中空注漿錨索破壞規(guī)律分析及關(guān)鍵技術(shù)性能優(yōu)化

黃中峰

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

中空注漿錨索破壞規(guī)律分析及關(guān)鍵技術(shù)性能優(yōu)化

黃中峰

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

針對中空注漿錨索在高地應(yīng)力軟巖巷道支護過程出現(xiàn)的技術(shù)難題，深入探討了中空注漿錨索的破壞機理，并對注漿錨索的承載性能進行優(yōu)化，進而實現(xiàn)注漿與支護一體化，防止頂板事故發(fā)生。結(jié)合朱集煤礦現(xiàn)場調(diào)研，主要在鎖具附近發(fā)生剪切破斷及鋼絞線與注漿體-錨固體界面發(fā)生剪切滑移而導(dǎo)致退錨現(xiàn)象等，注漿錨索破壞率達到83.4%。采用力學(xué)計算與FLAC3D數(shù)值模擬的方法分析了鋼絞線與注漿漿界面的應(yīng)力狀態(tài)和破壞機理，得出了注漿錨索的應(yīng)力公式及應(yīng)力分布規(guī)律，通過模擬實驗得到了注漿錨索在不同注漿效果下的應(yīng)力演化特征、剪切滑移特征和極限位移量的演化特征，并提出了對注漿錨索的減壓抗震裝置及出漿孔位置優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)果表明，錨索破壞率降低至17.3%，巷道變形量得到有效控制，注漿效果得到顯著改善。

中空注漿錨索 性能優(yōu)化 錨注一體化 極限載荷 減壓抗震裝置

隨著淺部資源的逐漸枯竭，礦井開采不斷向深部發(fā)展，隨之產(chǎn)生大量的深井軟巖問題[1]。1996—1997年，我國引進了澳大利亞錨桿支護技術(shù)，并針對我國煤礦地質(zhì)與生產(chǎn)條件進行了更深入的開發(fā)[2]。加長、全長樹脂錨固高強度螺紋鋼錨桿，小孔徑樹脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索等技術(shù)得到普遍認可和大面積推廣應(yīng)用，成為我國煤礦巷道的主導(dǎo)支護技術(shù)[3]，但由于千米深井軟巖破碎巷道支護難度逐漸增加，支護強度不足導(dǎo)致頂板下沉、離層、冒頂?shù)仁鹿实陌l(fā)生，中空注漿錨索支護技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。隨著注漿錨索在高壓軟巖破碎巷道支護中的廣泛應(yīng)用，也出現(xiàn)了各種不同程度的破壞，影響了巷道整體支護效果。近年來，反射波原理或電磁感應(yīng)理論是錨桿索無損檢測的基本原理，檢測手段有超聲波法[4]。

目前，國內(nèi)外對此破壞形式的研究僅限于界面剪切應(yīng)力造成的影響，而未考慮界面擠壓應(yīng)力造成的影響[5-8]，注漿錨索與砂漿-錨固劑界面的擠壓應(yīng)力與界面的幾何形狀相關(guān)，因此，對這種破壞機制的分析應(yīng)從注漿錨索與砂漿界面的幾何形狀開始[9]。而錨固劑中產(chǎn)生拉伸破壞和剪切破壞，剪切破壞區(qū)主要分布在與桿體橫肋接觸處，拉伸破壞區(qū)主要位于孔口，說明桿體橫肋的存在使錨固劑受力狀態(tài)發(fā)生了改變，錨固劑由單純的拉伸破壞變?yōu)槔⒓艚M合破壞[10]。

研究表明，在極限狀態(tài)下錨索破壞主要有以下幾種形式：①鋼絞線與注漿體-錨固體界面的破壞；②注漿體-錨固體與圍巖體界面的破壞；③鋼絞線-中空管的斷裂；④索具的破壞；⑤圍巖體破壞。經(jīng)工程實踐觀測，第①種破壞形式較多，第③種破壞形式次之。

1 注漿錨索與砂漿體界面的力學(xué)分析

1.1 注漿錨索力學(xué)模型建立

由于中空注漿錨索對巖體施加的作用是對稱于錨索中心軸線的，其幾何形狀、約束條件也可視為對稱于錨索中心軸線，因此，首先分析單根錨索與灌漿體界面的幾何形狀[11]，可作為一般無限空間軸對稱問題分析研究，受力分析和計算模型如圖1所示。

圖1 注漿錨索力學(xué)模型

用柱坐標表達其弧線BDE方程為

(1)

其中，-11π/18<α<11π/18。

單根鋼絞線中弧線BDE圍繞z軸旋轉(zhuǎn)一周，形成一個螺旋帶，共有8根類似的鋼絞線圍繞中空管旋轉(zhuǎn)，其單根鋼絞線旋轉(zhuǎn)曲面方程為

(2)

