锚杆支护设计中“三径”匹配对支护质量的影响

锚杆支护设计中“三径”匹配对支护质量的影响

浦仕锐

贵州水城矿业股份有限公司

摘要：锚杆支护是煤矿巷道支护最常用的主动支护方式，虽然发展数十年，但目前没有公认，大众接受且通用的支护设计理论。目前，公司在锚杆支护设计过程中，基本只计算长度，未研究“三径”匹配问题。本文就钻孔直径、锚固剂直径、锚杆直径是否匹配对支护质量产生的影响进行了理论研究，并论证了“三径”匹配对锚杆支护质量的影响，对锚杆支护设计、施工起到积极指导作用，具有实践价值。

关键词：煤矿巷道 锚杆支护设计 “三径”匹配 质量影响 注意事项

1 概述

锚杆支护设计“三径”匹配指锚杆杆体直径、树脂锚固剂药卷直径、钻孔直径的匹配。目前，锚杆支护设计时，我们常常仅重视围岩松动圈、锚杆直径、锚杆间排距、锚杆长度、托板强度等重要参数，而对其他参数研究较少，比如材料本身各种参数、钻孔直径、锚固剂直径等。“三径”不匹配对支护质量的影响不容忽视，轻则支护质量下降，支护质量不可靠，重则导致质量事故，安全事故。

2 锚固力与“三径”的关系

2.1 与锚杆直径的关系

根据国家标准《煤矿巷道锚杆支护技术规范》（GBT35056-2018）要求，锚杆设计锚固力达到锚杆屈服力的标准值，锚固力，由此可见，设计锚固力与锚杆直径的平方成正相关。

2.2 与锚固剂直径的关系

根据，结合现场生产情况，为便于研究，假定使用的锚固剂长度等于锚固长度（下同），即：。钻孔直径和锚杆直径不变时，锚固力，由此可见，设计锚固力与锚固剂直径的平方成负相关。

2.3 与钻孔直径的关系

锚杆直径和锚固剂直径不变时，锚固力，由此见，设计锚固力与钻孔直径的平方成正相关。

3 “三径”不匹配对支护质量的影响

3.1锚杆直径对支护质量的影响

根据锚杆设计锚固力达到锚杆屈服力的标准值，锚固力，由此可见，材料强度不变时，锚杆直径越大，设计锚固力越大，与锚杆直径的平方成正相关。若材料屈服强度不变，要提高锚杆的悬吊能力和抗破断能力，确保支护安全可靠，则必须设计较大直径的锚杆。反之，选用屈服强度等级高的材料，单位直径的承载能力更大，即单位直径的锚杆有更大的悬吊能力，有更大的抗破断能力，支护更安全可靠。

3.2锚固剂直径对支护质量的影响

根据锚固力，，由此可见，锚固力一定时（锚杆直径固定）：钻孔直径和锚杆直径不变，锚固剂直径固定；钻孔直径增大，锚杆直径不变，则锚固剂直径增大，反之锚固剂直径减小。也就是说，锚固力一定时，钻孔直径和锚固剂直径需要同增或同减。如果锚固剂直径小于设计，则锚固长度短，导致锚固力不足，如果锚固剂直径大于设计直径，理论上锚固长度长且大于设计锚固长度，但不便于施工，且存在浪费材料，锚不到位，外露超长导致锚杆不合格等情况。

3.3钻孔直径对支护质量的影响

根据锚固力，，由此可见，锚固力一定时（锚杆直径固定）：钻孔直径和锚杆直径不变，锚固剂直径固定；钻孔直径增大，锚杆直径不变，则锚固剂直径增大，反之锚固剂直径减小。也就是说，锚固力一定时，钻孔直径和锚固剂直径需要同增或同减。如果钻孔直径大于设计直径，则锚固剂可充填长度（锚固长度）小于设计锚固长度，锚固力达不到设计值，要达到设计值，则需要充填更多锚固剂，存在搅拌不均匀，锚固质量差，且浪费材料情况；如果钻孔直径小于设计直径，则锚固剂可充填长度（锚固长度）大于设计锚固长度，理论上锚固长度长且大于设计锚固长度，但不便于施工，且存在浪费材料，锚不到位，外露超长导致锚杆不合格等情况。

