錨桿錨索預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固技術(shù)的實(shí)踐

許 磊

（山西焦煤集團(tuán)西山煤電集團(tuán)官地礦，山西 太原 030000）

官地礦三水平為-1200～ -1026m，全煤順槽巷道沿3煤層底板布置，開(kāi)拓巷道主要為穿層施工。隨著開(kāi)拓延深，地壓增大，巷道變形加劇，巷道支護(hù)越來(lái)越困難。巷道圍巖的回縮量達(dá)到700～1100mm，底鼓量為200～700mm，返修周期為2～4個(gè)月。為了解決支護(hù)問(wèn)題，先后采取了加大錨桿和錨索直徑、提升支護(hù)材料材質(zhì)、增加讓壓圈達(dá)到錨桿和錨索耦合支護(hù)等技術(shù)措施，但效果不明顯。

1 預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固技術(shù)施工工藝

官地礦目前錨桿（錨索）施工工藝主要為：鉆孔→利用錨桿（錨索）頂入樹(shù)脂藥卷→利用錨索鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頂推錨桿（錨索）→安裝完成進(jìn)行錨桿緊固加壓（錨索拉撥加壓）。

改進(jìn)后全長(zhǎng)錨固錨桿施工方法為：巷道頂部鉆孔施工完成后，用注漿管將樹(shù)脂藥卷頂推至孔底（圖1a），注漿（圖1b）；注漿泵將混合后的水泥漿壓出至孔底，此時(shí)水泥漿將樹(shù)脂藥卷包圍，錨桿止塞在水泥漿壓力作用下后退至孔口，停止注漿，拔下注漿管，水泥漿呈現(xiàn)瞬時(shí)擬態(tài)穩(wěn)定性?huà)煸诳變?nèi)不落，插入帶錨桿止?jié){塞的鋪桿（圖1c）并旋轉(zhuǎn)頂入安裝，藥卷固結(jié)，施加預(yù)緊力（圖1d）；安裝第二根錨桿時(shí)，隨注漿泵開(kāi)動(dòng)，水泥漿瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)高流通性，進(jìn)行注漿。4～6h后水泥漿凝固，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固。固結(jié)后注漿充填體包圍在錨桿桿體周?chē)そY(jié)錨桿桿體和巖體，具有高強(qiáng)度和高抗剪切能力。

圖1 預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固錨桿支護(hù)順序圖

全長(zhǎng)錨固錨索施工方法為：巷道頂部鉆孔施工完成后，用安裝了防滲套的錨索自由端將樹(shù)脂藥頂推至孔底（圖2a），開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)安裝鋪索。錨索安裝完成后在防滲套上安裝錨索注漿塞、托盤(pán)，鎖具將注漿管從錨索托盤(pán)上小孔中穿出（圖2b），加壓錨索達(dá)到設(shè)計(jì)壓力。將注漿塞注漿管和注漿泵、注漿管連接，注漿（圖2c），4～6h后水泥漿凝固，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固。

圖2 預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固錨索支護(hù)順序圖

采用該技術(shù)需要增加錨桿注漿塞、錨索注漿塞、錨索防滲套，但施工工藝除增加注漿環(huán)節(jié)外基本不變。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，錨桿施工中頂推藥卷采用普通錨桿施工，系用錨桿直接頂入，相比使用注漿管封孔器頂入時(shí)間略短。注漿施工中由于注漿后需要漿液穩(wěn)定時(shí)間，加上注漿時(shí)間共需增加3.1min/根。

在錨索施工過(guò)程中，由于安裝錨索防滲套可以由施工人員提前準(zhǔn)備，不影響整個(gè)工序和施工工藝時(shí)間，注漿時(shí)間同樣也可以滯后施工進(jìn)行，因此可以在工藝施工時(shí)間中不考慮，故錨索施工時(shí)間可以看作不變。

在整個(gè)施工過(guò)程中，由于人員素質(zhì)不同，施工熟練程度不同，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間和施工效率差距很大。但是針對(duì)同一施工群體，工藝變化和時(shí)間調(diào)整通過(guò)組織協(xié)調(diào)對(duì)整個(gè)施工基本沒(méi)有影響。

2 全長(zhǎng)錨固注漿液配比及特性

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中所需混凝土漿液要求具有較高的流通性，以方便進(jìn)行泵送；在注入鉆孔后要求漿液不能流出，要求漿液具有較高的抗流掛性能；根據(jù)支護(hù)要求，漿液凝固后要有比較低的收縮率和比較高的抗壓、抗剪抗劈裂強(qiáng)度。而其中漿液的抗流掛性能和流通性又是矛盾的，基于此，提出擬態(tài)瞬時(shí)穩(wěn)定性原則，即所配漿液具有擬態(tài)瞬時(shí)穩(wěn)定性。當(dāng)漿液靜止不受壓力時(shí)具有假性凝固狀態(tài)，能夠掛在注漿孔中不掉落；當(dāng)漿液受到壓力時(shí)，能夠瞬時(shí)恢復(fù)較高的流通性，使用注漿管輸送時(shí)阻力基本忽略不計(jì)。

