煤礦深部高地壓巷道錨索支護技術對策研究

邵德盛，楊張杰，聶建偉，楊永剛，趙 磊

(安徽省煤炭科學研究院，安徽 合肥 230001)

在我國，錨索支護已經取代U型鋼支架成為煤礦巷道的第三代支護技術并被普遍采用，這主要是因為錨索支護可以提供各種地質、采礦條件下巷道支護設計所需要的支護強度和圍巖變形控制技術，這種支護強度和控制技術是以前其他各種支護方法所無法達到的[1-5]。

當前，隨著礦井的不斷延深，地質條件與采礦條件較淺部發(fā)生較大變化，錨索支護技術暴露出越來越多的問題，如：深井高地壓錨索支護巷道的變形難以有效控制，巷道垮落及巷道支護事故不斷增多，錨索布置密度已增加到不能再增加的程度，鋼絞線的直徑已經增大到22～28mm。錨索支護的實際情況也表明，現(xiàn)有的錨索支護技術已經不能滿足煤礦深部高地壓巷道的支護要求，急需提出技術改進對策來與其相適應，從而保證深井高地壓巷道的安全高效支護[6-13]。

1 傳統(tǒng)錨索支護現(xiàn)狀及存在問題

現(xiàn)在煤礦傳統(tǒng)錨索技術現(xiàn)狀是錨索的錨固結構無法提供與鋼絞線破斷力相匹配的錨固力，或無法提供巷道支護所需要的錨固力；錨固介質也無法提供深井巷道支護所需要的錨索錨固性能[14]。存在問題主要體現(xiàn)在以下幾點。

1.1 錨索載荷遠低于其額定工作載荷

對淮南礦區(qū)潘三、新莊孜、張集、顧橋、顧北、潘一、潘二共7對礦井的34條煤巷不同規(guī)格錨索載荷進行實測統(tǒng)計，見表1。

通過對錨索載荷數據統(tǒng)計得出以下結果：

(1)錨索平均載荷120kN左右，遠低于其理論破斷力，特別是對于φ22mm錨索，錨索的實際測量載荷僅為其理論破斷力的21%。

(2)隨著所使用的鋼絞線直徑加大，錨索的最大平均載荷增加，但最小平均載荷卻沒有增加，或基本保持不變。

(3)錨索的平均載荷沒有與鋼絞線的直徑成正比，即沒有隨著鋼絞線直徑的增加而增加，即盡管鋼絞線直徑增加，但錨索的平均載荷卻基本上保持不變。

通過對以上統(tǒng)計結果分析得出以下結論：

(1)煤礦巷道支護中錨索的實際支護強度遠低于其設計支護強度。

(2)錨索高承載能力的支護性能遠沒有得到利用和發(fā)揮。

(3)一味通過增大鋼絞線直徑來提高巷道支護強度，或提高巷道支護的安全性，并不能取得明顯的實際效果。

1.2 拉力集中型錨索的固有缺陷

拉力集中型錨索錨固的破壞過程：錨固段外端最先達到最大剪應力并發(fā)生剪切破壞；錨索粘結剪應力峰值及整個粘結剪應力分布向孔底方向移動，錨索的錨固長度保持不變，錨索錨固力保持不變，直到其到達孔底；錨固段外端最大粘結剪應力不斷降低，錨索的錨固長度不斷縮短，錨索的錨固力逐漸降低直至錨固破壞。

錨索錨固力大小取決于錨固介質的粘結強度、錨索粘結剪應力分布及錨固長度等。采用拉力集中型錨固結構，由于現(xiàn)用的樹脂錨固劑的粘結強度較低，錨索粘結剪應力峰值集中度高，錨索有效錨固長度短等，這些錨固性能本身決定了這種錨固結構在較低的錨固力水平下就會發(fā)生破壞。在需要提供較高支護強度的深井巷道支護中，采用拉力集中型錨索進行支護，顯然是不適當的；而應該重新研究和選擇適合于煤礦巷道支護需要的具有較高錨固力的錨索。

1.3 錨索外錨結構與高強度鋼絞線不匹配

目前，煤礦在采用組合錨索支護巷道時，多數采用槽鋼梁作為錨索的組合梁。盡管槽鋼梁的使用型號有增大的趨勢，但計算表明，煤礦巷道支護中使用的槽鋼梁的抗彎強度一般僅為10～20kN。這與錨索的錨固強度不匹配。錨索承載，甚至在安裝時預緊張拉，槽鋼梁也會屈服，進而發(fā)生彎曲。錨索梁彎曲，錨索載荷上不去，錨索的高支護強度性能得不到利用和發(fā)揮。當錨索的實際支護強度遠低于其設計支護強度時，頂板壓力必然通過圍巖的嚴重變形與破壞無限制地釋放；而圍巖的變形與破壞將會使錨索的外錨功能進一步降低，從而形成惡性循環(huán)?？梢?，即使錨索支護結構沒有破壞，但巷道照樣可能會發(fā)生嚴重的變形破壞；即使增加錨索支護密度，加大錨索鋼絞線直徑，如果錨索梁的強度和剛度不提高，并不能提高錨索支護系統(tǒng)的支護能力。巷道支護中常常出現(xiàn)這樣的情況，即錨索工作狀況看上去完好，但巷道頂板卻發(fā)生整體沉降，或發(fā)生嚴重變形破碎，特別是在圍巖比較松軟破碎的巷道，情況更是如此，有的甚至出現(xiàn)巷道大面積垮塌。

