軟弱煤巖體巷道圍巖錨固力衰減特性研究*

張　輝 ,李國(guó)盛，程利興

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 2.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院, 北京 100013;3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

0　引言

軟弱煤巖體是軟巖巷道的主要表現(xiàn)形式，其特性主要體現(xiàn)在煤巖體的“軟”和“弱”2種屬性，“軟”表現(xiàn)出巖石強(qiáng)度低、塑性大、黏土礦物易膨脹；而“弱”表現(xiàn)出煤巖體受地質(zhì)構(gòu)造的作用破壞了原有煤巖體的強(qiáng)度，形成較多的弱面，易破碎、易滑移冒落[1-5]。對(duì)于此類巖體，錨桿錨固后其錨固性能表現(xiàn)出2大特征：“軟”的巖體在錨桿孔采用濕式打孔，孔壁出現(xiàn)泥化膨脹，樹(shù)脂錨固劑與孔壁粘結(jié)性差，表現(xiàn)出邊錨邊脫落的現(xiàn)象；“弱”的巖體結(jié)構(gòu)較發(fā)育，錨桿錨固后錨固劑與孔壁粘結(jié)性雖然較強(qiáng)、初期具有較強(qiáng)的錨固力，但隨著錨桿受力增大，孔壁周圍破碎巖體發(fā)生松動(dòng)滑移，錨固力快速衰減失效。

目前，提高軟弱煤巖體錨固力的方法主要有加長(zhǎng)錨固法、注漿加固法[6-8]等?？导t普、林建等[9-11]采用注漿與強(qiáng)力錨桿、錨索聯(lián)合加固松軟破碎井筒，取得了較好的效果；張農(nóng)、李貴臣[12-14]等對(duì)泥質(zhì)巷道錨網(wǎng)索匹配注漿加固的方法，一定程度上控制了圍巖變形破壞；孟慶彬等[15-16]分析了泥質(zhì)弱膠結(jié)軟巖巷道變形破壞特征與機(jī)理，采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案有效地控制了泥質(zhì)弱膠結(jié)軟巖巷道的大變形與底鼓。但軟弱煤巖體全長(zhǎng)錨固力雖然有所提高，但提高效果往往較低，錨固力衰減較快。而注漿加固一方面提高了巷道支護(hù)的工藝要求，另一方面增大了巷道支護(hù)成本。鑒于此，利用自行研發(fā)的倒楔形擴(kuò)孔裝置，對(duì)軟弱煤巖體進(jìn)行孔底擴(kuò)孔錨固相似材料模擬試驗(yàn)，研究軟弱煤巖體錨固孔底擴(kuò)孔狀態(tài)下錨固力的衰減特性，為軟弱煤巖體巷道錨網(wǎng)支護(hù)提供重要借鑒。

1　試驗(yàn)原理

試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室相似材料模擬的方法進(jìn)行,將相似材料裝填到模具內(nèi)。在模具兩端正常鉆打相同深度的錨桿孔，為進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，在其中的一端進(jìn)行孔底倒楔形擴(kuò)孔，并進(jìn)行樹(shù)脂錨固劑錨固；在另一端正常錨固，制作成如圖1所示的測(cè)試試件。

圖1　試件制作原理Fig.1　Specimen production schematic

試件制作好后，利用錨桿拉拔計(jì)進(jìn)行2種錨固狀態(tài)下的力學(xué)試驗(yàn)；采用錨桿測(cè)力計(jì)和光柵位移計(jì)記錄錨固力與位移的關(guān)系，如圖2所示。其中，光柵位移計(jì)的光柵尺安裝在模具的壁上，光柵尺磁頭與托盤(pán)固定，錨桿在不斷拉伸過(guò)程中，托盤(pán)帶動(dòng)光柵尺磁頭移動(dòng)，通過(guò)光柵尺數(shù)顯表記錄數(shù)據(jù)。

圖2　軟弱巖體錨固特性試驗(yàn)原理Fig.2　Schematic diagram of anchorage characteristics of weak rock mass

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1　試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧线x取

2.1.1相似材料的確定

模型的相似材料為沙子、水泥、石膏、碳酸鈣等，結(jié)合相似材料不同配比號(hào)條件下的力學(xué)特性，配比號(hào)盡量選取最大限度的接近軟弱巖體(1 MPa左右)的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)室分別選取4種不同強(qiáng)度的相似模擬材料進(jìn)行試件的制作，相似模擬材料的配比選用配比號(hào)分別為573(沙子、水泥、石膏)、555(沙子、水泥、石灰)、737(沙子、石膏、碳酸鈣)和637(沙子、石膏、碳酸鈣)4種，其單軸抗壓強(qiáng)度分別為0.761，0.851，1.261和1.531 MPa，分別制作模型1～4。4種配比號(hào)的強(qiáng)度均符合軟弱巖體的強(qiáng)度要求，且強(qiáng)度呈逐漸增大趨勢(shì)，有利于對(duì)比分析。

