錨桿全長(zhǎng)錨固支護(hù)研究與實(shí)踐

1、大淑村礦錨桿全長(zhǎng)錨固支護(hù)研究與實(shí)踐王 爭(zhēng)（冀中能源峰峰集團(tuán)有限責(zé)任公司 大淑村礦，河北 武安056300 ）摘要：為解決傳統(tǒng)錨桿支護(hù)在巷道復(fù)雜條件下存在的問(wèn)題，從理論上分析了不同錨固方式支護(hù)對(duì)巷道的影響，得出了全長(zhǎng)錨固在巷道實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)，即能夠增強(qiáng)錨桿對(duì)圍巖錯(cuò)動(dòng)及離層的控制。通過(guò)在大淑村礦的井下實(shí)踐，證明了錨桿全長(zhǎng)錨固支護(hù)方式優(yōu)于傳統(tǒng)端錨支護(hù)，能有效控制圍巖變形，支護(hù)效果良好。關(guān)鍵詞：錨桿支護(hù)；全長(zhǎng)錨固；強(qiáng)力支護(hù)。目前錨桿支護(hù)技術(shù)在軟巖巷道支護(hù)方面是關(guān)鍵技術(shù)之一，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)巷道安全、高效掘進(jìn)。近幾年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外錨桿支護(hù)技術(shù)已得到普遍應(yīng)用。目前大淑村礦主要采用高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿端頭錨固做為主

2、要的支護(hù)方式。但是，對(duì)于一些復(fù)雜困難條件巷道，端頭錨固支護(hù)效果差，且不能滿足巷道支護(hù)要求。近幾年來(lái)，隨著大淑村礦的采深越來(lái)越大，地質(zhì)條件也越來(lái)越復(fù)雜，巷道支護(hù)日益困難，原有的支護(hù)工藝難以保證巷道圍巖穩(wěn)定，因此在172106運(yùn)料石門(mén)、新東正巷等地區(qū)采用了錨桿全長(zhǎng)錨固方案，有效的解決了這一難題。1、錨固方式對(duì)巷道支護(hù)的影響 根據(jù)錨桿的錨固長(zhǎng)度，可將錨固方式分為端錨、加長(zhǎng)錨和全長(zhǎng)錨3種2。對(duì)于端錨是由錨固劑在錨桿端頭提供錨固力，錨桿的軸向受力除錨固端外，均勻分布在沿錨桿長(zhǎng)度方向內(nèi)，只有當(dāng)巖層發(fā)生較大錯(cuò)動(dòng)時(shí)，錨桿桿體的抗剪能力才能發(fā)揮作用。對(duì)于錨桿桿體的全長(zhǎng)錨固，錨固劑將錨桿桿體全部錨固在巖體內(nèi)，與圍

3、巖形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，該錨固方式不但給錨桿提供較強(qiáng)的錨固力，而且在巖層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)時(shí)，能夠與桿體共同起到抗剪切作用，阻止巖層發(fā)生節(jié)理位移。對(duì)于全長(zhǎng)錨固及端頭錨固，很多專(zhuān)家及學(xué)者對(duì)其進(jìn)行過(guò)專(zhuān)項(xiàng)研究4-5，得到以下共識(shí):對(duì)于端頭錨固方式，應(yīng)力及應(yīng)變沿錨桿長(zhǎng)度方向上相等。在錨固范圍內(nèi)，巖層的離層沿整個(gè)桿體的長(zhǎng)度均勻分散，桿體受力對(duì)圍巖的離層及變形并不敏感，支護(hù)剛度相對(duì)較低。對(duì)于全長(zhǎng)錨固，應(yīng)力及應(yīng)變沿錨桿長(zhǎng)度方向分布，對(duì)巖層滑動(dòng)大及不均勻離層的桿體部位受力很大，桿體的受力對(duì)圍巖離層及變形都很敏感，能及時(shí)抑制圍巖相對(duì)位移與離層，其支護(hù)剛度相對(duì)較高，如圖1所示。這是全長(zhǎng)錨固與端頭錨固的根本區(qū)別。 圖1端錨與全

4、長(zhǎng)錨支護(hù)作用的區(qū)別近年來(lái)預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中所起的關(guān)鍵作用已被得到重視。全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固不同于傳統(tǒng)的全長(zhǎng)錨固6，其主要是通過(guò)錨固劑的凝膠時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具有端部錨固和全長(zhǎng)錨固的優(yōu)點(diǎn)，預(yù)緊力矩能夠在較長(zhǎng)的桿體上施加，具有較好的錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果，同時(shí)增加了對(duì)圍巖錯(cuò)動(dòng)及離層的敏感度。錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范規(guī)定，全長(zhǎng)錨固是指錨桿的錨固長(zhǎng)度不小于鉆孔長(zhǎng)度的90%。但有研究表明7錨桿常在錨固段與自由段的交界面發(fā)生破壞，鉆孔內(nèi)最容易發(fā)生破壞的位置是為錨固的位置是。因此，在大淑村礦應(yīng)用的全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固是錨固長(zhǎng)度等于鉆孔長(zhǎng)度，即全鉆孔充滿錨固劑。2、全長(zhǎng)錨固錨桿支護(hù)機(jī)理一般從結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)出發(fā)認(rèn)為，錨桿支護(hù)機(jī)理是組合梁和懸吊

