超前小导管支护技术中一些问题的探讨
2018-10-15 10:38
1.锚固力与超前小导管拉拔力
1.1 定义
锚固力指超前小导管对围岩产生的约束力[2-4][注1-3]。可细分为超前小导管工作时的锚固力和设计锚固力,超前小导管工作时锚固力包括初锚力和正常工作时的锚固力。通常说的锚固力指超前小导管正常工作时的锚固力。
拉拔力也称抗拉拔力或抗拔力,指阻止超前小导管从岩体中拔出的力[2-4] [注1-3]。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,其值应大于超前小导管破断力。检测拉拔力用于超前小导管施工质量检测,其值应不小于设计锚固力。
1.2 锚固力与超前小导管拉拔力区别
①锚固力是超前小导管对围岩产生的约束力,是限制围岩变形,起支护作用的力。超前小导管拉拔力是超前小导管锚固后拉拔实验时,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,超前小导管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。超前小导管拉拔力是一个固定值,不随围岩变形和超前小导管受力而改变。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超前小导管螺母和托盘之间的超前小导管测力计,一般在超前小导管安装时把超前小导管测力计安好。检测锚固力是为了监测超前小导管受力状况,需要进行长期观测。超前小导管拉拔力检测使用超前小导管拉力计,检测可以在超前小导管安装完成后任何时候进行,检测超前小导管拉拔力是为了查验超前小导管杆体、锚固剂、岩石粘结效果。在施工中,检测超前小导管拉拔力时,一般只要达到设计锚固力即可;在做破坏性检测时,则要求超前小导管被拉断或超前小导管被拉出才终止。
④检查超前小导管施工质量时,一般检查超前小导管拉拔力。监测分析超前小导管工作情况时,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,必须保证超前小导管拉拔力大于杆体破断力这一基本原则,即超前小导管杆体受力超过其破断力后,超前小导管可能被拉断,但超前小导管不能被拉出。常见错误是设计的超前小导管拉拔力小于杆体破断力。
⑤施工、设计中锚固力与超前小导管拉拔力经常混淆、混用。二者混淆原因一方面是由于一些标准、教课书说法不一,造成混乱;另一方面对二者内涵认识理解有误,辨识不清。
 
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2.预紧力和预紧力矩
2.1 定义
预紧力也称初锚力,在安装超前小导管(锚索)时,通过拧紧螺母或采用张拉方法施加在超前小导管(锚索)上的拉力,单位kN。预紧力矩是拧紧螺母使超前小导管达到设计预紧力时,施加到螺母上的力矩,单位N·m。
2.2 预紧力和预紧力矩关系
①二者有定性的关系,通常预紧力矩越大,预紧力越大,但非线性关系。
②预紧力是力,是施加在超前小导管(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N·m。
③二者测量仪器不同。预紧力可以通过安装在超前小导管托盘与螺母间的超前小导管测力计观测;预紧力矩可以通过数字显示或带有刻度显示的超前小导管扭力扳手观测。
④超前小导管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超前小导管的预紧力的目的。因此,超前小导管安装时通常检测预紧力矩,而不检测预紧力。
⑤增大超前小导管预紧力方法可以从两方面入手,一是提供足够大的原动力,二是上紧螺母。
 
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3.3 预紧力的作用及要求
①预紧力能够发挥超前小导管主动支护作用,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。
②试验证明,如果顶板围岩有整体离层冒落的趋势时,只有预紧力大于潜在冒落围岩重量时,才能阻止围岩离层趋势的出现和继续发展,才能发挥超前小导管主动支护作用。
③超前小导管预紧力矩越大越好。由于受超前小导管施工机具限制,手动超前小导管安装机具预紧力在100~200N·m,产生初锚力可达到10~20kN;机载超前小导管机具预紧力可达200~300N·m,产生初锚力可达30 kN。例如,一根长度2.4m的超前小导管,间排距为800×800(mm)时,单根超前小导管支护围岩重量约3.5t。由于受到超前小导管安装工艺、施工机具的限制,35 kN的预紧力较难达到。所以定性说:超前小导管预紧力矩越大越好,以获得较大的预紧力。
④只有达到一定的预紧力后,超前小导管才能发挥主动支护的作用,形成组合梁、组合板结构。随着新的施工机具出现,预紧力将会逐渐增大,合适的预紧力范围为:下限大于支护的围岩重量,上限为超前小导管屈服强度的70%。
⑤现场常见问题:一是预紧力偏低,甚至为零,发挥不了超前小导管主动支护作用;二是预紧力大小相差悬殊,造成超前小导管受力不均。使用机械快速安装工艺,可避免上述问题的发生。

