錨桿全長錨固支護研究與實踐

1、大淑村礦錨桿全長錨固支護研究與實踐王 爭（冀中能源峰峰集團有限責任公司 大淑村礦，河北 武安056300 ）摘要：為解決傳統(tǒng)錨桿支護在巷道復雜條件下存在的問題，從理論上分析了不同錨固方式支護對巷道的影響，得出了全長錨固在巷道實際應用中的優(yōu)點，即能夠增強錨桿對圍巖錯動及離層的控制。通過在大淑村礦的井下實踐，證明了錨桿全長錨固支護方式優(yōu)于傳統(tǒng)端錨支護，能有效控制圍巖變形，支護效果良好。關鍵詞：錨桿支護；全長錨固；強力支護。目前錨桿支護技術在軟巖巷道支護方面是關鍵技術之一，該技術可實現(xiàn)巷道安全、高效掘進。近幾年來，在國內(nèi)外錨桿支護技術已得到普遍應用。目前大淑村礦主要采用高強度螺紋鋼錨桿端頭錨固做為主

2、要的支護方式。但是，對于一些復雜困難條件巷道，端頭錨固支護效果差，且不能滿足巷道支護要求。近幾年來，隨著大淑村礦的采深越來越大，地質(zhì)條件也越來越復雜，巷道支護日益困難，原有的支護工藝難以保證巷道圍巖穩(wěn)定，因此在172106運料石門、新東正巷等地區(qū)采用了錨桿全長錨固方案，有效的解決了這一難題。1、錨固方式對巷道支護的影響 根據(jù)錨桿的錨固長度，可將錨固方式分為端錨、加長錨和全長錨3種2。對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度方向內(nèi)，只有當巖層發(fā)生較大錯動時，錨桿桿體的抗剪能力才能發(fā)揮作用。對于錨桿桿體的全長錨固，錨固劑將錨桿桿體全部錨固在巖體內(nèi)，與圍

3、巖形成一個統(tǒng)一的整體，該錨固方式不但給錨桿提供較強的錨固力，而且在巖層發(fā)生錯動時，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。對于全長錨固及端頭錨固，很多專家及學者對其進行過專項研究4-5，得到以下共識:對于端頭錨固方式，應力及應變沿錨桿長度方向上相等。在錨固范圍內(nèi)，巖層的離層沿整個桿體的長度均勻分散，桿體受力對圍巖的離層及變形并不敏感，支護剛度相對較低。對于全長錨固，應力及應變沿錨桿長度方向分布，對巖層滑動大及不均勻離層的桿體部位受力很大，桿體的受力對圍巖離層及變形都很敏感，能及時抑制圍巖相對位移與離層，其支護剛度相對較高，如圖1所示。這是全長錨固與端頭錨固的根本區(qū)別。 圖1端錨與全

4、長錨支護作用的區(qū)別近年來預應力在錨桿支護中所起的關鍵作用已被得到重視。全長預應力錨固不同于傳統(tǒng)的全長錨固6，其主要是通過錨固劑的凝膠時間差來實現(xiàn)的，具有端部錨固和全長錨固的優(yōu)點，預緊力矩能夠在較長的桿體上施加，具有較好的錨桿預應力擴散效果，同時增加了對圍巖錯動及離層的敏感度。錨桿支護技術規(guī)范規(guī)定，全長錨固是指錨桿的錨固長度不小于鉆孔長度的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，在大淑村礦應用的全長預應力錨固是錨固長度等于鉆孔長度，即全鉆孔充滿錨固劑。2、全長錨固錨桿支護機理一般從結構觀點出發(fā)認為，錨桿支護機理是組合梁和懸吊

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)錨桿支護設計的問題。因此，從圍巖與錨桿共同作用的觀點出發(fā)，才能較全面地分析錨桿支護機理；全長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力(或摩擦力)，約束塑性區(qū)圍巖變形，提高圍巖殘余強度，即提高了塑性區(qū)的平均粘結力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體系。從錨桿支護與圍巖共同作用形成承載拱支護機理出發(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力(或摩擦力),不產(chǎn)生相對滑動。 (2)錨桿支護的巷道為無限長

6、圓形巷道(平面應變問題)，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)徑向位移表達式為：r0-巷道圍巖塑性區(qū)半徑，mro -巷道開挖半徑，mr -距巷道中心點徑向距離，mp0-原巖應力，mpapi-錨桿對巷道周邊支護抗力，mpaur-塑性區(qū)徑向位移，mc1-塑性區(qū)加錨桿后粘結力（等于原巖粘結力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：由于錨桿通過粘結劑與孔壁(圍巖)緊密粘結,不產(chǎn)生相對滑動，因此得出：d-錨桿直徑，me-錨桿彈摸，

