樹脂錨桿支護在沙壩土礦的應(yīng)用研究

蒙光林，何 濤，萬串串，秦二濤

(1．貴州開磷集團， 貴州貴陽 550302;2．中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院， 湖南長沙 410083)

樹脂錨桿支護在沙壩土礦的應(yīng)用研究

蒙光林1，何 濤2，萬串串2，秦二濤2

(1．貴州開磷集團， 貴州貴陽 550302;2．中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院， 湖南長沙 410083)

隨著開磷礦山開采深度的不斷增加，巷道圍巖表現(xiàn)出的高應(yīng)力軟巖特征越來越明顯。通過對深井高應(yīng)力軟巖巖石變形特征和機理的研究，結(jié)合現(xiàn)場施工的實際，采用現(xiàn)場試驗檢驗的方法，成功實現(xiàn)了用樹脂錨桿取代管縫式錨桿的支護問題。結(jié)果表明，樹脂錨桿支護方式運用于開磷礦山井巷工程，巷道圍巖的穩(wěn)定性得到大大加強，對于維護安全生產(chǎn)，提高巷道服務(wù)年限和服務(wù)質(zhì)量，解決一段時期以來困擾工程施工及維護的難題有著非常重要的意義。本文以沙壩土礦段為試點，結(jié)合開拓工程所處紅頁巖的巖性，綜合考慮樹脂錨桿的支護原理，通過試驗論證和現(xiàn)場檢驗測試的方法，尋求可行的深井支護方法并加以推廣應(yīng)用。

樹脂錨桿;深井支護;試驗研究;推廣應(yīng)用

1 工程概述

貴州開磷礦山的開采已經(jīng)有50多年的歷史，隨著開采的不斷深入，采礦已從露天近地表的開采轉(zhuǎn)入地下開采，目前垂直深度已超過200 m。相對淺地表的開采而言，深部開采時地壓明顯增大，地質(zhì)構(gòu)造更加復(fù)雜，井巷的支護難度逐步加大。長期以來，開磷礦山一直使用管縫式錨桿支護。在爆破振動等的影響下，其后期錨固力會有所減弱，當(dāng)圍巖發(fā)生顯著位移時，管縫式錨桿會逐步失去其支護抗力。尤其是隨著深部井巷工程的開拓，巷道圍巖變形加劇，使管縫式錨桿暴露出諸多弊端。從750 m中段3#盤區(qū)斜坡道調(diào)查情況看出，巷道內(nèi)彎幫普遍開裂剝落，局部片幫;拱部及外彎幫局部開裂剝落，片幫嚴(yán)重;部分地段有冒頂。

根據(jù)國內(nèi)外工程人員與學(xué)者的研究成果可知，地質(zhì)條件的變化是造成錨桿支護失效的主要原因［1～3］。

目前開拓區(qū)域礦體頂板圍巖為白云巖，底板為砂巖和紅頁巖，根據(jù)礦山的規(guī)劃及采礦井巷工程的布置，大部分開拓工程均布置在礦體底板紅頁巖里。紅頁巖并不是傳統(tǒng)意義上的地質(zhì)軟巖，但在高應(yīng)力條件下會發(fā)生明顯的脆延轉(zhuǎn)化，發(fā)生顯著的塑性變形，表現(xiàn)出較明顯的工程軟巖性質(zhì)，長期強度降低，流變特征增強。由于其礦物成分中含有粘土類的蒙脫石等成分，遇水時發(fā)生明顯的膨脹和軟化，使其工程力學(xué)屬性明顯劣化。其力學(xué)性質(zhì)見表1。

管縫式錨桿與紅頁巖間的環(huán)向壓力也加劇了紅頁巖的破碎，因此迫切需要尋找另一種可行錨桿支護方案。

表1 紅頁巖的力學(xué)性質(zhì)

2 樹脂錨桿的作用機理

2．1 樹脂錨桿支護原理

樹脂錨桿支護后，通過錨固及其預(yù)應(yīng)力的作用，使錨桿體與圍巖體形成共同體，其支護原理包括:

