端錨自旋可伸長(zhǎng)式錨桿的研究與設(shè)計(jì)

王 博

(寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750021)

1 引言

目前，錨桿支護(hù)作為一種主動(dòng)支護(hù)形式，在巷道支護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但是在一些松軟大變形巷道的支護(hù)工程中還存在一定的缺項(xiàng)，制約了錨桿支護(hù)作用的有效發(fā)揮， 主要有以下幾點(diǎn)問題：

(1)在深埋大變形巷道中，由于地應(yīng)力較大，圍巖變形較為明顯，普通錨桿支護(hù)相對(duì)于巷道圍巖剛度過大特別是松軟破碎巷道，錨桿的變形量小于圍巖變形量，圍巖不能充分卸載，錨桿受力過大致使支護(hù)失效；

(2)在軟弱大變形巷道中，過去常采用中空注漿錨桿，這種中空注漿錨桿的設(shè)計(jì)位置如果是在巷道的頂部，往往會(huì)出現(xiàn)注漿氣泡且漿液向下流淌，致使?jié){液的飽和度達(dá)不到使用要求，錨桿與圍巖之間存有空隙，導(dǎo)致錨桿錨固力下降；

(3)巷道圍巖的變形在深埋巷道中往往時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)，對(duì)錨桿支護(hù)而言應(yīng)該使錨桿具有一定變形儲(chǔ)備量，普通的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)無法保證錨桿能持續(xù)適應(yīng)圍巖變形。

針對(duì)傳統(tǒng)錨桿存在的巷道支護(hù)不足，研究與設(shè)計(jì)了一種新型錨桿，并驗(yàn)證了該新型錨桿應(yīng)用的可行性。

2 端自旋可伸長(zhǎng)式錨桿設(shè)計(jì)思路

端錨自旋可伸長(zhǎng)式錨桿是一種非全長(zhǎng)錨固錨桿，主要應(yīng)用在破碎圍巖巷道以及深埋大變形巷道等支護(hù)工程。采用增大摩擦阻力與彎曲可伸長(zhǎng)共同作用的設(shè)計(jì)理念，在錨桿前部設(shè)置旋絲錨葉多點(diǎn)摩擦錨固和錨桿后部彎曲可伸長(zhǎng)增加變形量，顛覆了傳統(tǒng)錨桿單一支護(hù)工作理念，省掉了繁瑣的工作程序，將藥卷攪拌、注漿、支護(hù)等工作一次性到位，在增大錨桿錨固力及變形量的基礎(chǔ)上提高了施工效率。端錨自旋可伸長(zhǎng)式錨桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1-鉆頭；2-前部端錨加固段桿體；3-后部彎曲可伸長(zhǎng)段桿體；4-托盤；5-螺母；d1-鉆頭外徑; d2-旋絲錨葉外徑; d3-后部彎曲可伸長(zhǎng)段桿體外徑圖1 端錨自旋可伸長(zhǎng)式錨桿結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可以看出，端錨自旋可伸長(zhǎng)式錨桿主要由鉆頭、錨桿桿體、托盤和螺母組成，其中錨桿桿體由前部端錨加固段桿體和后部彎曲可伸長(zhǎng)段桿體組成，錨桿桿體兩端設(shè)置有外螺紋。錨桿鉆頭為十字型合金鉆頭，能夠防止端頭的螺絲在旋進(jìn)過程中變形，同時(shí)鉆頭的一端設(shè)置有與錨桿桿體的外螺紋相匹配的內(nèi)螺紋，錨桿鉆頭與前部端錨加固段桿體的一端通過螺紋連接，前部端錨加固段桿體的另一端和后部彎曲可伸長(zhǎng)段桿體的一端連接，前部端錨加固段桿體與后部彎曲可伸長(zhǎng)段桿體為一體式結(jié)構(gòu)連接，前部端錨加固段桿體的長(zhǎng)度與后部彎曲可伸長(zhǎng)段桿體的長(zhǎng)度比為1∶1。鉆頭外徑d1與前部端錨加固段桿體的旋絲錨葉外徑d2以及后部彎曲可伸長(zhǎng)段桿體的外徑d3相同，均為32 mm。

前部端錨加固段桿體為實(shí)心桿身，桿身的圓周面上設(shè)置有螺旋狀旋絲錨葉的螺紋鋼桿，其中的旋絲錨葉由機(jī)器冷加工后焊接在桿身上，旋絲錨葉可以起到攪拌漿液、防止?jié){液溢出、增加漿液飽和度以及增加錨固力的作用，旋絲錨葉的旋轉(zhuǎn)角度為60°。

后部彎曲可伸長(zhǎng)段桿體為彎曲狀且可伸長(zhǎng)的螺紋鋼桿，采用實(shí)心桿身，后部彎曲可伸長(zhǎng)段可彎曲成3個(gè)彎曲單元，彎曲單元的長(zhǎng)度為100 mm，彎曲單元圓弧對(duì)應(yīng)半徑為50 mm。

