改進型中長錨桿在山東小官莊鐵礦軟弱圍巖中的支護工藝研究

馬 聰，周 喻

(北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院，北京 100083)

軟弱圍巖通?？梢苑譃榈刭|(zhì)軟巖和工程軟巖。地質(zhì)軟巖是指強度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱巖層；工程軟巖是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體[1][2]。

軟弱破碎圍巖巷道的支護,是國內(nèi)外地下工程支護的難題之一，以其大變形、大地壓、難支護的顯著破壞特征，一直受到巖石力學及地下工程界的普遍關(guān)注，探索有效的軟巖支護方式勢在必行。隨著“新奧法”施工理念的發(fā)展，錨噴加固技術(shù)、注漿加固技術(shù)等在世界范圍內(nèi)的廣泛推廣，人們對軟巖的變形規(guī)律和壓力特征有了新的認識，出現(xiàn)了與軟巖變形規(guī)律和壓力特征相適應(yīng)的許多支護措施，錨注加固技術(shù)就是其中最成功和最典型的技術(shù)手段之一。

隨著小官莊鐵礦開采范圍的擴大和開采深度的增加，區(qū)間地壓增高，各采區(qū)相互間的采動影響也日趨加深，再加上深部礦巖性質(zhì)普遍變差，高應(yīng)力采場巷道的維護問題將變得更加突出。解決這類巷道的維護，是小官莊鐵礦保證穩(wěn)產(chǎn)和效率提高的最關(guān)鍵，也是最迫切的采礦技術(shù)問題之一。本文擬通過對高應(yīng)力區(qū)軟弱破碎圍巖巷道變形破壞機理，以及適用于該類復雜難采礦體承壓區(qū)采場巷道的支護理論與關(guān)鍵技術(shù)進行研究，對現(xiàn)行支護巷道圍巖穩(wěn)定性定量評價和優(yōu)化設(shè)計，降低巷道支護費用，改善巷道安全環(huán)境，提高采礦效率。

1 工程概況

小官莊鐵礦是魯中冶金礦業(yè)集團的主要礦山之一，位于山東省萊蕪市城北，直距8km。該礦床埋藏深、地壓大、圍巖軟弱破碎、礦體形態(tài)復雜，為我國有名的難采鐵礦床之一。據(jù)應(yīng)力測試，最大主應(yīng)力方向與礦體走向近似垂直，水平主應(yīng)力與豎向主應(yīng)力之比為1.3。而開采引起的二次應(yīng)力且遠大于此值，集中系數(shù)K達2～4，特殊情況下甚至可高達7～8以上。

目前，影響小官莊鐵礦采礦生產(chǎn)最大的問題就是巷道的掘支問題。已掘出巷道的維護，由于地壓大，圍巖軟破，巷道變形速度快，開挖過程中就有多處冒頂，巷道成形差，穩(wěn)定時間最長不超過2～3個月。大量巷道掘支后，就需進行補強支護，而且現(xiàn)有支護強度低，又長期受到干濕空氣交變的影響，部分區(qū)段底板還經(jīng)常受水的浸泡，巷道收斂變形大，底鼓尤為明顯，最嚴重區(qū)段的巷道斷面，由掘進時4m×3.6m縮至3m×3.2m，軌道多次返修。

2 原有支護形式破壞分析

魯中井下巷道采用的錨噴支護形式有素噴、單錨、錨噴、錨噴網(wǎng)及其它聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)，其中以錨噴支護結(jié)構(gòu)最多。近些年來，由于采深的加大和巖質(zhì)變差，錨噴網(wǎng)支護比例提高，已占到總支護量的90%以上。錨噴支護采用的結(jié)構(gòu)及參數(shù)為：錨桿多采用縫管摩擦錨桿和螺紋鋼筋砂漿錨桿，錨桿長度一般1.8m，錨桿布置網(wǎng)度0.8m×0.8m，金屬網(wǎng)筋網(wǎng)度200mm×200mm，噴層厚50～70mm。經(jīng)過對大量錨噴支護巷道穩(wěn)定效果的調(diào)查和分析，原有支護形式問題如下：