4 “三径”匹配优化设计

4.1 杆体直径已知时

由于采购的支护材料直径固定（以水矿控股锚杆为例，直径20mm，屈服强度335MPa，下同），设计时重点研究材料强度、钻孔直径、锚固剂直径。

4.1.1 设计选用高强度材料

根据可知，相同直径的锚杆，杆体承载能力与杆体材料的屈服强度成正比，即需要较大承载力时，杆体直径不变，选用较大屈服强度的杆体材料。

4.1.2 施工合适直径钻孔

根据，可知锚固力需考虑锚固剂与孔壁、锚固剂与杆体的粘结强度，设计时取小值。

a当单位面积锚固剂与孔壁的粘结强度小于与杆体的粘结强度时，锚固力以锚固剂与孔壁的粘结强度计算，且要大于等于按锚固剂与杆体的粘结强度时计算的值，即可知，，在杆体直径不变，单位面积锚固剂与孔壁粘结强度小于锚固剂与杆体的粘结强度，锚固力、杆体直径、锚固剂直径一定，要得到同等大小的锚固力，或更大的锚固力就需要设计较小的钻孔。

b当单位面积锚固剂与孔壁的粘结强度大于与杆体的粘结强度时，锚固力以锚固剂与杆体的粘结强度计算，，即可知，，在杆体直径不变，单位面积锚固剂与孔壁粘结强度小于锚固剂与杆体的粘结强度，锚固力、杆体直径、锚固剂直径一定，要得到同等大小的锚固力，或更大的锚固力就需要设计较小的钻孔。

4.1.3 制造合适直径的锚固剂

根据，以杆体直径20mm，屈服强度为335MPa的右旋螺纹钢锚杆为列。

a当单位面积锚固剂与孔壁的粘结强度小于与杆体的粘结强度

，代入数值可知，当杆体直径、钻孔直径一定，如锚固力一定，则锚固剂直径一定，要得到同等大小的锚固力，或更大的锚固力就需要设计较大的锚固剂直径以增加锚固长度达到提高锚固力。

b当单位面积锚固剂与孔壁的粘结强度大于与杆体的粘结强度，锚固长度一定时：

，代入数值可知，当杆体直径、钻孔直径一定，如锚固力一定，则锚固剂直径一定，要得到同等大小的锚固力，或更大的锚固力就需要设计较大的锚固剂直径以增加锚固长度达到提高锚固力。

4.2 固定锚固剂和杆体直径时

根据，由于锚固剂直径，杆体直径固定，当钻孔直径增加，则锚固剂填充长度（锚固长度）减小，锚固力减小，要得到较大锚固力，需要减小钻孔直径以获得更大锚固长度，提高锚固力。

4.3 固定钻孔直径和杆体直径时

根据，由于钻孔直径，杆体直径固定，当锚固剂直径增加，则锚固剂填充长度（锚固长度）增加，锚固力增加。

5 设计注意事项

5.1钻孔直径大，锚杆直径小，要达到一定锚固力就需要设计较大直径锚固剂填充大的间隙，存在锚固剂浪费，若锚固剂直径小，锚固长度不足，锚固力下降，同时施工较大直径钻孔工作量大，效率相对低。

5.2锚杆直径大，需要设计锚固力大，粘结强度、锚固长度一定时，需要施工更大的钻孔，使用更多锚固剂，材料浪费多，且增加了职工劳动强度，反之达不到预期支护强度。

5.3锚固剂直径大，锚杆直径小，需要施工较大钻孔以适应锚固剂，施工较大直径钻孔工作量大，效率相对低，且使用较大直径锚固剂，存在材料浪费；若钻孔较小，存在锚不到位，锚杆外露超长导致锚杆不合格情况。

5.4理论上“三径”没有“绝对值”，相互影响。“三径”匹配需要通过理论联系实践，充分平衡现场施工、材料成本、预期锚固质量等进行设计，并通过现场施工、试验数据进行优化。