礦用小孔徑預(yù)應(yīng)力拉力分散型錨索錨固結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用

楊永剛，李琰慶

(1.安徽省煤炭科學(xué)研究院，安徽 合肥 230001；2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001)

近年來，隨著開采深度的延伸，各種深井復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境巷道支護(hù)工程日益增多，巷道變形控制極為困難，嚴(yán)重的還導(dǎo)致安全事故的發(fā)生?；茨稀⒒幢钡V區(qū)多對(duì)礦井四十余條巷道不同規(guī)格錨索的礦壓觀測(cè)結(jié)果表明[1-3]：大部分錨索的平均工作載荷在120～150kN，基本維持在預(yù)緊張拉水平，且受掘進(jìn)及采動(dòng)影響后亦無明顯載荷增長(zhǎng)，部分錨索在其載荷遠(yuǎn)沒有達(dá)到其額定工作載荷時(shí)發(fā)生卸載。可見，錨索內(nèi)錨力低是深部高應(yīng)力巷道圍巖變形難以得到有效控制重要因素之一。而導(dǎo)致錨索內(nèi)錨力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的原因很多，如：內(nèi)錨段巖體松散破碎嚴(yán)重，樹脂膠泥被擠入圍巖裂隙，導(dǎo)致內(nèi)錨不密實(shí)；鉆孔沖洗不干凈，導(dǎo)致錨固劑與圍巖不能有效黏結(jié)；三徑不匹配導(dǎo)致錨固劑未推送至孔底；在攪拌過程中，出現(xiàn)間隔或停頓攪拌，導(dǎo)致發(fā)生初凝的固化劑反應(yīng)鏈被破壞，致使錨固失效；錨索本身光滑的索體結(jié)構(gòu)不能將樹脂膠泥和固化劑充分?jǐn)嚢杈鶆虻萚4-8]。因此，研究一種新的錨索錨固結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提高錨索內(nèi)錨力和錨索強(qiáng)度利用率，提高錨桿支護(hù)巷道的安全性，同時(shí)為深部高應(yīng)力及各種復(fù)雜圍巖環(huán)境下的巷道變形控制提供新的探索方向，是十分必要的。

1 拉力集中型錨索內(nèi)錨段受力分析

在煤礦巷道支護(hù)中，普遍使用的錨索從受力特征上分屬于拉力集中型錨索，該類型錨固結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 拉力集中型錨索錨固結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 數(shù)值模型建立

模擬對(duì)象為單根錨索的受力分析，孔徑28mm，根據(jù)圣維南理論，本次計(jì)算模型尺寸為Φ426mm×8000mm的圓柱體，力學(xué)模型如圖2所示。模型共40000個(gè)單元，40501個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型周邊固定，錨索外錨端為自由面。為突出錨索拉拔作用效果，取消原巖應(yīng)力場(chǎng)，簡(jiǎn)化模型受力狀態(tài)。錨索長(zhǎng)7m，沿Y方向布置于模型的中心，外錨頭(錨尾)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，錨固段長(zhǎng)2m，自由段長(zhǎng)5m。

圖2 拉力集中型錨索力學(xué)模型

選取的錨索與錨固劑參數(shù)分別見表1和表2。

表1 錨索參數(shù)

表2 錨固劑參數(shù)

建立模型并施加邊界條件后進(jìn)行錨索張拉，張拉力300kN。錨索參數(shù)Φ17.8mm×7000mm，樹脂錨固段長(zhǎng)度2m。

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

拉力集中型錨索內(nèi)錨段剪應(yīng)力分布曲線如圖3所示。由圖3可以看出，剪應(yīng)力峰值位于錨固起始段0.3m左右，之后呈指數(shù)規(guī)律逐漸減小，到1.1m左右時(shí)剪應(yīng)力分布趨于零值，內(nèi)錨段發(fā)揮作用的僅占整個(gè)內(nèi)錨段的55%左右，且在內(nèi)錨起始段應(yīng)力集中明顯。