(1) 支護強度低

根據(jù)現(xiàn)場巷道深部圍巖位移量測，掘進支護三個月后的巷道，圍巖的松動圈厚度大多都超過2m，如圖1所示。小官莊鐵礦原設(shè)計采用的錨桿長度及錨桿密度都偏小，并很少采用中長錨桿支護，不能有效抑制圍巖的過度變形。另外，原有支護強度低，對破碎巖體變形的約束能力低，巷道易產(chǎn)生破壞變形。

圖1 巷道圍巖深部變形曲線圖

(2) 支護施工質(zhì)量差

原錨噴支護巷道采用的錨桿多為全膠結(jié)式砂漿錨桿，普遍存在注漿不飽滿的問題，孔底部位常出現(xiàn)空腔，達不到設(shè)計所要求的錨固深度。采用超聲無損檢測儀對16根頂板錨桿的注漿質(zhì)量的測定，1.8m長的錨桿錨固長度平均只有1.50m，而且無漿段都集中在孔底位置，孔底無砂漿長度最長達340mm。如此短的錨固深度，使錨桿的作用效果降低。

(3) 整體強度低

錨、噴、網(wǎng)三者間的黏結(jié)強度低，也是影響支護強度的重要原因[3]。以前，小官莊鐵礦采用的錨桿多為直桿鋼筋砂漿錨桿，當圍巖有變形時，錨網(wǎng)間的連接首先發(fā)生破壞，從而導致錨噴網(wǎng)支護整體失效。后雖然有一定的技術(shù)改進，如彎鉤錨桿、縫管摩擦錨桿，但是錨網(wǎng)仍難形成牢固粘結(jié)。另外，由于錨桿的錨固強度和錨網(wǎng)粘結(jié)強度存在差異，整個支護系統(tǒng)中各材料受力不同步，局部錨桿或噴層因應(yīng)力集中而提前破壞，從而引起整個支護系統(tǒng)失效。

(4) 巷道成型差

在掘進過程中，由于礦巖破碎或支護不及時，引起巷道垮冒，使得巷道成型差。采用錨噴支護后，在巷道周邊形不成完整而穩(wěn)定的承載拱結(jié)構(gòu)，且存在多處應(yīng)力集中點，一旦來壓，這類成型差的巷道就會過早發(fā)生破壞變形。小官莊鐵礦許多位于矽卡巖體中的巷道，掘進過程中，巷道經(jīng)常發(fā)生片冒，冒高一般1～2m，最高達4m。這些易片垮的巷道，一般成型差，支護受力不均勻，掘支成巷不久就會出現(xiàn)噴層開裂和圍巖片垮現(xiàn)象。

(5) 補強支護不及時

補強支護是巷道合理支護系統(tǒng)的一個組成部分，對采礦巷道是必要的，補強支護應(yīng)及時合適才能有效[4]。但在小官莊鐵礦實際生產(chǎn)中，補強支護實施時間普遍較遲，一般要等巷道破壞或原有的支護完全失效后再進行。此時圍巖松動范圍大，都超出了補強錨桿的約束范圍，有些圍巖體已達到碎裂解體的程度，此時進行補強和返修，都難以阻止巷道的快速變形。

綜上所述，小官莊鐵礦礦巖比較軟破，地層壓力也較大，同其它支護形式相比，錨噴支護更適合小官莊鐵礦的礦巖條件。尤其是施工靈活快捷、主動承載和成本低廉的支護特性，是其它支護形式所不及的。雖目前錨噴支護巷道掘支速度慢、穩(wěn)定時間短、返修率高的問題還比較突出，但這一問題解決，可從掘進、支護、維護幾個方面著手，重點解決軟巖巷道掘支成型、施工水治理、支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化、掘支工藝匹配、提高錨網(wǎng)連接質(zhì)量等問題。研制和推廣新型錨噴支護材料，錨噴支護存在的問題就會解決。

4 改進型中長錨桿工藝研究

中長錨桿長3.0～3.2m，初期采用的是機械式脹楔端錨桿，后期全部采用全長膠結(jié)砂漿錨固式，排間距1m，每排5～8根。該種錨桿錨固力大，抗變形能力大，對控制劇烈的地壓顯現(xiàn)、降低巷道變形速度、延長巷道使用壽命，具有極其明顯效果。采用中長錨桿支護的巷道，安全服務(wù)期平均延長5.8個月以上。改進型中，長錨桿為機械、全長錨桿的結(jié)合，在材料、孔徑、預應(yīng)力、速效性方面都有所改進。其工藝主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 錨桿體材料由Ⅱ級熱軋螺紋鋼改為精軋螺紋鋼