(1)擠壓加固作用，在碎裂結(jié)構(gòu)巖體中，以一定方式布置的預(yù)應(yīng)力錨桿群，各錨桿的預(yù)應(yīng)力在錨桿兩端產(chǎn)生1個錐形壓縮區(qū)，并使其互相連接起來，可使松散圍巖形成“自承拱”，提高了圍巖的整體性，有效地控制了圍巖有害變形的發(fā)展，增大了圍巖的穩(wěn)定程度;

(2)組合梁作用，錨桿穿過層狀巖體，使巖層層面和層理之間的摩擦力增大，將薄巖層組合成厚梁，阻止巖層間的分離、錯動，提高巖層的抗彎剛度和承壓能力;

(3)懸吊作用，錨桿把不穩(wěn)定巖塊吊掛在穩(wěn)定巖體上，限制不穩(wěn)定巖塊的位移，防止其冒落［4～6］。

2．2 支護承載性能分析

目前開磷礦山采用的支護方式有砌碹、錨噴、錨網(wǎng)、錨桿、鋼拱架加強支護等幾種。從承壓性能分析可見，錨噴網(wǎng)混合支護在皮帶運輸巷或無軌運輸巷中由于斷面利用率高而被采用;管縫式錨桿因時間長易失效，錨桿的環(huán)向壓力擠壓紅頁巖，加速了圍巖的破壞;砌碹支護作為一種剛性支護，對頂壓、側(cè)壓較大和底鼓嚴(yán)重的礦井來說，適應(yīng)性較差［7］。金屬支護特別是U型鋼拱架可縮支架，雖然適應(yīng)性很強，返修費用極低，但由于鋼材價格高，一次性支護成本較高。砂漿錨桿支護效果較好，但在砂漿沒有硬化時，錨桿不能及時承載，而且從目前的施工工藝來看，砂漿錨桿的孔內(nèi)砂漿充填率只有50% ～60%［8，9］，達不到設(shè)計要求。而如果采用抗拉、抗彎、抗壓強度和錨固力都較大的樹脂錨桿代替管縫式錨桿，能在幾分鐘內(nèi)獲得較高的初錨力，故可用在各種不同的巖層中，而且沒有環(huán)向擠壓力，對圍巖破壞小。綜合考慮，樹脂錨桿在支護承載性能方面是最優(yōu)的。

3 樹脂錨桿的的工業(yè)性試驗

3．1 樹脂錨桿的構(gòu)成

圖1 樹脂錨桿支護設(shè)計

樹脂錨桿由桿體、托盤和樹脂藥卷組成。目前采用的錨桿體材料為直徑20 mm螺紋鋼，桿體長2．0～2．5 m，插入孔底的一端做成反麻花狀;托盤為150 mm×150 mm×6 mm的拱形金屬托盤，根據(jù)需要配用調(diào)心墊圈，保證其與圍巖的緊密接觸;樹脂藥卷由樹脂固化劑、加速劑和填料等材料配制而成，規(guī)格型號為MSCK2550。

3．2 樹脂錨桿的施工工藝

根據(jù)生產(chǎn)工作面的特殊環(huán)境，針對開拓巷道錨網(wǎng)噴支護的工藝特點，結(jié)合臺車打眼、裝藥放炮、錨網(wǎng)噴漿、出碴等生產(chǎn)組織的工藝要求，以及在班組實施的難易程度，制定出開拓工程中樹脂錨桿的施工試驗方案。

(1)根據(jù)設(shè)計要求確定錨桿孔位，用MQT－130/2．8－C錨桿機打孔;

(2)用壓風(fēng)管伸入孔底，吹凈巖粉或采用鉆孔水清洗鉆孔，保證眼孔干凈清潔;