2.1.2制作試件模具的尺寸

模具采用內(nèi)徑φ160 mm，長(zhǎng)度2 000 mm，壁厚15 mm帶耳朵的半圓形，磨具耳朵上每個(gè)300 mm有直徑15 mm的圓孔，試件制作時(shí)，將梁半圓對(duì)扣，利用螺栓在耳朵處固定作為試件制作的磨具。

2.1.3錨桿及錨固劑的選取

錨桿為HRB335左旋螺紋鋼，直徑20 mm，長(zhǎng)度1 200 mm；錨固劑型號(hào)為K2335樹(shù)脂錨固劑。

2.2　模型制作

將4種相似模擬材料按水灰比1∶0.3拌合均勻后分別填入4套兩端開(kāi)口的模具內(nèi)，利用直徑150 mm重力5 kg的圓形落錘搗實(shí)，相似材料在模具內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d。其強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，在模具兩端分別鉆打直徑為28 mm，深度為800 mm錨桿鉆孔。為保證在2側(cè)鉆孔進(jìn)行錨固和拉拔不受干擾，模型內(nèi)中間留有400 mm的間距。其后，在模具一端進(jìn)行模型錨桿孔孔底倒楔形擴(kuò)孔，采用的擴(kuò)孔刀具如圖3(a)所示，擴(kuò)孔效果如圖3(b)所示。擴(kuò)孔段直徑明顯比正常鉆孔直徑大，擴(kuò)孔段最大直徑處為5 mm，擴(kuò)孔段輪廓線與鉆孔軸心的夾角為7°左右。在進(jìn)行錨固時(shí)，使用的左旋螺紋鋼錨桿在旋轉(zhuǎn)推進(jìn)時(shí)將錨固劑擠入擴(kuò)孔空間，保證了擴(kuò)孔段形成錨固劑倒楔體、增強(qiáng)錨桿錨固力。

圖3　擴(kuò)大倒楔形擴(kuò)孔Fig.3　Expanded wedge-shaped reaming

2.3　試驗(yàn)測(cè)試儀器

2.3.1錨桿施加應(yīng)力設(shè)備

錨桿施加應(yīng)力采用錨桿拉拔計(jì)，為礦用錨桿錨固力檢測(cè)設(shè)備。其中中空千斤頂?shù)牧砍虨?00 kN，油缸最大伸縮量150 mm，采用手搖泵緩慢加壓，數(shù)顯表實(shí)時(shí)顯示千斤頂油壓。

2.3.2錨桿位移過(guò)程監(jiān)測(cè)

錨桿位移采用JCS900—2AC光柵監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括光柵尺和數(shù)據(jù)接收處理器。光柵尺測(cè)量精度為0.01 mm，測(cè)量范圍為0～400 mm，數(shù)據(jù)接收處理器實(shí)時(shí)記錄在某一時(shí)刻的位移量，可實(shí)時(shí)顯示位移與時(shí)間的關(guān)系曲線，記錄數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)以表格形式導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。

2.3.3錨桿受力過(guò)程監(jiān)測(cè)

錨桿受力采用KJ327-F型智能數(shù)字錨桿測(cè)力儀進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化、智能化，測(cè)試精度達(dá)到0.1%，測(cè)量范圍為0～200 kN。

2.4　試驗(yàn)過(guò)程

首先將制作好的4種不同材料的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢啥算@打錨桿孔，將模型其中的一端進(jìn)行孔底擴(kuò)孔；其次，利用幫錨桿鉆機(jī)分別進(jìn)行錨桿樹(shù)脂錨固劑錨固，為保證錨固劑固化效果，0.5 h后進(jìn)行錨固特性試驗(yàn)。然后將試驗(yàn)設(shè)備和監(jiān)測(cè)儀器按試驗(yàn)要求安裝、調(diào)試。調(diào)試完畢后分別對(duì)4種材料模型正常錨固和擴(kuò)孔錨固狀態(tài)下力學(xué)特征試驗(yàn)，如圖4所示。

圖4　軟弱煤巖體錨桿錨固特性實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)Fig.4　Laboratory test of anchor anchorage characteristics of soft coal and rock mass

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1　不同錨固狀態(tài)下錨桿錨固力衰減規(guī)律分析

圖5為4種低強(qiáng)度模型不同錨固狀態(tài)下錨桿錨固力與位移的關(guān)系曲線。從圖中可以看出：

1)錨桿錨固力隨位移變化的過(guò)程中，均出現(xiàn)“突變點(diǎn)”，且在“突變點(diǎn)”前后錨桿錨固力變化趨勢(shì)出現(xiàn)2個(gè)階段?！巴蛔凕c(diǎn)”前錨桿隨位移增大錨固力迅速增加；“突變點(diǎn)”后錨桿錨固力急劇降低，之后隨錨桿位移增加錨固力增加趨勢(shì)變緩。