5、作用。該理論可防止危巖和剪裂區(qū)局部坍塌。但卻難以解釋在軟巖層內(nèi)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。因此，從圍巖與錨桿共同作用的觀點(diǎn)出發(fā)，才能較全面地分析錨桿支護(hù)機(jī)理；全長(zhǎng)錨固錨桿和巷道塑性區(qū)圍巖之所以能夠共同作用，主要是靠錨桿和圍巖之間的粘結(jié)力(或摩擦力)，約束塑性區(qū)圍巖變形，提高圍巖殘余強(qiáng)度，即提高了塑性區(qū)的平均粘結(jié)力c1，錨固區(qū)壓緊后，巖體節(jié)理面間的咬合更緊，因此塑性區(qū)內(nèi)摩擦角1也稍有提高，形成承載拱共同支護(hù)體系。從錨桿支護(hù)與圍巖共同作用形成承載拱支護(hù)機(jī)理出發(fā)，需滿足以下條件， (1)錨桿為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性彈性體;錨桿與圍巖之間有足夠的粘結(jié)力(或摩擦力),不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。 (2)錨桿支護(hù)的巷道為無(wú)限長(zhǎng)

6、圓形巷道(平面應(yīng)變問(wèn)題)，錨桿均勻地分布在巷道周邊。(3)圍巖在一定范圍內(nèi)為彈塑性變形。側(cè)壓力系數(shù)為=1。在上述條件下，圍巖應(yīng)力及變形的彈塑性分析給出的圍巖塑性區(qū)半徑和塑性區(qū)徑向位移表達(dá)式為：r0-巷道圍巖塑性區(qū)半徑，mro -巷道開(kāi)挖半徑，mr -距巷道中心點(diǎn)徑向距離，mp0-原巖應(yīng)力，mpapi-錨桿對(duì)巷道周邊支護(hù)抗力，mpaur-塑性區(qū)徑向位移，mc1-塑性區(qū)加錨桿后粘結(jié)力（等于原巖粘結(jié)力c），mpa1-塑性區(qū)加錨桿后內(nèi)摩擦角（等于原巖內(nèi)摩擦角），0g -圍巖剪切模量，mpa。錨桿直徑分析：由于錨桿通過(guò)粘結(jié)劑與孔壁(圍巖)緊密粘結(jié),不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，因此得出：d-錨桿直徑，me-錨桿彈摸，

7、mpa通過(guò)研究得知，錨桿直徑選擇與巷道開(kāi)挖半徑，錨桿彈模e、粘結(jié)劑、圍巖力學(xué)參數(shù)(剪切模量g、粘結(jié)力c、內(nèi)摩擦角)和原巖應(yīng)力p0有關(guān)。一般巷道開(kāi)挖半徑越大，需要安裝的錨桿直徑就越粗。粘結(jié)劑剪切強(qiáng)度要與錨桿和圍巖力學(xué)參數(shù)相匹配，才能充分發(fā)揮三者能力，形成共同支護(hù)體系。3、大淑村礦全長(zhǎng)錨固加固方案工程地質(zhì)條件大淑村礦地質(zhì)構(gòu)造單元位于太行山背斜東翼南段的鼓山背斜以東，是一個(gè)被一系列北東東向斷裂所破壞的東傾伏的不甚明顯的平緩背斜。井田內(nèi)有包括薛村穹窿在內(nèi)的大向（背）斜構(gòu)造6處，斷層為該地區(qū)的主要地質(zhì)構(gòu)造，地質(zhì)勘探及實(shí)際揭露的大小斷層有數(shù)百條，形成構(gòu)造復(fù)雜的地質(zhì)條件。全長(zhǎng)錨固加固方案172106運(yùn)料石門(mén)