(3)裝錨固劑，將錨固劑裝入孔底，用錨桿頂住開始攪拌，攪拌的時間按照錨固劑型號和生產(chǎn)廠商規(guī)定的時間執(zhí)行，攪拌完畢，卸下攪拌機具，達到凝固等待時間后，卸下攪拌聯(lián)接頭，裝上墊圈、錨盤、擰緊螺母，或者將裝上錨盤、墊圈、螺母的錨桿插入眼孔中進行攪拌，達到凝固等待時間后即可。

樹脂錨桿巷道支護設(shè)計如圖1所示。

3．3 試驗數(shù)據(jù)檢測

檢測的溫度條件為22℃，井下的常溫環(huán)境為18～22℃，符合測定標(biāo)準(zhǔn)。錨固力測定按照錨桿直徑的15倍錨固長度測定，根據(jù)錨桿直徑計算本試驗的錨固長度為37．5 cm，有關(guān)參數(shù)及測試結(jié)果見表2、表3。其中表3的錨固力是采用SW－300錨桿拉拔儀進行拉拔試驗后得出的平均數(shù)據(jù)。

表2 測試地點及操作參數(shù)

表3 兩種類型樹脂錨桿的參數(shù)

3．4 樹脂錨桿與管縫式錨桿對比

試驗的樹脂錨桿與原使用的管縫式錨桿的技術(shù)參數(shù)比較見表4。

表4 兩種錨桿的技術(shù)參數(shù)對比

從技術(shù)上分析，樹脂錨桿錨固能力是管縫式錨桿的2倍以上，而且孔徑要求小，材質(zhì)質(zhì)量高，對要求服務(wù)年限長、支護質(zhì)量高的井巷工程有著非常重要的意義。從經(jīng)濟上分析，開磷礦山每年要新增近20000 m巷道，老巷道的維護和整改費每年不低于百萬元以上，而且逐年在增加，采用新工藝樹脂錨桿支護，可以節(jié)約維護成本。具體而言，樹脂錨桿含施工費每套44元，比管縫式錨桿含施工安裝費每套39元增加成本5元/套，按開拓工程6000 m/a計算，每年成本增加33萬元，但是每年巷道的凈整改維修費就超過100萬元以上，在成本節(jié)約上具有經(jīng)濟價值。從安全上分析，樹脂錨桿支護方式大大增加了巷道的安全可靠性，提高巷道的服務(wù)年限，改善了工作環(huán)境。

3．5 樹脂錨桿使用及效果評價

樹脂錨桿的試驗運用首先在沙壩土礦2#盤區(qū)石門，后在主水倉、640中段大巷工程等處實施，井下支護效果明顯，從樹脂錨桿支護錨噴的巷道來看，巷道變形破壞明顯減小，穩(wěn)定性大大增強。從樹脂錨桿的試用情況和錨桿的整體受力分析來看，此錨桿是一種性能較好的錨桿，錨固力大、錨固及時、成本低、供貨方便，對開磷來說是一種較好的錨桿換代產(chǎn)品。樹脂錨桿能適應(yīng)開磷礦山的地質(zhì)條件，在井巷施工中有較大的推廣意義，并具有很好的經(jīng)濟社會效益。

3．6 樹脂錨桿的推廣

通過近兩年的不斷探索，在開拓巷道工程中試驗論證，再試驗再論證，總結(jié)出了適應(yīng)磷礦山井巷工程樹脂錨桿支護的施工工藝、支護參數(shù)，培養(yǎng)出了一支掌握該技術(shù)及操作方法的施工隊伍。樹脂錨桿支護工藝目前已全部推廣應(yīng)用到公司的開拓工程中，已取得了明顯的支護效果，今后還要不斷的總結(jié)經(jīng)驗，將該種方法應(yīng)用到更多的工程和領(lǐng)域中去。

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2010－11－16)

蒙光林(1971－)，男，貴州貴陽人，碩士，工程師，主要從事地下礦山井巷支護、地壓控制等方面的研究工作，Email:menggl120@sina．com。