1.2 軸向力作用下錨索與錨固體界面的相互作用

當中空注漿錨索受軸向力作用時，鋼絞線與灌漿體接觸面之間產(chǎn)生擠壓現(xiàn)象，同時，注漿錨索與管漿體之間有扭轉(zhuǎn)滑移的趨勢，假設(shè)鋼絞線逆時針旋轉(zhuǎn)，以鋼絞線弧線BDE為研究對象，如圖1(b)所示，則鋼絞線BD段形成的螺旋面對灌漿體產(chǎn)生擠壓，而弧線DE段則產(chǎn)生黏結(jié)作用。若為順時針方向，則鋼絞線相互作用相反。針對研究對象單元取值范圍為0≤α≤11π/18，0≤θ≤2π。

中空注漿錨索在軸向力作用下，由于鋼絞線與砂漿體界面之間的扭轉(zhuǎn)滑移，D點的擠壓力是非常小的，然而，點C的擠壓力最大。由于弧線BC段可能存在注漿不嚴實，出現(xiàn)未充填現(xiàn)象，可將BC段的相互作用忽略。因此，經(jīng)計算得出注漿錨索應(yīng)力公式

式中，Pm(z)為最大接觸剪切力；

r為注漿錨索半徑，mm。

經(jīng)分析可以得到

(3)

因此，主要分析注漿錨索在在軸向力作用下剪切力τrz，其中h=λa,h為螺距，經(jīng)簡化，有

(4)

結(jié)合朱集礦中空注漿錨索在煤礦的應(yīng)用，注漿錨索采用8根φ6 mm周邊絲+φ10 mm注漿芯管，考慮注漿錨索和巖體的彈性模量分別為Ea=1.65×105MPa，E=6×103MPa，μ=0.25，注漿錨索直徑φ=22 mm，鋼絞線及中空管半徑分別取a=3 mm和b=5 mm。假設(shè)注漿錨索的拉拔力P=200 kN，則錨索體所受的剪應(yīng)力分布為

-101.73×z×e-48.09z2,

(5)

應(yīng)力分布曲線如圖2所示。

圖2 剪應(yīng)力沿錨索軸向分布曲線

2 注漿錨索數(shù)值模擬

2.1 模型建立

針對某礦建立模型，通過FLAC3D數(shù)值模擬，采用巷道圍巖的本構(gòu)關(guān)系采用莫爾-庫侖模型，為了避免模型的邊界條件對數(shù)值模擬準確性的影響，采用模型取長×寬×高=6 m×10 m×6 m，建立分區(qū)有176 000個，節(jié)點共計181 241個。模型如圖3所示。

圖3 FLAC3D 錨索數(shù)值模型

2.2 注漿不密實錨索對比分析

通過井下光纖在線監(jiān)測系統(tǒng)分析可知，中空注漿錨索在井下的注漿效果可以分為4類：

(1)注漿錨索鋼絞線與鉆孔孔壁完全注滿漿液，即鋼絞線與孔壁無空洞現(xiàn)象。

(2)注漿錨索中部注漿充實，端部出現(xiàn)不同程度的空洞現(xiàn)象即錨索與鉆孔之間存在空隙現(xiàn)象。

(3)注漿錨索中部出現(xiàn)空洞現(xiàn)象，端部注漿密實即錨索中間與鉆孔之間存在空隙現(xiàn)象。

(4)由于注漿錨索出漿孔堵塞，注漿錨索完全未注漿，即鋼絞線與孔壁之間出現(xiàn)全段空隙。

2.3 注漿錨索模擬實驗研究

2.3.1 應(yīng)力演化特征分析

錨索拉拔數(shù)值模擬是在以無圍巖壓力的情況下進行拉拔，主要分析注漿錨索拉拔過程中錨索及錨固體破壞的過程，選取參數(shù)如下。

(1)注漿錨索鋼絞線公稱直徑：6.0 mm。

(2)注漿錨索索體直徑：22 mm。

(3)安裝鉆孔直徑：32 mm。

(4)樹脂錨固長度：1 000～1 500 mm。

(5)注漿管規(guī)格：內(nèi)徑7.5 mm，外徑10 mm。

(6)施加載荷：80、120、160、200、240、280、320、360、400、440 kN。

根據(jù)不同載荷下錨索破壞應(yīng)力演過特征分析可知，注漿錨索失效過程是一個從量變到質(zhì)變的過程，錨索在受力開始傳遞時由錨索底部逐漸傳遞到錨固段，剪切滑移破壞逐漸上升，最終整個錨索發(fā)生破斷，錨索破斷位移量達到250 mm左右，在80～360 kN區(qū)間范圍內(nèi)，錨索延伸屬于正常拉伸，拉伸量的變化逐漸增加，位移從2.7 mm增加至86 mm。在360～440 kN區(qū)間范圍內(nèi)，錨索的位移量突然增加，從86 mm增加至250 mm，瞬間產(chǎn)生破壞，當錨索破壞后，拉力不再隨著位移的變化而變化，進而達到平衡。

