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创新点
（1）基于锚固力学载荷传递机理，明确螺纹是锚杆支护承载者，锚杆锚固性能与螺纹参数密切相关。
（2）阐明了锚杆直径、螺纹上升角、肋宽、肋坡角、肋高、肋间距等螺纹参数对锚固性能的影响和作用。
（3）针对深部开采围岩变形特征，研发了一种适用于大变形围岩的新型螺纹钢锚杆，通过螺纹优化改变锚固段破坏模式，提高锚固段的峰后残余强度，增加了锚固段吸能能力，有效提高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：韩军1,2，王鑫1,2，马双文1，张明1，CAO Chen1,3，REN Ting3
单位：1. 辽宁工程技术大学 矿业学院；2. 辽宁省煤炭资源安全开采与洁净利用工程研究中心；3. 澳大利亚伍伦贡大学 土木、采矿与环境学院
背 景
锚杆支护由于岩层控制效果好、成本低等特点已在我国地下煤矿巷道支护大规模应用，是目前巷道围岩主要的岩石控制手段。据统计，我国煤矿地下巷道每年安装螺纹钢锚杆超过 1.7亿根，是人员和设备安全及整个采矿作业的最终保障。
进入深部开采后，针对高地应力、强采动扰动、巷道围岩大变形、围岩软化破碎等情况，国内外学者研发了多种锚网支护技术和支护材料。在基础理论研究领域，LI提出，在高地应力条件下，应提高锚杆的承载能力，适应围岩大的变形，在支护结构破坏前尽量吸收较多能量。在支护材料方面，研发了可加长锚杆、让压锚杆等新深部巷道支护材料；康红普院士团队强调在高地应力和深部巷道围岩大变形支护中，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软岩巷道和复杂地质条件的支护新材料恒阻大变形锚杆，极大地提高了锚固系统的吸能能力。
在巷道支护设计方面，多种支护元素联合支护与耦合技术取得了长足进展，例如锚索/锚杆优化布置加全长注浆加高预紧力的方案及软岩巷道全断面可缩性支护方案等。新支护材料的引入也为巷道支护工程提供了更丰富的手段，例如使用泡沫混凝土回填、可伸缩U型钢棚架、预应力锚索等控制深部软岩巷道底臌，以及采用加长锚杆＋刚性螺纹钢锚杆＋喷射混凝土支护围岩大变形巷道，并在高地应力区域允许围岩有一定的初始变形。
上述研究为深部巷道新的地质条件下锚杆支护提供了新理论、新材料、新技术等。然而，作为锚网支护最基本的支护元素，即螺纹钢锚杆本身，鲜有针对深部资源开采巷道围岩大变形进行优化。锚固力学载荷传递基础理论显示，螺纹钢的螺纹是锚杆与周围介质载荷传递的承担者，它与周围介质的相互作用是锚固性能的关键，所以，针对深部巷道围岩大变形条件下螺纹优化设计具有重要研究意义；而且，螺纹设计优化不增加支护成本，不改变支护设备及工艺，是易推广、易见成效的技术革新。
摘 要
矿用锚杆自20世纪90年代已开始大规模应用，但目前其螺纹几何参数仍与土木行业钢筋相同。钢筋螺纹是针对地面无地应力、且支护体变形控制在弹性阶段的钢混结构而设计，随着深部资源开采进展，地下巷道出现围岩大变形，原基于地面建筑的钢筋螺纹几何参数需针对高地应力、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，明确螺纹钢螺纹是锚杆支护承载者，锚杆锚固性能与螺纹几何参数密切相关；通过分析锚固段的破坏方式，将锚固段破坏分为平行剪切破坏和剪涨滑移破坏；进一步通过分析2种破坏过程，阐明了螺纹几何参数(包括杆体直径、螺纹上升角、肋宽、肋坡角、肋高、肋间距)对锚固性能的影响和作用。
针对深部资源开采，综合考虑巷道围岩的变形控制及离层控制，研发了一种适用于围岩大变形的新型螺纹钢锚杆，该设计通过螺纹几何优化提高了锚固段的峰后残余强度，通过增加锚固段吸能能力有效提高大变形围岩体的岩层控制能力。
对新螺纹钢锚杆进行了实验室锚固力测试和现场拉拔试验，结果显示，围岩大变形锚杆平均拉拔力峰值比矿用左旋锚杆分别提高了13%和16%；从能量吸收的角度，新锚杆在实验室和现场的平均吸能较左旋锚杆提高了15%和55%，表明围岩大变形锚杆的锚固性能优于矿用的左旋锚杆。
进一步对新设计锚杆进行了工业试验，在深部回采巷道设计安装了3种锚网支护方式，通过对比分析断面收敛量、顶板离层量、杆力及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更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，男，1980年5月6日生，内蒙古临河人，辽宁工程技术大学教授，博士生导师，辽宁省特聘教授。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、中国煤炭学会青年工作委员会副主任委员等。获省部级科技进步奖20余项，发表学术论文110余篇。获辽宁青年科技奖、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
致力于煤矿巷道围岩控制和冲击地压研究。基于锚固力学载荷传递机理形成了锚杆结构设计的新方法；研发了适合于深部大变形围岩条件下的新型螺纹钢锚杆支护技术和材料；提出了巷道冲击地压的卸载滑脱机理和相应的巷道支护方法。研究成果为深部资源安全高效开采提供了重要支撑。
来源：
韩军，王鑫，马双文，等．适用于围岩大变形的螺纹钢锚杆设计及工程实践[J]．煤炭学报，2021,46(12)：3745-3755．
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来源：全国能源信息平台
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