8、位于2#煤層底板，巖性為泥質(zhì)粉砂巖，巷道礦壓顯現(xiàn)明顯，巖石破碎；巖巷采用錨網(wǎng)噴索，半圓拱斷面，規(guī)格凈寬4.2m，凈高3.3m。錨桿為左旋無(wú)縱筋鋼筋樹(shù)脂錨桿，托板為鍛壓件，螺母為m22的標(biāo)準(zhǔn)厚螺母。錨桿直徑為22mm，長(zhǎng)度2.0m，成三角形布置，間排距700*700mm，扭距150n*m以上。每孔注4支樹(shù)脂藥卷全錨支護(hù)，孔端使用一支k2850型藥卷隨后使用3支m2850型樹(shù)脂藥卷。錨桿錨固力要達(dá)到100kn以上，該巷道采取了錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，采用21.6mm，長(zhǎng)度5.0m的鋼絞線，托盤(pán)采用300*300*16mm鋼托盤(pán)，每排布置3根，間排距1.4m，預(yù)緊力不小于130kn。全斷面鋪金屬網(wǎng)，網(wǎng)與網(wǎng)

9、間搭接長(zhǎng)度為150mm、聯(lián)網(wǎng)長(zhǎng)度為200mm一道。金屬網(wǎng)材質(zhì)為6mm鋼筋盤(pán)條，網(wǎng)孔規(guī)格150×140mm。錨桿與巷道圍巖角度應(yīng)盡量垂直巖面或巷道輪廓線，與巖面夾角不得小于75°，錨桿托盤(pán)與巖面要接觸嚴(yán)實(shí)，不得留有孔隙。水泥標(biāo)號(hào)為不低于425號(hào)硅酸鹽水泥。石子為粒徑為68mm的中細(xì)碎石，水泥、砂、石子配比為1:2:2或1:1.8:2.2，水灰比0.45。速凝劑參量為3左右?；炷翉?qiáng)度為c20。4、礦壓觀測(cè)情況在巷道正規(guī)支護(hù)后，進(jìn)行了礦壓觀測(cè)站布設(shè)，共布4個(gè)測(cè)站。每個(gè)測(cè)站的礦壓觀測(cè)內(nèi)容包括巷道圍巖表面收斂變形觀測(cè)、頂板離層觀測(cè)。巷道表面位移觀測(cè)巷道表面圍巖收斂變形觀測(cè)采用“十字

10、法”進(jìn)行觀測(cè)。從兩個(gè)測(cè)站的表面位移觀測(cè)分析可知，礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，巷道兩幫移近量最大為96 mm，頂板最大下沉量為60 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?15mm。巷道掘進(jìn)至35m位置后，巷道兩幫移近量和頂板下沉量基本趨于穩(wěn)定。錨桿初始受力基本為5885 kn，此后，由于掘進(jìn)擾動(dòng)的影響，錨桿受力逐漸增加，當(dāng)距掘進(jìn)工作面22 m左右時(shí)，錨桿受力基本穩(wěn)定，最大受力為125 kn。錨索受力達(dá)到了321 kn，錨桿錨索受力有一個(gè)較為明顯的增加過(guò)程，這說(shuō)明錨桿初期較好地控制了圍巖變形。巷道頂板離層觀測(cè)巷道頂板離層采用lx-2型頂板離層指示儀進(jìn)行觀測(cè)，頂板離層指示儀淺部基點(diǎn)3m，深部基點(diǎn)8m。從觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，距掘

11、進(jìn)迎頭15m范圍內(nèi)，頂板離層速度較快，在距迎頭大于35m后，巷道頂板離層基本趨于穩(wěn)定，在整個(gè)觀測(cè)期間，巷道頂板深部離層值最大為35mm，淺部離層最大值為25mm。結(jié)語(yǔ)全長(zhǎng)錨固不同于傳統(tǒng)的錨固，其主要通過(guò)錨固劑的凝膠時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有端部錨固和全長(zhǎng)錨固的優(yōu)點(diǎn)，能夠在較長(zhǎng)的錨桿桿體上施加預(yù)緊扭矩，錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果比較好，同時(shí)增加了對(duì)圍巖滑動(dòng)及離層的敏感度。與其它傳統(tǒng)高強(qiáng)度端錨及加長(zhǎng)錨相比，該支護(hù)系統(tǒng)對(duì)圍巖變形及錯(cuò)動(dòng)的控制能力更強(qiáng)，具有更大的優(yōu)越性。通過(guò)該支護(hù)形式在大淑村礦的應(yīng)用表明，該支護(hù)形式具有很高的使用價(jià)值，但仍存在一些問(wèn)題，如巷道底鼓控制上有待進(jìn)一步加強(qiáng)，下一步對(duì)高應(yīng)力區(qū)掘進(jìn)巷道，可采用底板錨索全錨支護(hù)方法來(lái)解決這一問(wèn)題。參考文獻(xiàn)：1 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)m北京:煤炭工業(yè)出版社，20072 王金華，我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的新發(fā)展j煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(2):1131183 吳擁政，全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用研究a煤炭科學(xué)技術(shù)，20114 康紅普，王金華，林健.高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)及其在深部巷道中的應(yīng)用j煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(12):1233-12385 吳擁政，錨桿桿體的受力狀態(tài)及支護(hù)作用研究d北京:煤炭科學(xué)研究總院，200