7、mpa通過研究得知，錨桿直徑選擇與巷道開挖半徑，錨桿彈模e、粘結劑、圍巖力學參數(shù)(剪切模量g、粘結力c、內(nèi)摩擦角)和原巖應力p0有關。一般巷道開挖半徑越大，需要安裝的錨桿直徑就越粗。粘結劑剪切強度要與錨桿和圍巖力學參數(shù)相匹配，才能充分發(fā)揮三者能力，形成共同支護體系。3、大淑村礦全長錨固加固方案工程地質(zhì)條件大淑村礦地質(zhì)構造單元位于太行山背斜東翼南段的鼓山背斜以東，是一個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）斜構造6處，斷層為該地區(qū)的主要地質(zhì)構造，地質(zhì)勘探及實際揭露的大小斷層有數(shù)百條，形成構造復雜的地質(zhì)條件。全長錨固加固方案172106運料石門

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。錨桿為左旋無縱筋鋼筋樹脂錨桿，托板為鍛壓件，螺母為m22的標準厚螺母。錨桿直徑為22mm，長度2.0m，成三角形布置，間排距700*700mm，扭距150n*m以上。每孔注4支樹脂藥卷全錨支護，孔端使用一支k2850型藥卷隨后使用3支m2850型樹脂藥卷。錨桿錨固力要達到100kn以上，該巷道采取了錨索補強支護方案，采用21.6mm，長度5.0m的鋼絞線，托盤采用300*300*16mm鋼托盤，每排布置3根，間排距1.4m，預緊力不小于130kn。全斷面鋪金屬網(wǎng)，網(wǎng)與網(wǎng)

9、間搭接長度為150mm、聯(lián)網(wǎng)長度為200mm一道。金屬網(wǎng)材質(zhì)為6mm鋼筋盤條，網(wǎng)孔規(guī)格150×140mm。錨桿與巷道圍巖角度應盡量垂直巖面或巷道輪廓線，與巖面夾角不得小于75°，錨桿托盤與巖面要接觸嚴實，不得留有孔隙。水泥標號為不低于425號硅酸鹽水泥。石子為粒徑為68mm的中細碎石，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。混凝土強度為c20。4、礦壓觀測情況在巷道正規(guī)支護后，進行了礦壓觀測站布設，共布4個測站。每個測站的礦壓觀測內(nèi)容包括巷道圍巖表面收斂變形觀測、頂板離層觀測。巷道表面位移觀測巷道表面圍巖收斂變形觀測采用“十字

10、法”進行觀測。從兩個測站的表面位移觀測分析可知，礦壓監(jiān)測數(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，由于掘進擾動的影響，錨桿受力逐漸增加，當距掘進工作面22 m左右時，錨桿受力基本穩(wěn)定，最大受力為125 kn。錨索受力達到了321 kn，錨桿錨索受力有一個較為明顯的增加過程，這說明錨桿初期較好地控制了圍巖變形。巷道頂板離層觀測巷道頂板離層采用lx-2型頂板離層指示儀進行觀測，頂板離層指示儀淺部基點3m，深部基點8m。從觀測結果來看，距掘

11、進迎頭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，在整個觀測期間，巷道頂板深部離層值最大為35mm，淺部離層最大值為25mm。結語全長錨固不同于傳統(tǒng)的錨固，其主要通過錨固劑的凝膠時間差來實現(xiàn)，具有端部錨固和全長錨固的優(yōu)點，能夠在較長的錨桿桿體上施加預緊扭矩，錨桿預應力擴散效果比較好，同時增加了對圍巖滑動及離層的敏感度。與其它傳統(tǒng)高強度端錨及加長錨相比，該支護系統(tǒng)對圍巖變形及錯動的控制能力更強，具有更大的優(yōu)越性。通過該支護形式在大淑村礦的應用表明，該支護形式具有很高的使用價值，但仍存在一些問題，如巷道底鼓控制上有待進一步加強，下一步對高應力區(qū)掘進巷道，可采用底板錨索全錨支護方法來解決這一問題。參考文獻：1 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術m北京:煤炭工業(yè)出版社，20072 王金華，我國煤巷錨桿支護技術的新發(fā)展j煤炭學報，2007，32(2):1131183 吳擁政，全長預應力錨固強力支護系統(tǒng)的應用研究a煤炭科學技術，20114 康紅普，王金華，林健.高預應力強力支護系統(tǒng)及其在深部巷道中的應用j煤炭學報，2007，32(12):1233-12385 吳擁政，錨桿桿體的受力狀態(tài)及支護作用研究d北京:煤炭科學研究總院，200