。锚索延伸率的指标在实际工程中应用不直观，所以常使用锚索延伸量这一指标。
从上得到预应力锚索的两个重要的工程指标： Fms≥221KN，Δl≥（1.8-Fy/221）%×L，式中：Δl为锚索工程延伸量；L为锚索自由段长度。根据此时，可在设计时考虑延伸量在锚索适应围岩变形情况。一般安装锚索时预紧力越小，其工程延伸量就越大。因为钢绞线的松弛特性，预紧后有一定的载荷松弛，预紧力过小可能造成锚具的滑移和卸载。
②失效原因。锚杆-锚索联合支护失效的主要原因是设计与实际不匹配。主要原因：虽然锚固剂锚固强度符合要求，但每根钢绞线的锚固程度不一，导致了锚索整体受力不均，支护失败；施工时使用的锚索比实验室使用的长很多，按照实验室指标安装时，由于钢绞线长度大使其松弛性增大，导致预紧时在孔口位置处造成每根钢筋受力不均；巷道围岩上的孔口处岩壁与钻孔轴线不垂直也引起每根钢绞线受力不均，造成钢绞线在未达到抗拉强度时，使各条钢筋逐根破断；巷道有动载影响时，巷道围岩的变形破坏活动使锚索受到波动的载荷影响而破断。
从以上看出，预应力锚索破断的主要原因是钢绞线各股钢筋受力不均，也就是单根钢绞线已经破断时，部分钢筋未达到屈服极限。因此，第一股破断的钢绞线延伸率通常决定了锚索自由段的延伸率。显然，设计锚索支护时按钢绞线钢材延伸率考虑是片面的。另外，锚杆的间排距、锚杆力学性能的参数选择，可在理论计算后采用数字模拟进行检验，观察巷道围岩的应力集中区域，找出易冒顶板进行加强支护。同时，三径匹配上也要仔细选择合理配置。煤矿支护应遵循科学的方法，要提高隐患排查意识，保障既能满足生产的安全，又能避免支护材料的浪费。
4 结束语
根据分析，锚索尚未发生作用就产生破断是锚杆-锚索联合支护失效的主要原因。避免措施：提高锚索的力学特性和改善支护工艺。提高力学特性主要是提高锚杆的承载能力，并采用悬吊原理对锚索的承载能力进行检验。而改善支护工艺主要是使锚索适应围岩的变形。
参考文献
[1]马念杰，等.锚杆三径的合理匹配[J].中国煤炭，1998，24（1）.
[2]贺礼雄.高应力大断面煤巷锚网（索）支护技术[J].煤矿安全，2004（8）.
[3]赵庆彪.煤巷锚杆-锚索支护互补原理及其设计方法[J].中国矿业大学学报，2005，34（4）.
[4]马念杰，等.煤巷锚杆新技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2006.
[5]朱永建.煤巷顶板锚杆支护危险性评价研究[J].煤矿安全，2006（1）.
[6]寇德瑞，李亮.大断面煤层巷道锚杆支护技术应用研究[J].科技情報开发与经济，2010，20（30）.