 
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4.超前小导管设计问题
超前小导管设计时,一般是采用悬吊理论来计算超前小导管的直径,这种设计理念在矿压小、围岩运动方向与超前小导管平行的条件下适用,但在高应力、围岩运动方向与超前小导管方向不一致时则受到限制。例如,一些高应力巷道整修时发现,一些超前小导管被挤压变形成为类似汽车摇把“ ”型,平行于超前小导管的观测钻孔发生错位等现象。这些现象说明,超前小导管的受力方向非常复杂,既有沿超前小导管轴向的力,也有与超前小导管方向垂直或成一定角度的剪切应力,因此选择超前小导管强度时必须综合各方面因素,不仅要考虑超前小导管拉伸强度,还要考虑剪切强度,特别是高应力条件下,如果只考虑超前小导管拉伸强度,所选的超前小导管直径必然偏小,强度偏低,造成支护失败。
根据多年超前小导管支护实践经验和对超前小导管支护机理的研究分析,获得超前小导管支护设计理念为:Ⅰ、Ⅱ类围岩巷道条件,压力小时,应用悬吊理论指导设计施工;Ⅲ、Ⅳ类围岩巷道条件,压力中等时,应用组合梁、组合拱理论指导设计施工;Ⅴ类围岩巷道条件,压力大时,应用围岩强化理论指导设计施工。

 
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5.超前小导管制作和检测中存在的问题
5.1 超前小导管螺纹段强度低
标准MT146.2-2002规定:超前小导管尾部螺纹承载力不低于杆体的屈服强度,杆体延伸率不低于15%。以直径20mm、长2200mm超前小导管为例,超前小导管检测数据如下表所示:
从表中可以看出,超前小导管各项检测指标均符合MT146.2-2002标准,检测结果超前小导管各参数均合格,检测结论“超前小导管合格”。但在现场监测发现,超前小导管受力达到130kN时,许多超前小导管从螺纹处断裂,此时围岩变形量不超过100mm,远远小于超前小导管延伸率30%的许可变形量,且超前小导管受力远小于其破断力,出现了“合格超前小导管”不合格的问题。为什么“合格超前小导管”不能适应巷道变形?通过试验室超前小导管拉伸试验,当超前小导管受力130kN时,杆体延伸率仅仅2%,再增大载荷,超前小导管将从螺纹段断裂,因此所谓杆体延伸率30%不是代表整套超前小导管的延伸率,整根超前小导管延伸率应该只有2%。要想达到整根超前小导管30%的延伸率,必须增大超前小导管螺纹段强度,使超前小导管各处强度相等。一根合格的超前小导管在受力后,应经过如下过程:围岩变形→超前小导管受力后被拉伸→围岩中积聚的能量随围岩变形而释放→围岩变形量达到一定程度后→超前小导管变形量超过其容许量——超前小导管受力达到破断强度而断裂——支护失效。如果超前小导管制作有缺陷,存在弱面、螺纹段强度低等问题,在围岩发生轻微变形时,超前小导管因螺纹段(弱面)先达到破断极限而断裂,此时超前小导管延伸量非常小,超前小导管不能经过“超前小导管拉伸→围岩应力释放、卸压” 的过程,而是在受力后,超前小导管迅速被拉断,失去对围岩的支护作用。因此超前小导管尾部螺纹承载力不应低于杆体的破断强度的95%,在做超前小导管延伸率检测时,包括螺纹段在内的整个超前小导管杆体延伸率应不低于15%,这样杆体强度和延伸率两项检测指标才合格,超前小导管才能适应高应力、大变形围岩支护需要。
5.2 超前小导管配件强度低
超前小导管制作时,常出超前小导管配件强度低的问题。表现为,在高应力巷道,超前小导管受力后出现螺母穿透托盘、超前小导管螺母滑丝、螺母被压裂等问题。因此,在超前小导管制作时,做到超前小导管配件强度高于杆体强度。
5.3 超前小导管制作、检测要求
随着对超前小导管支护认识的深入和超前小导管制作工艺水平的提高,超前小导管检测标准亟待完善:
①合格超前小导管必须综合考虑超前小导管各部位、部件后综合做结论,不能分割开来,否则超前小导管检测时将出现各分项都合格,而综合结果却不合格问题;
②检测标准中超前小导管配件需要从不低于屈服强度提高到不低于杆体实际的破断强度。
如果不能满足上面两方面要求,在高应力大变形围岩条件下,超前小导管支护不能发挥应有的作用,起不到让压、卸压作用,满足不了工程需要,将存在极大隐患。因此在高应力条件必须使用等强超前小导管,高度重视超前小导管制作质量,才能充分发挥超前小导管的支护作用。

 
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6.结论
超前小导管支护技术在过去的几十年中,经过不断发展、完善,应用范围不断扩大,已经成为矿山支护的主要技术手段。随着对超前小导管支护机理的深入研究、施工工艺、施工设备的改善和新材料的应用,超前小导管支护理论将不断更新,超前小导管制作、检测标准将不断提高,以适应更加复杂了矿山条件。
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