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锚杆支护相关的几个力的概念

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N·m.
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:
①检查拉力计内工作台液压力表油管接头情况;
②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;
③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;
④将油管连接到千斤顶上;
⑤旋紧开关旋扭;
⑥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25~40mm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150~200mm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=k·T·d,其中M为预紧扭矩,N·m;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N·m.
(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;用心专注,服务专业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。

4.1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。
(2)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以得以消除。
(3)高预紧力锚杆旨在建立预应力顶板,预应力顶板的存在在一定程度上保护着顶板使其免受水平应力的破坏,使顶板岩层处于横向压缩的状态,以克服高水平应力对顶板稳定性的影响。
(4)预应力结构的形成是有条件的,锚杆预紧力是关键。在水平应力大的条件下,锚杆的作用在于给顶板及时提供很高的预应力以形成预应力顶板,形成一个压力自撑结构。
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