2)“突變點(diǎn)”處擴(kuò)孔錨固的最大錨固力顯著大于未擴(kuò)孔錨固狀態(tài)。且其峰值處模型1擴(kuò)孔錨固力是正常錨固狀態(tài)的3.5倍，模型2、模型3和模型4擴(kuò)孔錨固力分別為1.5倍、3.0倍、3.1倍，在相似材料強(qiáng)度降低時(shí)，隨著相似材料強(qiáng)度的增加并未變現(xiàn)出擴(kuò)孔錨固與正常錨固狀態(tài)錨固力增加的倍數(shù)，但顯著提高了錨固力的絕對(duì)值。

3)“突變點(diǎn)”前階段擴(kuò)孔錨固與正常錨固力與位移曲線沒(méi)有顯著區(qū)別，隨著位移增加，錨固力迅速升高，表明錨桿均處于錨固狀態(tài)?！巴蛔凕c(diǎn)”后階段，錨固力出現(xiàn)跳躍式變化，表明錨固劑與孔壁脫離，錨桿處于脫錨狀態(tài)，錨桿受力為殘余錨固力。

4)錨桿處于脫錨后正常錨固狀態(tài)下殘余錨固力瞬間衰減，衰減到幾乎為0；而擴(kuò)孔錨固狀態(tài)下殘余錨固力衰減力度較小，并且可能出現(xiàn)殘余錨固力大于脫錨力的情況。

5)擴(kuò)孔錨固與正常錨固殘余錨固力將趨于平穩(wěn)，但擴(kuò)孔錨固的殘余錨固力遠(yuǎn)高于正常錨固狀態(tài)下的殘余錨固力。

圖5　不同錨固狀態(tài)下錨桿錨固力與位移的關(guān)系曲線Fig.5　Curve of anchoring force and displacement of anchor under different anchoring states

3.2　不同錨固狀態(tài)下錨桿樹(shù)脂錨固效果分析

圖6為模型不同錨固狀態(tài)下錨桿樹(shù)脂錨固后錨固段錨固效果錨固力試驗(yàn)后剖開(kāi)圖。由圖6(a)可知，正常錨固狀態(tài)下，錨固劑與錨桿附著狀態(tài)完好，表明錨固劑與孔壁產(chǎn)生脫錨而發(fā)生位移。

圖6(b)擴(kuò)孔后進(jìn)行的樹(shù)脂錨固效果較好，受擴(kuò)孔裝置的影響，擴(kuò)孔錨固分為孔底錨固段、擴(kuò)孔錨固段和正常錨固段3部分，孔底錨固段與正常錨固段作用效果一致，擴(kuò)孔錨固段為倒楔形錨固體，3段與錨桿附著狀態(tài)較好，表明擴(kuò)孔錨固狀態(tài)下錨固劑與孔壁也發(fā)生脫離而發(fā)生位移。

圖6(b)中擴(kuò)孔錨固段出現(xiàn)弧形擠壓破壞區(qū)，表明擴(kuò)孔錨固狀態(tài)下，錨固劑與孔壁發(fā)生脫錨后，擴(kuò)孔段較高強(qiáng)調(diào)的錨固劑與孔壁產(chǎn)生剪應(yīng)力，錨固劑擠壓孔壁產(chǎn)生的破壞，進(jìn)一步表明擴(kuò)孔錨固狀態(tài)下錨桿脫錨后錨固力衰減較低的原因及一定程度上高于“突變點(diǎn)”處的錨固力。

圖6　不同錨固狀態(tài)下樹(shù)脂錨固效果Fig.6　Resin anchoring effect in different anchoring states

4　結(jié)論

1)試驗(yàn)得出錨桿擴(kuò)孔錨固狀態(tài)下“突變點(diǎn)”處擴(kuò)孔錨固的最大錨固力顯著大于未擴(kuò)孔錨固狀態(tài)，其擴(kuò)孔錨固是正常錨固狀態(tài)下平均提高2.8倍。

2)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)錨桿發(fā)生脫錨后(突變點(diǎn)后階段)，正常錨固狀態(tài)下殘余錨固力瞬間衰減，衰減到幾乎為0；而擴(kuò)孔錨固狀態(tài)下殘余錨固力衰減力度較小，并且出現(xiàn)殘余錨固力大于脫錨力的情況。

3)通過(guò)錨固效果發(fā)現(xiàn)軟弱煤巖體錨固段發(fā)生脫錨界面為錨固劑與孔壁的交界面，脫錨后擴(kuò)孔段錨固劑對(duì)倒楔形孔壁產(chǎn)生擠壓破壞，從而提高軟弱煤巖體殘余錨固力，為解決軟弱煤巖體巷道錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)難題提供了新思路。

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