錨桿托盤設(shè)置有中心通孔，其中螺母設(shè)置有與錨桿桿體的外螺紋相匹配的內(nèi)螺紋，后部彎曲可伸長(zhǎng)段的另一端穿過托盤的中心通孔與螺母通過螺紋連接，托盤套在后部彎曲可伸長(zhǎng)段上，旋緊螺母后可以將托盤固定在后部彎曲可伸長(zhǎng)段桿體上。

3 端錨自旋可伸長(zhǎng)式錨桿支護(hù)特點(diǎn)

端錨自旋可伸長(zhǎng)式錨桿在不增加錨桿支護(hù)密度和錨桿直徑的前提下，即可提供更大的錨固力和更強(qiáng)的變形適應(yīng)性，其主要應(yīng)用特點(diǎn)如下。

(1)端錨自旋可伸長(zhǎng)式錨桿通過前部端錨加固段桿體上的旋絲錨葉可以深入巖體中形成多點(diǎn)接觸接觸產(chǎn)生摩擦，使產(chǎn)生側(cè)向應(yīng)力作用在旋絲錨葉之間的錨桿桿身上，增大了摩擦錨固力，實(shí)現(xiàn)及時(shí)支護(hù)以及施工完成立即承載的效果。其中，前部端錨加固段桿體上的旋絲錨葉角度為60°，能夠更好地配合鉆頭深入到巖層中。在漿液擴(kuò)散過程中，使?jié){液順著旋絲錨葉往出流能夠更好地排出漿液中的氣泡，同時(shí)防止?jié){液外溢，達(dá)到有效的飽和度，使其具有更好的錨固性。

(2)端錨自旋可伸長(zhǎng)式后部彎曲可伸長(zhǎng)段桿體，可以隨著圍巖變形量的增加提供更多的可伸長(zhǎng)變形量，當(dāng)巷道圍巖變形量較大時(shí)，仍可保證錨桿正常發(fā)揮作用。

(3)端錨自旋可伸長(zhǎng)式錨桿相比于傳統(tǒng)錨桿，可以在不增加錨桿支護(hù)密度和錨桿直徑的前提下提供更大的錨固力和更強(qiáng)的變形適應(yīng)性，在松軟破碎巷道施工中具有良好的應(yīng)用前景。

4 數(shù)值模擬分析

以大變形煤礦巷道為背景，采用有限差分法數(shù)值計(jì)算程序FLAC 3D對(duì)端錨自旋可伸長(zhǎng)式錨桿進(jìn)行的數(shù)值模擬分析后的x方向應(yīng)力云圖和z方向應(yīng)力云圖如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3 的數(shù)值模擬分析可知，在支護(hù)方案模擬過程中，兩幫及頂板雖出現(xiàn)較小拉應(yīng)力，塑性區(qū)未擴(kuò)展到錨桿錨固段范圍內(nèi)，巷道兩幫移近量和頂板下沉量完全滿足安全生產(chǎn)的需要，證明了新型錨桿支護(hù)技術(shù)體系的可靠性，可以采用新型錨桿進(jìn)行試驗(yàn)段施工。

圖2 x方向應(yīng)力云圖

圖3 z方向應(yīng)力云圖

5 工業(yè)試驗(yàn)

本次新型錨桿試驗(yàn)巷道為礦井馬頭門延伸巷道，該巷道位于3#煤層內(nèi)，厚度為2.7～4.8 m，局部夾泥巖夾矸，以亮煤為主，其次為鏡煤、暗煤，層狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)生裂隙發(fā)育，條痕為灰黑色，視密度為1.41 t/m3，真密度為1.49 t/m3，煤層穩(wěn)定，透氣性較好，呈單斜構(gòu)造，煤層產(chǎn)狀走向?yàn)?10°～340°，傾角為2°～5°，由西向東逐漸加厚。該巷道變形破壞具有如下特性。

(1)巷道頂板下沉量較大，頂板的離層和破碎相互作用，掘巷后頂板活動(dòng)期較長(zhǎng)。

(2)底鼓及巷幫發(fā)生劇烈蠕變變形，巷道的頂板下沉、兩幫移近和劇烈底鼓往往同時(shí)發(fā)生，且相互影響，形成惡性循環(huán)。

(3)巷道圍巖對(duì)擾動(dòng)極為敏感，當(dāng)受到采動(dòng)等影響時(shí)，會(huì)發(fā)生劇烈的變形，甚至整體失穩(wěn)破壞。

(4)圍巖遇水膨脹，易破碎，巷道部分圍巖含有親水性較強(qiáng)的礦物，這些礦物遇水后軟化，體積膨脹，變形加劇。

(5)普通剛性支護(hù)普遍容易被破壞，巷道變形速度快、變形量大且變形時(shí)間長(zhǎng)。普通剛性支護(hù)所承受的變形壓力較大，不適應(yīng)大變形巷道的變形規(guī)律，施工后較快發(fā)生破壞。