以前，魯中各礦山的中長錨桿全部是采用由Ф20mm的Ⅱ級熱軋螺紋鋼加工而成，但該錨桿一直有幾個問題未能解決。一是螺紋的加工，使端部桿體強度降低嚴重。二是加工的錨桿螺紋在搬運過程中容易損壞，此螺紋一旦損壞，螺母與墊板就無法施加。據(jù)抽查統(tǒng)計結(jié)果表明，螺母與墊板不到位或無法施加的錨桿，占所施工錨桿的30%以上。三是Ⅱ級熱軋螺紋鋼錨桿粘結(jié)力低，其粘結(jié)拉拔力比精軋螺紋鋼錨桿一般低20%～40%。根據(jù)上述問題，在小官莊鐵礦推廣應(yīng)用中長錨桿的過程中，全部改用了精軋螺紋鋼。

精軋螺紋鋼錨桿是通過特殊軋制工藝加工而成的，錨桿材料強度比Ⅱ級熱軋螺紋鋼高50%左右。另外，該錨桿的最大優(yōu)點是螺母可從錨桿任何一端旋入到達錨桿的另一端，端部又無需切削，桿體強度不損失，螺帽也可采用預制標準件，錨桿加工方便而且費用低。同時，軋制螺紋強度高，不易損壞，從而解決了螺母與墊板不能與巖面貼緊或因螺紋損壞螺母無法旋入的難題。經(jīng)對該錨桿強度試驗，錨桿與螺帽的咬合強度、桿體與砂漿的膠結(jié)強度，都大大優(yōu)于Ⅱ級熱軋螺紋鋼錨桿。

(2)孔徑調(diào)整

以前，中長錨桿孔的施工全部采用中深孔鉆機，孔徑為Ф60mm，由于孔徑大，注漿困難且不容易保證注漿質(zhì)量。在小官莊鐵礦用7655型手持式鉆機和小釬頭(Ф49)鉆鑿中長錨桿孔的應(yīng)用試驗證明，采用掘進鉆機鉆鑿小孔來施工中長錨桿，具有施工速度快、注漿效果好、掘進和初期支護同步施工等優(yōu)點，改善了中長錨桿的注漿質(zhì)量，顯著提高了巷道支護強度。

(3)預應(yīng)力施加方式調(diào)整

中長錨桿的端部錨固，一般采用兩種方式：一種是機械式，此錨固方式效果雖好，但因加工較困難，難以大面積采用，而應(yīng)推廣采用較為便宜的水泥砂漿錨固[5]。水泥砂漿錨固孔口自由端長一般為1.0m，外端加墊板，對錨桿施加10～20kN的預應(yīng)力。膠結(jié)錨固的另一種方式，是采用快凝水泥藥卷和樹脂藥卷膠結(jié)，錨固長度400～600mm，錨桿拉拔力可達120kN以上。由于采用樹脂膠結(jié)比水泥藥卷方便快速，質(zhì)量又易保證，現(xiàn)小官莊鐵礦絕大部分的中長錨桿，準備采用樹脂藥卷膠結(jié)，錨桿安裝后一般施加30～40kN的預應(yīng)力。目前，小官莊鐵礦正在施加預應(yīng)力錨桿支護的巷道已近1200m，巷道抗變形能力大大增強。

(4)增加錨桿速效性

速效性是軟破圍巖體巷道錨桿支護所要求的一種錨固性能[6]。以前曾采用過脹楔式中長錨桿，每根錨桿錨固力可達300kN，可施加70～80kN預應(yīng)力，加固效果較好。但由于加工復雜，成本又較高，未能大面積推廣應(yīng)用。后全部改為不加預應(yīng)力的全膠結(jié)式錨桿，錨桿需等巷道圍巖發(fā)生變形才開始起支護作用。但對于自穩(wěn)時間短、變形速度快的圍巖巷道，不進行速效支護，垮冒破壞就會發(fā)生，所以巷道一旦掘出，就必須立即對圍巖施加圍壓，才能抑制破壞變形。而這種圍壓，則需及時速效的錨桿施加預應(yīng)力才能實現(xiàn)。為了使中長錨桿具有速效性，試驗引入了樹脂膠結(jié)錨桿，并改全長錨固為端部錨固。其拉拔力可達120kN以上。

