基于锚固力学载荷传递机理的螺纹钢锚杆设计与工程实践

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创新点

锚固力学载荷传递机理表明，螺纹是锚杆支护的承载者，并且锚杆的锚固性能与螺纹参数有着密切的关联。

阐明了锚杆的肋间距对锚固性能的影响和作用。

针对深部开采围岩的变形特征，研发出了一种新型螺纹钢锚杆，这种锚杆适用于大变形围岩。它通过对螺纹进行优化，改变了锚固段的破坏模式，提升了锚固段的峰后残余强度，并且增加了锚固段的吸能能力，从而有效提高了对大变形围岩体的控制能力。

适用于围岩大变形的螺纹钢锚杆设计及工程实践

作者有韩军、王鑫、马双文、张明以及 CAO Chen 和 REN Ting 。其中韩军、王鑫、马双文、张明为 1、2 相关，CAO Chen 和 REN Ting 为 1、3 相关。

辽宁工程技术大学的矿业学院；辽宁省煤炭资源安全开采与洁净利用工程研究中心；澳大利亚伍伦贡大学的土木、采矿与环境学院

背 景

锚杆支护具有岩层控制效果好以及成本低等特点，目前已在我国地下煤矿巷道支护中得到大规模应用，并且是目前巷道围岩主要的岩石控制手段。经统计，我国煤矿地下巷道每年会安装超过 1.7 亿根螺纹钢锚杆，它是人员和设备安全以及整个采矿作业的最终保障。

进入深部开采后，对于高地应力、强采动扰动、巷道围岩大变形以及围岩软化破碎等状况，国内外学者研发出了多种锚网支护技术和支护材料。在基础理论研究方面，LI 指出，在高地应力的环境下，应当提升锚杆的承载能力，以适应围岩较大的变形，并且在支护结构遭到破坏之前，尽量吸收更多的能量。在支护材料领域，研发出了能够加长的锚杆以及让压锚杆等新型深部巷道支护材料；康红普院士团队着重指出，在高地应力以及深部巷道围岩大变形的支护过程中，要使用高强锚杆、锚索、拱形棚、高强度钢网和高预紧力；何满潮院士团队研发了适用于软岩巷道和复杂地质条件的支护新材料恒阻大变形锚杆，这种锚杆极大地提升了锚固系统的吸能能力。

在巷道支护设计领域，多种支护元素进行联合支护以及耦合技术有了很大的进步。比如有锚索或锚杆进行优化布置，并且加上全长注浆以及提高预紧力的方案，还有软岩巷道全断面可缩性的支护方案等。在高地应力区域允许围岩有一定的初始变形。

上述研究给深部巷道在新地质条件下的锚杆支护提供了新理论、新材料以及新技术等。不过，螺纹钢锚杆作为锚网支护最基本的支护元素，在深部资源开采巷道围岩大变形方面，很少有对其进行优化的情况。锚固力学载荷传递基础理论表明，螺纹钢的螺纹承担着锚杆与周围介质载荷的传递。它与周围介质的相互作用对锚固性能至关重要。因此，对于深部巷道围岩大变形条件下的螺纹进行优化设计具有重要的研究意义。并且，螺纹设计优化不会增加支护成本，也不会改变支护设备及工艺，是一种易于推广且容易见到成效的技术革新。

摘 要

矿用锚杆在 20 世纪 90 年代开始大规模应用。目前，其螺纹几何参数仍与土木行业钢筋的相同。钢筋螺纹是为地面无地应力且支护体变形控制在弹性阶段的钢混结构而设计的。随着深部资源开采的推进，地下巷道出现了围岩大变形的情况。原基于地面建筑的钢筋螺纹几何参数需要针对高地应力、软岩大变形等地质条件进行优化。

基于锚固力学载荷传递机理，可知螺纹钢螺纹是锚杆支护的承载者，且锚杆锚固性能与螺纹几何参数有着密切关联。通过对锚固段破坏方式的分析，可将锚固段破坏分为平行剪切破坏和剪涨滑移破坏这两种类型。进一步对这 2 种破坏过程进行分析，能阐明螺纹几何参数（包含杆体直径、螺纹上升角、肋宽、肋坡角、肋高、肋间距）对锚固性能所产生的影响和作用。

针对深部资源开采这一情况，要综合考虑巷道围岩的变形控制以及离层控制。研发出了一种新型螺纹钢锚杆，它适用于围岩大变形。这种设计通过对螺纹进行几何优化，提升了锚固段的峰后残余强度。同时，通过增加锚固段的吸能能力，有效地提高了大变形围岩体的岩层控制能力。

新螺纹钢锚杆进行了实验室锚固力测试以及现场拉拔试验。结果表明，围岩大变形锚杆的平均拉拔力峰值比矿用左旋锚杆提升了 13%和 16%。从能量吸收方面来看，新锚杆在实验室的平均吸能比左旋锚杆提高了 15%，在现场的平均吸能比左旋锚杆提高了 55%。这表明围岩大变形锚杆的锚固性能要优于矿用的左旋锚杆。

对新设计锚杆进行了工业试验。在深部回采巷道设计并安装了 3 种锚网支护方式。通过对比分析断面收敛量等情况。通过对比分析顶板离层量等情况。通过对比分析杆力等情况。通过对比分析锚杆宏观破断失效方式等。进一步验证了新设计的围岩大变形锚杆支护有利于深部巷道的岩层控制。

图 片

我国煤矿常用锚杆

螺纹重要几何参数

平行剪切破坏和剪涨滑移破坏

锥形结构剪涨滑移阻力

围岩大变形锚杆示意

室内和现场拉拔试验曲线

锚杆支护参数示意

监测断面位置示意

顶板下沉量变化曲线

顶板和巷帮锚杆受力变化曲线

作者简介

韩军为男性，出生于 1980 年 5 月 6 日，籍贯是内蒙古临河。他是辽宁工程技术大学的教授，同时也是博士生导师，并且还是辽宁省特聘教授。他兼任中国煤炭工业安全科学技术学会顶板防治委员会副主任委员以及中国煤炭学会青年工作委员会副主任委员等职务。他曾获得省部级科技进步奖 20 余项，发表的学术论文有 110 余篇。他还获得过辽宁青年科技奖和煤炭青年科技奖。

研究方向

岩层控制与矿井动力灾害防治

主要成果

专注于煤矿巷道围岩的控制以及冲击地压的研究。从锚固力学的载荷传递机理出发，构建出了锚杆结构设计的全新方法；研制出了适用于深部大变形围岩环境的新型螺纹钢锚杆支护技术与材料；提出了巷道冲击地压的卸载滑脱机理以及对应的巷道支护方式。这些研究成果为深部资源能够安全且高效地开采提供了重要的保障。