2 錨索錨固結構與錨固技術改進

現(xiàn)在的錨索支護技術即錨索的布置、錨索的支護參數、錨索的組合結構、錨索的安裝機具等，不能滿足深井巷道圍巖控制與支護的技術要求。因此，需要就錨索的錨固結構、錨固工藝、組合結構等進行技術改進[15-16]。

2.1 孔壁注漿錨索

目前我國煤礦大量使用的小孔徑樹脂錨固預應力錨索存在錨固劑深部無法充分攪拌、錨固長度受巷高限制等問題，從而導致錨固性能與錨固力的不確定性。

為了解決現(xiàn)有煤礦錨索錨固技術中存在的問題，國內近年來研制出了中空注漿錨索，雖然在一定程度上克服了現(xiàn)有錨索的上述缺點，但也存在索體破斷力低、注漿孔易堵塞、成本高等缺點。

孔壁注漿錨索可以避免上述現(xiàn)有技術所存在的缺陷，其桿體仍采用高強度預應力鋼絞線，通過合理設置注漿孔對鋼絞線與孔壁之間的環(huán)狀間隔進行注漿，保證注漿通道暢通，以便能夠壓注較高粘度、較低水灰比的砂漿，漿液析水率低，結石體強度較高，注漿堵塞可能性低，可以提高錨索的錨固強度，并降低錨索制造成本。

孔壁注漿錨索由鋼絞線與錨索注漿墊板、孔口管、密封圈組成。錨索注漿墊板上鉆錨索孔，用以安裝鋼絞線。同時，錨索注漿墊板上還鉆有注漿孔，注漿孔為一直角彎孔，其一端與錨索孔墊板中間的錨索孔相連通，另一端安裝注漿管，對錨索孔進行注漿。孔口管與錨索墊板焊接在一起?？卓诠苌宪囉袦喜?，可以安裝密封圈，用以封堵孔壁間隙，阻止注漿液從孔口管與孔壁之間的間隙泄漏。錨索墊板上的鋼絞線安裝孔車有臺階，里面安裝有特制的鋼絞線密封圈，用以堵塞鋼絞線與墊板錨索孔之間的漿液泄漏。

孔壁注漿錨索試樣見圖1。

圖1 孔壁注漿錨索試樣

孔壁注漿錨索采用樹脂錨固劑與水泥漿液混合錨固，安裝工藝如下：

(1)安裝時，先向孔內推送錨固劑，用鋼絞線將錨固劑推至孔底，攪拌錨固劑，實現(xiàn)錨索的部分長度錨固。

(2)安裝錨索注漿墊板及錨具，對錨索進行預緊張拉。

(3)樹脂錨固劑錨固后，將注漿管擰入錨索注漿墊板上的注漿孔，對錨索進行孔壁注漿，實現(xiàn)錨索的水泥漿液錨固。

孔壁注漿錨索是在現(xiàn)有的錨索安裝技術及安裝工藝基本不變的情況下，在錨索完成部分長度的樹脂錨固以后，通過安裝兼有封孔、注漿、墊板三重功用的錨索注漿墊板，實現(xiàn)通過錨索孔注漿的錨索全長錨固。與已有技術相比，孔壁注漿錨索具有以下創(chuàng)新性和先進性：

(1)通過采用高強度預應力鋼絞線作為錨索桿體，保留了煤礦巷道支護錨索的優(yōu)良的機械性能和錨固性能，提高了錨索的支護強度和破斷力。

(2)采用孔壁注漿錨索，錨索的錨固深度和錨固長度不受限制；可有效提高錨索的錨固強度。

(3)錨索的錨固介質的粘結性能及錨索的錨固質量穩(wěn)定可靠。

(4)通過錨索孔內鋼絞線與孔壁之間的環(huán)狀通道進行注漿，注漿通道暢通，提高錨索的注漿效率。

(5)孔壁注漿錨索制造成本較低。

2.2脹殼式機械錨固錨索

目前煤礦井巷支護中采用的樹脂錨固錨索存在如下問題：一是錨固劑安裝困難，有的錨固劑不能全部順利地到達錨固位置，造成錨索部分失錨；二是受到巷高限制，錨索的錨固長度受到限制，進而限制了錨索錨固力的提高；三是錨固劑包裝袋不能全部攪拌碎，影響和降低錨索粘結力。