(5) 錨桿布置參數(shù)優(yōu)化

中長錨桿設(shè)計的依據(jù)，是對以短錨桿為基礎(chǔ)組成的圍巖承載拱進行吊掛支護，提高支撐能力，并以此降低圍巖的變形速度。按照錨桿錨固能力和支撐載荷計算，每米巷道只需3～4根錨桿，即可滿足巷道支護強度。但在實際應(yīng)用中，由于錨桿施加得較晚，初期支護已基本失效，巷道圍巖承載力降低，故每米巷道中長錨桿達到7～9根，帶來嚴重的浪費。為減少這種浪費，在錨桿及時施加和提高錨桿錨固質(zhì)量的前提下，采用每米巷道5.5根錨桿的布置方式，減少錨桿用量，節(jié)約生產(chǎn)成本。

通過改進中長錨桿結(jié)構(gòu)與采用新的安裝工藝，目前，小官莊鐵礦試驗采用中長錨桿支護的巷道穩(wěn)定性明顯得到改善，中長錨桿支護作用效果更加突出，對控制劇烈的地壓顯現(xiàn)和實現(xiàn)采場的順利回采起到重要作用。

5 結(jié)論

針對小官莊鐵礦地壓大、圍巖軟破、巷道變形速度快、現(xiàn)有支護強度不足、效果較差的特點，采用理論分析和試驗對比的方法，對原支護形式存在的問題進行總結(jié)研究，提出新型中長錨桿在小官莊鐵礦軟弱圍巖條件下應(yīng)用的施工工藝。通過分析，得出以下結(jié)論：

(1)噴錨支護是目前小官莊鐵礦運用的主要支護方式。對比其他支護方式，其施工靈活快捷、主動承載、成本低廉的特點，更適合小官莊鐵礦的礦巖條件，應(yīng)為支護方式的首選方案。

(2)原有支護因為支護參數(shù)和具體工藝及施工質(zhì)量等原因存在整體性差、支護強度低、補強不及時等問題，這也是造成圍巖、巷道破壞的主要原因。

(3)新型中長錨桿工藝針對原有支護存在的問題，對材料、孔徑、預應(yīng)力施作方式、構(gòu)件連接等工藝和參數(shù)作了多方面改進，加強了支護的強度，提高了施工質(zhì)量，改善了經(jīng)濟效益。錨桿強度提高了50%，預應(yīng)力較原支護提高了一倍。在保證支護質(zhì)量的前提下，錨桿用量從每米7～9根減少到5.5根，大大節(jié)約了錨桿用量。

(4)采用新型工藝的中長錨桿支護，在小官莊鐵礦圍巖巷道中取得了突出效果，巷道穩(wěn)定性明顯改善，支護效果好，對控制劇烈的地壓顯現(xiàn)和實現(xiàn)采場的順利回采起到重要作用。

[1] 何滿朝,景海河,孫曉明.軟巖工程力學[M].北京:科學出版社,2002.

[2] 王 勃. 軟巖巷道變形力學機制及支護實踐[J].礦山壓力與頂板管理，1996，(3):51-54.

[3] 楊新安,陸士良.軟巖巷道錨注支護理論與技術(shù)的研究[J].煤炭學報,1997，(1):32-36.

[4] 王連國,李明遠,王學知. 深部高應(yīng)力極軟巖巷道錨注支護技術(shù)研究[J].巖石力學與工程學報,2005,24(16):2889-2893.

[5] 李永友,李樹清. 深部軟巖巷道錨注聯(lián)合支護圍巖承載機理分析[J].湖南科技大學學報(自然科學版), 2008,23(1):10-14.

[6] 程良奎.巖土錨固研究與新進展[J].巖石力學與工程學報,2005，(21):3803-3811.