圖3 拉力集中型錨索內(nèi)錨段剪應(yīng)力分布曲線

計(jì)算結(jié)果表明，拉力集中型錨索與粘結(jié)材料之間、粘結(jié)材料與孔壁之間的剪應(yīng)力分布是不均勻的，并且只有部分長(zhǎng)度的錨固段受力。當(dāng)錨索受拉時(shí)，在錨索錨固段的起始位置處剪應(yīng)力最大，向錨固段深部方向，錨索與粘結(jié)材料之間的剪應(yīng)力呈指數(shù)曲線迅速衰減。

由此可見，拉力集中型錨索在外錨固起始段會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象[9-13]。錨索錨固后錨索與錨固劑之間的粘結(jié)力、摩擦力并不能完全、同時(shí)地發(fā)揮作用，而是從錨固段起始端開始向深部逐漸擴(kuò)展。外段錨固體破壞之后向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，如此循環(huán)漸進(jìn)破壞，直至最終全部破壞導(dǎo)致錨索錨固失效。

2 礦用拉力分散型錨索結(jié)構(gòu)及工藝

2.1 礦用拉力分散型錨索錨固結(jié)構(gòu)的提出

礦用拉力分散型錨索是在現(xiàn)有的煤礦用錨索支護(hù)施工工藝不變的條件下，通過緩凝型樹脂錨固劑的開發(fā)及錨索施工工藝的研究，實(shí)現(xiàn)同一小孔徑鉆孔內(nèi)不同錨固段的樹脂藥卷的分時(shí)錨固，從而實(shí)現(xiàn)錨索的分段錨固。該結(jié)構(gòu)由4部分構(gòu)成：鋼絞線、錨具和托板、樹脂錨固劑和橡膠擋環(huán)。其中，樹脂錨固劑由現(xiàn)在的單一的普通樹脂錨固劑改為兩種樹脂錨固劑，分別為普通樹脂錨固劑和新研制的緩凝型樹脂錨固劑，其主要結(jié)構(gòu)如圖4所示，緩凝型樹脂錨固劑主要性能指標(biāo)見表3。

圖4 礦用新型拉力分散型錨索錨固結(jié)構(gòu)示意圖

表3 緩凝型樹脂錨固劑性能指標(biāo)

礦用拉力分散型錨索安裝后，第二錨固段(外段)的緩凝型錨固劑未固化，不產(chǎn)生錨固力，對(duì)錨索進(jìn)行安裝張拉的預(yù)緊力全部由第一錨固段(孔底段)承擔(dān)；安裝6～8h以后，第二錨固段的緩凝型樹脂錨固劑開始固化、粘結(jié)，并產(chǎn)生錨固力，若頂板壓力繼續(xù)增大，則第二錨固段開始承擔(dān)錨固力，在第二錨固段的錨固力增長(zhǎng)到其額定錨固力以前，第一錨固段的錨固力不會(huì)再增加。

由此可見，拉力分散型錨索的錨固剪應(yīng)力被分散到兩處，錨索的錨固段剪應(yīng)力分布更均勻，降低了錨索與粘結(jié)劑之間的應(yīng)力集中程度，顯著提高了錨索錨固可靠性，且具備常規(guī)礦用拉力集中型錨索的所有優(yōu)點(diǎn)。

2.2 礦用拉力分散型錨索施工工藝

礦用拉力分散型錨索與普通礦用錨索施工工藝基本相同(以Φ22mm錨索為例)，主要工藝如下：

1)在錨索設(shè)計(jì)位置鉆孔，孔徑32mm，孔深6000mm。

2)預(yù)先在距離內(nèi)錨端2000mm處鋼絞線上安裝樹脂擋環(huán)。

3)裝送樹脂藥卷，先裝2支Z2350中速藥卷，再裝入2支H2350緩凝型樹脂藥卷，用鋼絞線緩慢將樹脂藥卷推入孔底。

4)利用錨桿鉆機(jī)邊攪拌邊推進(jìn)，直至推入孔底，停止升鉆機(jī)，攪拌40～60s后停機(jī)，停機(jī)后鉆機(jī)保持2min后方可降下。