從巷道變形特點(diǎn)可知，能否充分發(fā)揮圍巖的自承能力，是實(shí)現(xiàn)巖石采礦工程穩(wěn)定的最經(jīng)濟(jì)最可靠的方法。巖石內(nèi)的應(yīng)力及其強(qiáng)度是決定圍巖穩(wěn)定的首要因素，當(dāng)巖體應(yīng)力超過強(qiáng)度而設(shè)置支護(hù)時(shí)，支護(hù)應(yīng)力與支護(hù)強(qiáng)度則變成巖石工程穩(wěn)定的決定因素，因此使用新型錨桿進(jìn)行支護(hù)具有現(xiàn)實(shí)意義。

6 端錨自旋可伸長(zhǎng)式錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

本次錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)采用自穩(wěn)隱形拱錨桿支護(hù)理論。自穩(wěn)隱形拱理論認(rèn)為，錨桿的支護(hù)作用只是保護(hù)一定范圍圍巖的相互咬合，防止自穩(wěn)隱形拱內(nèi)圍巖局部突變，保障圍巖的協(xié)調(diào)變形。該理論首先是基于圍巖具有自我穩(wěn)定能力這一基本點(diǎn)上，并認(rèn)為不論圍巖如何松軟，只要是似連續(xù)介質(zhì)，其即使出現(xiàn)片幫冒頂現(xiàn)象，這樣的冒落在一般情況下也不會(huì)是無限的，最終必然達(dá)到相對(duì)的穩(wěn)定平衡。即使是松散介質(zhì)，當(dāng)這種介質(zhì)的結(jié)構(gòu)體互相咬合也能達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定平衡，這稱之為巷道的自穩(wěn)現(xiàn)象。對(duì)巷道的支護(hù)就是對(duì)巷道在達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定平衡過程中自穩(wěn)隱形拱內(nèi)出現(xiàn)的片幫冒頂?shù)木S護(hù)，保證在這一過程中只出現(xiàn)變形而不出現(xiàn)片幫冒落。因此，錨桿支護(hù)工作只是保護(hù)圍巖一定范圍圍巖的這種相互咬合。頂錨桿的有效作用可以縮小自穩(wěn)隱性拱，增加頂板的穩(wěn)定性。錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中至少要深入到自穩(wěn)隱形拱內(nèi)500 mm以上，才能實(shí)現(xiàn)巷道支護(hù)的有效性。

根據(jù)自穩(wěn)隱形拱原理采用端錨自旋可伸長(zhǎng)式錨桿進(jìn)行支護(hù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。頂、幫錨桿均使用端錨自旋可伸長(zhǎng)式錨桿，使用樹脂錨固劑，每個(gè)錨桿配置1個(gè)CK2335和1個(gè)Z2350錨固劑。錨索直徑為?15.24 mm，長(zhǎng)度為4300 mm。使用樹脂錨固劑，每個(gè)錨索配置1個(gè)CK2335和2個(gè)Z2350樹脂錨固劑，每間隔2.4 m設(shè)置一根錨桿，網(wǎng)片采用12#鐵絲編織。

在巷道掘進(jìn)過程中每天監(jiān)測(cè)一次頂板離層。監(jiān)測(cè)中使用鋼帶式多點(diǎn)位移計(jì)，深部基點(diǎn)在頂板6 m處，主要基點(diǎn)在2 m處。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，雖然頂板收斂量并不大，可巷道壓力顯現(xiàn)呈持續(xù)狀況，這證明了新型錨固體系支護(hù)設(shè)計(jì)基本合理。頂板位移收斂監(jiān)測(cè)情況如圖4所示。

圖4 頂板位移收斂監(jiān)測(cè)情況

7 結(jié)語

(1)端錨自旋可伸長(zhǎng)式錨桿通過旋絲錨葉深入孔壁巖層增加形成多點(diǎn)摩擦作用，即時(shí)承載不僅增加了錨桿錨固力，而且在錨桿旋絲錨葉攪拌漿液的過程中，可以防止?jié){液溢出，增加了漿液飽和度，而彎曲可伸長(zhǎng)式的設(shè)計(jì)可以保證隨著圍巖變形增大，彎曲段可提供更多的變形伸長(zhǎng)量，適應(yīng)巷道變形。

(2)在試驗(yàn)巷道掘進(jìn)過程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)頂板離層，測(cè)試數(shù)據(jù)表明，頂?shù)装遄冃瘟孔畲鬄?7 mm，處于安全可控狀態(tài)，證明了新型錨固體系支護(hù)使用的可靠性。

(3)端錨自旋可伸長(zhǎng)式錨桿實(shí)現(xiàn)了在不增加錨桿支護(hù)密度和錨桿直徑的前提下即可提供更大的錨固力和較強(qiáng)的變形適應(yīng)性，通過FLAC 3D有限元數(shù)值模擬分析和工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證了技術(shù)的可行性，在松軟破碎煤礦巷道顯示了良好的應(yīng)用前景。