2.3.2 錨索注漿不密實的應(yīng)力、位移演化特征

(1)錨索注漿不密實特征分析。錨索在注漿時出現(xiàn)注漿不密實現(xiàn)象，可以分為2類：①出現(xiàn)連續(xù)空洞現(xiàn)象即出現(xiàn)錨索空洞+注漿段+錨固段。②出現(xiàn)間隔式空洞現(xiàn)象即錨索注漿段+空洞+錨固段。

(2)不同載荷錨索應(yīng)力-位移演化特征分析。在注漿體出現(xiàn)的第一類空洞現(xiàn)象即在連續(xù)性空洞現(xiàn)象，其位移演化特征如圖4所示(以Zdis=2.5 m為例，Zdis為空洞距離錨索端部的長度，m)。

圖4 錨索軸力與位移曲線(Zdis=2.5 m)

由圖4分析可知，分別對空洞位于錨索端部0.5，1，…，5 m的距離進行張拉模擬，隨著載荷的逐漸增加,發(fā)生剪切滑移的位移量也逐漸增大，當錨索發(fā)生失效破壞時，載荷曲線趨于平衡。隨著空洞的距離的增加，錨索發(fā)生破壞的極限載荷逐漸減少，極限位移量逐漸減少，表明注漿空洞現(xiàn)象對錨索的承載能力及補強加固作用有著嚴重的影響。注漿錨索的軸力分布和極限位移之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 連續(xù)性注漿不密實錨索極限載荷-位移曲線

由圖5分析可知，隨著錨索空洞現(xiàn)象的增加，錨索的極限載荷與極限位移在逐漸地降低，因此，在進行中空逐漸錨索補強加固圍巖時，一定要避免出現(xiàn)注漿空洞現(xiàn)象。

在注漿體出現(xiàn)的第二類空洞現(xiàn)象即間隔性性空洞現(xiàn)象，其應(yīng)力-位移演化特征如圖6(以Zdis=2～2.5 m為例)和圖7所示。

圖6 間隔性注漿不密實錨索軸力-位移曲線(Zdis=2～2.5 m)

由圖6和圖7分析可知，在間隔性注漿不密實錨索拉拔過程中，隨著空洞位置的變化，錨索的極限載荷有遞增的趨勢，但極限位移量在不斷下降。

圖8和圖9為注漿錨索在全長錨固、連續(xù)性不密實錨固和間隔性不密實錨固情況下的效果。

圖7 間隔性注漿不密實錨索極限載荷-位移曲線

圖8 注漿錨索極限載荷演化特征

圖9 注漿錨索極限位移量演化特征

如圖8和圖9分析可知，全長錨固注漿錨索、連續(xù)性注漿不密實錨索和間隔性注漿不密實錨索的最低極限載荷分別為440、36和390 kN，最低極限位移量分別為250、110和223 mm。因此，在使用注漿錨索時，應(yīng)避免連續(xù)性注漿不密實現(xiàn)象，此時最低極限載荷達到36 kN，位移量為110 mm，可見在進行巷道支護時極容易發(fā)生破壞。

3 注漿錨索性能優(yōu)化及效果分析

(1)增加減壓抗震裝置。注漿錨索發(fā)生破斷的主要原因是承載強度不足和錨索延伸率達不到要求，因此，在不能增加錨索延伸率的基礎(chǔ)上增加注漿錨索減壓抗震裝置。注漿錨索的減壓抗震裝置主要是避免工作面回采過程中頂板突然來壓，導(dǎo)致錨索過載破斷，同時，也可以避免注漿錨索與砂漿體界面發(fā)生滑移破壞。注漿錨索的過載保護裝置主要由膨脹體和壓縮體組成。該裝置的讓壓位移量必須合理設(shè)計，讓壓位移量過大，會使巷道頂板下沉量過大，甚至?xí)l(fā)生頂板離層，明顯降低注漿錨索的主動支護作用，甚至?xí)龃笙锏赖淖冃瘟縖13]。然而，裝置的讓壓量不足，會阻礙巷道頂板變形和壓力的釋放，不能發(fā)揮減壓抗震作用。經(jīng)過實驗室試驗得知，注漿錨索的減壓抗震保護裝置能夠起到保護作用的合理范圍是剛環(huán)被拉入保護套管內(nèi)50～80 mm。因此，增加減壓抗震技術(shù)后，注漿錨索可以大范圍改善圍巖性質(zhì)，提高整體承載結(jié)構(gòu)的承載能力[12]。中空注漿錨索減壓抗震結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 注漿錨索讓壓結(jié)構(gòu)