5)錨索孔樹脂攪拌結(jié)束30min后安裝錨索托板、錨具，對(duì)錨索進(jìn)行預(yù)緊張拉，錨索張拉預(yù)緊力不低于150kN。

3 礦用拉力分散型錨索數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立與計(jì)算工況

礦用拉力分散型錨索數(shù)值模擬采用上述拉力集中型錨索力學(xué)模型及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算分析，錨索力學(xué)模型如圖5所示。內(nèi)錨固段長(zhǎng)度2m，首先對(duì)靠近孔底的1m長(zhǎng)錨固段(一次錨固段)進(jìn)行張拉，張拉力的大小按模擬工況(見表4)進(jìn)行，計(jì)算一定時(shí)間步后錨固靠近自由段的1m(二次錨固段)，同時(shí)進(jìn)行第二次張拉。

圖5 礦用拉力分散型錨索力學(xué)模型

表4 模擬工況

3.2 礦用拉力分散型錨索模擬結(jié)果分析

礦用拉力分散型錨索分兩次錨固且張拉后鉆孔周邊剪應(yīng)力分布曲線如圖6所示。由圖6可見：

圖6 礦用拉力分散型錨索內(nèi)錨段剪應(yīng)力分布曲線

1)礦用拉力分散型錨索一次錨固段內(nèi)與拉力集中型錨索應(yīng)力分布特征相似，峰值位于錨固起始端0.2～0.3m。

2)對(duì)比拉力分散型的三種工況可見，第一次張拉在150kN左右是相對(duì)合理的，此時(shí)靠近孔底的內(nèi)錨段利用率達(dá)到了60%～80%，第二次張拉也應(yīng)該在150kN左右，如果張拉力太小，則第二次錨固的作用體現(xiàn)不明顯。

3)采用礦用拉力分散型錨索且分兩次張拉后，在整個(gè)內(nèi)錨段強(qiáng)度利用率達(dá)到了70%～80%以上，較拉力集中型提高20%左右，應(yīng)力峰值降低50%左右，剪應(yīng)力分布相對(duì)均勻，應(yīng)力分布較拉力集中型明顯改善。

4 礦用拉力分散型錨索工程應(yīng)用

4.1 巷道工程地質(zhì)條件

為驗(yàn)證礦用拉力分散型錨索結(jié)構(gòu)對(duì)巷道圍巖加固效果，選擇淮南礦區(qū)潘三煤礦1792(3)軌道巷進(jìn)行礦用拉力分散型錨索工程試驗(yàn)。

1792(3)工作面走向長(zhǎng)2166m，傾向長(zhǎng)200m。該面回采13-1煤層，煤層傾角5°～9°，平均7°，煤層厚2.18～6.2m，平均3.89m。工作面標(biāo)高-660～-695m。試驗(yàn)巷道軌道巷沿空掘進(jìn)，工作面區(qū)間煤柱寬5～7m，巷道直接頂板為泥巖，均厚1.5m，較破碎，富含植化碎片；直接底為泥巖，厚1.93～3.95m，均厚3.2m，灰至深灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，性脆易碎，含植化碎片。

4.2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案

巷道斷面形狀設(shè)計(jì)為梯形，上寬5000mm，下寬5400mm，巷道中高3000mm。巷道斷面積15.6m2。試驗(yàn)段巷道支護(hù)采用礦用拉力分散型錨索，支護(hù)設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖7 拉力分散型錨索支護(hù)設(shè)計(jì)方案(mm)

1)頂板支護(hù)：采用螺紋鋼錨桿配合M鋼帶支護(hù)，鋼帶長(zhǎng)度4800mm，垂直巷道走向鋪設(shè)，每根鋼帶上安裝7根錨桿。錨桿參數(shù)為Φ22mm×2400mm，間排距為750mm×800mm，預(yù)緊扭矩不低于150N·m；錨索規(guī)格為Φ22mm×6300mm，間排距為1000mm×1600mm，采用2支Z2350中速藥卷和2支H2350緩凝型樹脂藥卷錨固，礦用拉力分散型錨索嚴(yán)格按前述安裝工藝施工，采取措施確保兩種錨固劑使用及安裝順序正確。