关键词：锚杆-锚索联合支护；失效原因；分析
中图分类号：U455.7+1
1 引言
煤矿巷道的锚杆支护，具有劳动强度低、支护效果好和成本低的特点，因此被广泛使用。但是，当前仍有不少人对锚杆-锚索联合支护作用机理的认识不清，尤其是煤巷施工，锚杆-锚索联合支护的设计思想与支护方法存在着不协调的矛盾。多数人认为，锚杆与锚索的“悬吊理论”，将顶板松动区岩石通过锚索悬吊于深部稳定岩层上，从而达到支护效果。实际中并非如此，顶板离层过大，锚索还未发挥效能就产生了破断，使锚杆-锚索联合支护形同虚设，其实并没有充分发挥锚索的工程特性作用。
2 锚杆-锚索联合支护机理
锚杆-锚索联合支护，主要是以锚杆支护作为及时支护和加固巷道周围浅部围岩，从而提高围岩的整体承载能力和自身稳定性。同时，通过预应力锚索作用，一是提高锚杆支护体的支护强度，使围岩变形破坏得到控制；二是围岩的破坏范围超过锚杆的锚固长度时，通过预应力锚索的悬吊作用，将顶板松动的岩石悬吊在深部稳定的岩层中，防止顶板失控冒落。同时安装锚杆和预应力锚索时，锚杆与预应力锚索对围岩起到相同的加固作用，增强了锚岩支护体的承载能力，避免围岩发生破坏。软岩和破碎顶板巷道中，围岩的变形量很大，在巷道开挖初期进行支护时，主要靠锚杆的柔性支护，后期则是发挥了锚索的悬吊作用。锚杆和锚索并没有同时加强支护，只是相互取长补短，这样改善了巷道锚杆支护的整体支护性能，实现了控制围岩大变形的作用。
3 支护失效原因分析
为弄清锚杆-锚索联合支护失效的原因，将联合支护这一整体进行分解，先对锚杆的失效进行分析，再分析联合支护失效的原因。
1）锚杆失效原因。许多专家学者运用各种方法对大量煤巷顶板锚杆支护失败的案例进行了分析，得出了导致锚杆支护失败的根本原因：①施工管理水平差。技术力量薄弱、管理人员轻视、施工管理制度不完善及责任心不强等，会直接导致产生安全隐患。②设计不合理。分支护型式和支护参数不合理。前者由于围岩分类错误、地质调查不全面、支护对象不明确、支护方法不正确及支护不及时。后者是由锚杆排列方向顺序不正确、锚杆长度不够、锚杆间排距不合理及“三径”不匹配导致的。③监测效果差。如在监测管理制度不健全，监测人员没有经过培训，监测仪器落后且性能不可靠，加上责任心不强等。监测不到位等问题，留下了安全隐患。④锚杆质量不合格。分杆体质量和配套机具不合格。前者主要是材料强度不够，抗拉强度达不到设计要求；锚杆结构形式不合理，需要使用粗尾锚杆的却用普通锚杆，导致锚杆过早破断；锚杆材料力学性能不好。较软煤壁上该使用玻璃钢锚杆支护，却使用了木锚杆；锚杆质量差。而配套机具不合格主要有树枝药卷失效、托盘螺母不配套、掘锚机质量性能差等。
2）联合支护失效原因。锚杆—锚索联合支护失效的主要原因是在围岩变形过程中，锚索尚未发生作用就产生破断，这与锚索的低延伸率和抗拉强度有关。锚索力学指标在实际应用中与实验设计结果相差太远，尤其是预应力锚索的承载能力和延伸率并不能达到钢绞线力学性能的指标。
①预应力锚索工程特性。使用预应力锚索配合锚杆对煤巷进行支护时，应用到两个重要指标—锚索的承载能力（或破断力Fms）和锚索的延伸量Δl。当前，锚索的支护与设计没有技术规范可循，实际设计时大多应用悬吊理论进行并检验。因此，仅考虑锚索的破断力这一指标却忽视了锚索延伸量。其实锚索的延伸量也是关键的技术指标，它反映了锚索对巷道围岩变形的适应程度。在多数围岩条件尤其是软弱围岩条件下，锚索的延伸量指标在设计中应放在第一位，其次才考虑锚索的承载能力。国家标准中，规定预应筋钢绞线与锚具组装件的静载锚固性能必须同时满足以下两项标准：ηa≥0.95，εapu≥2.0%；对于使用1×7结构的1860MPa级别钢绞线，以上两项条件可写成：Fapu≥245.19KN，εapu≥2.0%。根据以上分析，煤巷支护条件下预应力锚索的锚固性能需要满足下列两项要求：Fms≥221KN，εms≥1.8%。