(2)出漿孔參數(shù)優(yōu)化。目前，注漿效果差主要體現(xiàn)在漿液難以注進巖體，注漿量少，注漿壓力過大，導(dǎo)致炸管現(xiàn)象等。該礦主要采用單出漿孔錨索注漿，且出漿孔長度不一，最短距離僅為3 mm，漿液難以流出，一旦發(fā)生堵塞現(xiàn)象，將失去注漿作用如圖11所示。因此，將單一出漿孔注漿錨索優(yōu)化為多孔連接式注漿錨索，且出漿孔距離長度應(yīng)為10～25 mm，中空管出漿孔結(jié)構(gòu)示意圖如圖12所示。

圖11 優(yōu)化前注漿錨索結(jié)構(gòu)

圖12 優(yōu)化后注漿錨索結(jié)構(gòu)

(3)巷道控制效果分析。根據(jù)注漿錨索在朱集煤礦的應(yīng)用，巷道頂?shù)装逡平繌?50 mm降低到270 mm，降低了71.5%，兩幫移近量從830降低到220 mm，降低了73.5%，巷道支護效果得到明顯改善，如圖13所示。

4 結(jié) 論

(1)在注漿錨索孔口處，注漿錨索所受的剪應(yīng)力為零，隨著錨索延伸剪應(yīng)力急劇增大并迅速達到峰值，最大剪應(yīng)力發(fā)生在z=100 mm處，其數(shù)值達6.29 MPa，當注漿錨索載荷達到一定值時，在錨索孔口附近處的剪應(yīng)力超過黏結(jié)材料彈性極限而進入塑性流動狀態(tài)，進而發(fā)生破斷現(xiàn)象。

(2)當出現(xiàn)注漿空洞現(xiàn)象，錨索的極限載荷和極限位移量都隨之降低，當出現(xiàn)連續(xù)性不密實注漿時，錨索的極限載荷僅為36 kN，極限位移量僅為110 mm，錨索的承載能力急劇下降，因此在進行注漿加固時應(yīng)當避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。

(3) 提出了一種注漿錨索減壓抗震裝置及對注漿錨索出漿孔尺寸進行了優(yōu)化設(shè)計，彌補了注漿錨索延伸率不足的缺陷，提高了注漿錨索的注漿效果，解決了因注漿堵塞導(dǎo)致炸管的現(xiàn)象。

(4) 有效解決了高地應(yīng)力軟巖巷道注漿錨索支護效果不佳的技術(shù)難題，在巷道支護過程中使巷道頂?shù)装逡平拷档土?1.5%，兩幫移近量降低了73.5%，為沿空留巷下個工作面復(fù)用提供了可靠的基礎(chǔ)，大大減少了巷道重新修復(fù)使用的工程量。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Research on Hollow Grouting Anchor Damage Law Analysis and Performance Optimization of the Key Technologies

Huang Zhongfeng

(ChongqingInstituteofChinaCoalTechnologyandEngineering，Chongqing400037，China)

For hollow grouting anchor in the highlands stress soft rock roadway process for technical problems，Depth study of the failure mechanism of hollow grouting anchor，anchor grouting and bearing performance is optimized，thus achieving grouting and supporting the integration of the roof to prevent accidents. According to the site investigation of zhu ji mine routing anchor damage rate reached 83.4 percent，Occurs mainly in the vicinity of the shear locks and strand breakage and grout - anchor the interface shear slip phenomenon caused withdrawal anchor. Using mechanical calculations and numerical simulation method to analyze the stress FLAC3Danchor and mortar interface status and failure mechanism，Stress formula obtained grouting anchor and stress distribution，Through simulation experiments stress evolution of grouting anchor grouting under different effects，characteristics and evolution of shear slip displacement limit，And raised the pressure grouting anchor seismic devices and a slurry hole location optimization of key technologies，F(xiàn)ield results show that the anchor damage rate decreased to 17.3%，the deformation of the roadway has been effectively controlled，grouting effect has been significantly improved.

Hollow grouting anchor cable，Performance optimization，Integrated technology of bolting and grouting，Limit load，Decompression seismic devices

2015-06-04

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(編號：2013CB227904) 。

黃中峰(1987—)，男，工程師，碩士研究生。

TD311

A

1001-1250(2015)-09-116-06