2)巷道上下兩幫支護(hù)：采用高強(qiáng)螺紋鋼錨桿配合扁鋼帶支護(hù)，錨桿間排距700mm×800mm，采用1支K2335快速樹脂藥卷和1支Z2355中速樹脂藥卷錨固。由于緩凝型鋼固劑的凝固時(shí)間延遲至6～8h，在錨固劑送入并攪拌后不能及時(shí)固化，為防止攪拌后沿著孔壁向下流動(dòng)，造成鋼絞線錨固不密實(shí)，在鋼絞線的錨固外端2000mm位置安裝擋環(huán)。擋環(huán)呈腰鼓形，最大直徑30mm，長(zhǎng)度40mm，安裝時(shí)確保鋼絞線安裝擋環(huán)的一端送入孔內(nèi)。

4.3 礦壓觀測(cè)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)?zāi)康闹饕ǎ孩龠M(jìn)行礦用拉力分散型錨索的錨固結(jié)構(gòu)與工藝的工業(yè)性試驗(yàn)，解決拉力分散型錨索施工中可能出現(xiàn)的各種技術(shù)問題；②檢驗(yàn)緩凝型樹脂錨固劑的錨固性能和錨固效果；③檢驗(yàn)拉力分散型錨索的支護(hù)效果，并與常規(guī)拉力集中型錨索進(jìn)行比較。礦壓觀測(cè)主要包括錨索載荷觀測(cè)、巷道圍巖變形兩部分內(nèi)容。

試驗(yàn)段與常規(guī)支護(hù)段錨索載荷觀測(cè)統(tǒng)計(jì)見表5，試驗(yàn)段與非試驗(yàn)段巷道圍巖變形曲線如圖8所示。分析可知：

表5 試驗(yàn)段與常規(guī)支護(hù)段錨索載荷觀測(cè)統(tǒng)計(jì)

圖8 試驗(yàn)段與非試驗(yàn)段巷道圍巖變形曲線

1)通過錨索載荷觀測(cè)，礦方自行安設(shè)的多根常規(guī)拉力集中型錨索載荷一般為80～160kN，錨索錨固力較低，僅為錨索破斷力的30%左右；礦用拉力分散型錨索最大載荷達(dá)450kN，平均載荷314kN，為錨索破斷力的60%左右，相比常規(guī)拉力集中型錨索內(nèi)錨力提高了一倍，有效改善了內(nèi)錨力與錨索破斷力的匹配問題，提高了錨索強(qiáng)度的利用率。

2)非試驗(yàn)段(常規(guī)拉力集中型錨索支護(hù)段)兩幫移近量123mm，頂?shù)装逡平?12mm；試驗(yàn)段(礦用拉力分散型錨索支護(hù)段)巷道兩幫移近量110mm，頂?shù)装逡平?55mm。從巷道整體情況來看，礦用拉力分散型錨索試驗(yàn)段頂板基本未發(fā)生明顯離層，相比常規(guī)拉力集中型錨索控頂作用明顯加強(qiáng)，巷道變形控制效果更為顯著。

5 結(jié) 論

1)采用數(shù)值模擬方法，分析了礦用常規(guī)拉力集中型錨索內(nèi)錨段受力特征，指出拉力集中型錨索會(huì)在外錨固起始段會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，可能會(huì)導(dǎo)致錨索內(nèi)錨固的漸進(jìn)失效等問題。

2)提出了新型礦用拉力分散型錨索錨固結(jié)構(gòu)及施工工藝，孔內(nèi)采用中速樹脂錨固劑及研發(fā)的緩凝型樹脂錨固劑分段錨固，實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有的煤礦用錨索支護(hù)施工工藝不變的條件下，同一鉆孔內(nèi)不同錨固段的樹脂藥卷的分時(shí)分段錨固。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，該錨固結(jié)構(gòu)能夠顯著降低錨索孔內(nèi)剪應(yīng)力集中程度，錨索錨固可靠性顯著增強(qiáng)。

3)將新型礦用拉力分散型錨索技術(shù)應(yīng)用于井下工業(yè)試驗(yàn)。礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，礦用拉力分散型錨索較常規(guī)拉力集中型錨索內(nèi)錨力提高一倍甚至更高，有效改善了錨索內(nèi)錨力與破斷力的匹配效果，提高了錨索錨固可靠性，同時(shí)對(duì)巷道變形控制效果更為顯著。