这里两项要求仅是对锚索在巷道支护中正常使用应该达到的锚固参数，并非锚索支护设计需要的条件。因为εms不是锚索实际允许围岩变形的延伸率，而是锚索破断时的延伸率。能够被实际工程所利用的锚索延伸率（延伸量）与安装锚索时所给的预紧力有很大的关系，对1×7结构级别钢绞线预应力锚索，可利用的延伸率为：εl=（1.8-Fy/A）%，式中Fy为锚索预紧力（kN）；A为锚索钢绞线的刚度系数（kN，取221）。
如在煤巷支护实际工程中，安装锚索的预紧力为100kN，可利用于适应巷道围岩变形的延伸率为：εl=（1.8-100/221）%=1.35%。显然，煤巷支护中锚索可利用的延伸率非常小，仅为钢绞线国标要求的38.6%。锚索延伸率的指标在实际工程中应用不直观，所以常使用锚索延伸量这一指标。
从上得到预应力锚索的两个重要的工程指标： Fms≥221KN，Δl≥（1.8-Fy/221）%×L，式中：Δl为锚索工程延伸量；L为锚索自由段长度。根据此时，可在设计时考虑延伸量在锚索适应围岩变形情况。一般安装锚索时预紧力越小，其工程延伸量就越大。因为钢绞线的松弛特性，预紧后有一定的载荷松弛，预紧力过小可能造成锚具的滑移和卸载。
②失效原因。锚杆-锚索联合支护失效的主要原因是设计与实际不匹配。主要原因：虽然锚固剂锚固强度符合要求，但每根钢绞线的锚固程度不一，导致了锚索整体受力不均，支护失败；施工时使用的锚索比实验室使用的长很多，按照实验室指标安装时，由于钢绞线长度大使其松弛性增大，导致预紧时在孔口位置处造成每根钢筋受力不均；巷道围岩上的孔口处岩壁与钻孔轴线不垂直也引起每根钢绞线受力不均，造成钢绞线在未达到抗拉强度时，使各条钢筋逐根破断；巷道有动载影响时，巷道围岩的变形破坏活动使锚索受到波动的载荷影响而破断。
从以上看出，预应力锚索破断的主要原因是钢绞线各股钢筋受力不均，也就是单根钢绞线已经破断时，部分钢筋未达到屈服极限。因此，第一股破断的钢绞线延伸率通常决定了锚索自由段的延伸率。显然，设计锚索支护时按钢绞线钢材延伸率考虑是片面的。另外，锚杆的间排距、锚杆力学性能的参数选择，可在理论计算后采用数字模拟进行检验，观察巷道围岩的应力集中区域，找出易冒顶板进行加强支护。同时，三径匹配上也要仔细选择合理配置。煤矿支护应遵循科学的方法，要提高隐患排查意识，保障既能满足生产的安全，又能避免支护材料的浪费。
4 结束语
根据分析，锚索尚未发生作用就产生破断是锚杆-锚索联合支护失效的主要原因。避免措施：提高锚索的力学特性和改善支护工艺。提高力学特性主要是提高锚杆的承载能力，并采用悬吊原理对锚索的承载能力进行检验。而改善支护工艺主要是使锚索适应围岩的变形。
参考文献
[1]马念杰，等.锚杆三径的合理匹配[J].中国煤炭，1998，24（1）.
[2]贺礼雄.高应力大断面煤巷锚网（索）支护技术[J].煤矿安全，2004（8）.
[3]赵庆彪.煤巷锚杆-锚索支护互补原理及其设计方法[J].中国矿业大学学报，2005，34（4）.
[4]马念杰，等.煤巷锚杆新技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2006.
[5]朱永建.煤巷顶板锚杆支护危险性评价研究[J].煤矿安全，2006（1）.
[6]寇德瑞，李亮.大断面煤层巷道锚杆支护技术应用研究[J].科技情報开发与经济，2010，20（30）.