脹殼式錨索屬于端頭式機械錨固錨索，可以避免樹脂錨固錨索在實際使用中所遇到的上述問題。脹殼式錨索由鋼絞線、錨頭、鋼絲套、錐形壓套、錐形瓣殼、彈簧卡等構成。鋼絲套套裝在鋼絞線上，在鋼絲套外面安裝錐形壓套。錐形壓套通過相應模具的高壓碾壓，將錐形壓套通過鋼絲套與鋼絞線緊密地咬合在一起。脹殼式機械錨固錨索結構見圖2。

圖2 脹殼式機械錨固錨索結構示意

脹殼式機械錨索的工作原理：利用錨索錨頭上的彈簧卡將錨固結構固定在鉆孔底部，采用端頭固定錨技術在錨索端頭固定帶有倒錐的錨頭——錐形壓套。當張拉設備張拉鋼絞線時，錐形瓣殼與錐形壓套產生相互錯動。由于其錐度方向相反，錐形瓣殼在倒錐形的錐形壓套的擴張下被撐開，并產生形變脹擴，與孔壁緊緊擠壓。瓣殼與孔壁的緊密擠壓所產生的摩擦力和擠壓力使錨索錨固。

脹殼式機械錨固錨索的安裝工藝如下：

(1)在地面裝配好錨索。

(2)將裝有錨固頭的一端向上，將錨索直接推送到鉆孔底部。

(3)裝上墊板和錨具，利用張拉設備張拉鋼絞線，直至其到達設計預緊力。

2.3 錨索組合箱形梁及其聯(lián)接

單體錨索的外錨結構主要是指錨索的托板和錨具等，組合錨索的外錨結構則包括鋼梁或鋼帶、托板、錨具等。通過組合錨索對頂板形成整體式、組合式支護，可以較好地保證錨索錨固力得以有效發(fā)揮和利用。

采用箱形梁結構作為錨索的組合梁，可以大幅度提高錨索組合結構的強度和剛度。為此，將現(xiàn)在的槽鋼梁改為箱形梁。箱形梁可用7號π型鋼梁與扁鋼組合焊接而成，也可采用其他型鋼焊接組合而成。這種箱形梁，如果采用間距為1m的三點式加壓試驗，其抗彎強度可達到100kN左右，比普通槽鋼梁的抗彎強度提高5～10倍。目前組合錨索的結構主要是槽鋼梁與錨索組成錨索桁架：一梁二索或一梁三索。這在工程力學分析上可以稱之為兩跨梁結構。如果假設巷道頂板壓力是均勻地作用于錨索梁上，則這種組合錨索結構可以簡化為承受均布載荷的兩跨梁。

錨索箱形組合梁結構見圖3。

圖3 錨索箱形組合梁結構示意

根據計算，當采用兩跨錨索梁即一梁三索支護時，各錨索的承載是不均勻的，最大承載是最小承載的2倍以上。而隨著錨索梁的加長，即采用一梁四索或一梁五索時，各錨索的承載逐漸趨于均勻。因此，在巷道支護中，按照錨索等載荷強度設計，顯然是不正確的，也是無法實現(xiàn)的。在組合錨索設計中，應盡量采用一梁四索以上的錨索梁，或者可以形成錨索梁的縱向連續(xù)聯(lián)接，這樣可使各錨索的載荷趨于平均。為此，將上述的箱形梁研究設計為可以連續(xù)接長的箱形長梁。每兩根梁之間可以采用絞接結構，以增加錨索梁支護的剛性，提高錨索承載的均衡性，同時，減輕錨索梁的安裝重量，便于安裝操作。

3 結束語

通過對錨索錨固機理、錨固結構及錨固工藝等進行基礎性實驗研究，提出了以孔壁注漿錨索技術為核心的煤礦深部高地壓巷道錨索支護技術改進對策，包括：孔壁注漿錨索及其錨固技術；脹殼式端頭機械錨固錨索及其安裝技術；鉸接箱形梁組合錨索支護技術。

采用脹殼式端頭機械錨索及與其配套的孔壁注漿錨固技術，可實現(xiàn)錨索的全長錨固，提高錨索內錨固的可靠性和錨索的內錨力；采用箱形梁錨索組合結構，可提高錨索支護外錨結構的強度、剛度和整體性，能有效地將巷道圍巖表面壓力絕大部分轉移到圍巖深部。在實際應用中，可根據圍巖地質條件與巷道支護難易程度，將上述3種技術對策優(yōu)化組合使用，在保證巷道支護安全的前提下降低巷道支護成本。綜上，采用煤礦深部高地壓巷道錨索支護技術改進對策可基本解決目前煤礦深部巷道的支護難題，將有效提升我國煤礦巷道錨索支護技術水平。