漿液的擬態(tài)瞬時(shí)穩(wěn)定性試驗(yàn)采用流通法進(jìn)行，用Φ3mmPU管配合血壓計(jì)橡皮球、直尺進(jìn)行檢測(cè)。把攪拌好的水泥漿接在PU管下方，握動(dòng)橡皮球排出空氣，松開(kāi)皮球，觀察漿液被吸附的上升高度，檢驗(yàn)其流通性。用475mm筒形紙杯作為試驗(yàn)器具模擬鉆孔。將漿液注入紙杯用刮刀抹平，然后停留1min，將紙杯倒轉(zhuǎn)，然后測(cè)量杯內(nèi)漿液下沉量，作為其抗流掛性指標(biāo)。通過(guò)試驗(yàn)可以看出：普通混凝土漿液隨著隨水灰比的增大其黏度降低，流通性加大，無(wú)法兼顧抗流掛性和流通性。而全錨漿液[混凝土漿液采用525水泥，硅粉（3%～6%）、PVA纖維（0.1%～0.22%）、有機(jī)改性砂漿增稠劑（0.4%～0.6%）、改性聚丙烯酰胺Y15010增稠劑10.2%～0.3%）、聚乙烯醇PVA1799（0.25%～0.36%）、聚乙烯醇PVA2088（0.3%～0.4%）]在特定水灰比情況下，具備了擬態(tài)瞬時(shí)穩(wěn)定性，能夠兼顧抗流掛性和流通性?xún)身?xiàng)指標(biāo)。全錨漿液最優(yōu)水灰比為0.8～0.85。

由全錨注漿試塊和普通混凝土漿液試塊抗壓試驗(yàn)可以得出：由于PVA纖維的摻入，試件的抗壓強(qiáng)度具有較好的提升，同時(shí)韌性增加，基本保持受壓一開(kāi)裂一破壞過(guò)程。而普通混凝土在達(dá)到極限載荷時(shí)，通常都是脆性破壞。

由于PVA纖維的摻入可以有效提高全錨漿液的抗折性能，因此相較素混凝土漿液可以有效地防止黏結(jié)破壞，全錨錨桿的抗剪能力相當(dāng)于節(jié)理抗剪強(qiáng)度和錨桿抗剪強(qiáng)度之和，使錨固巖體的承能力可以得到顯著提高。

3 全長(zhǎng)錨固支護(hù)巷道的應(yīng)用和觀測(cè)

3.1 南三采區(qū)皮帶下山全長(zhǎng)錨固支護(hù)實(shí)踐

針對(duì)官地礦實(shí)際情況，選擇在南三采區(qū)皮帶下山進(jìn)行支護(hù)試驗(yàn)。試驗(yàn)段巷道為穿層布置，主要為頂板-底板-煤層。3煤在全區(qū)發(fā)育，為瀝青～弱玻璃光澤，視密度為1.35t/m3，抗壓強(qiáng)度為18.5MPa，厚層狀，賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

圖3 巷道支護(hù)斷面圖

巷道斷面形狀為直墻半圓拱形，凈尺寸為：墻高1800mm，拱高2500mm，凈寬5000m，巷道支護(hù)斷面圖如圖3所示。支護(hù)方式為：巷道采用Φ22mm×2800mm的高位讓壓應(yīng)力顯示錨桿，底腳采用Φ22mm×2800mm高強(qiáng)蛇形錨桿；每套錨桿采用2卷K2570的樹(shù)脂錨固劑，錨桿盤(pán)采用護(hù)頂面積較大的高強(qiáng)方形200mm×200mm×10mm托盤(pán)；錨桿間排距為1700mm×900mm，巷道全斷面使用Φ12mm圓盤(pán)加工而成的鋼梯。頂板錨桿的安裝應(yīng)力為8t，幫部錨桿的安裝應(yīng)力為4t。金屬網(wǎng)采用Φ6mm盤(pán)圓編織的鋼筋經(jīng)緯網(wǎng)，金屬網(wǎng)規(guī)格：長(zhǎng)×寬=2000mm×1100mm（網(wǎng)孔為80mm×80mm），金屬網(wǎng)搭接量為80mm，網(wǎng)扣間距不大于160mm，采用1#鍍鋅鋅鐵絲雙股雙排扣菱形綁扎，混凝土標(biāo)號(hào)為C20，噴厚為100mm。

加扣間距不大于160采用鋅鐵絲雙股雙排扣，錨索類(lèi)型為Φ22mm×5000mm低松弛鋼絞線(xiàn)錨索，每套錨索采用3卷K2570的樹(shù)脂錨固混凝土標(biāo)劑，錨索托盤(pán)為300mm×300mm×12mm的高強(qiáng)球形托盤(pán)，錨索間排距為1700mm×900mm，錨索的安裝應(yīng)力為12t。

錨桿、錨索的布置方式為：在巷道正中布置一根錨索，再分別向兩側(cè)850mm處各布設(shè)一根錨桿然后再依次向兩側(cè)布置錨索。錨桿、錨索要求間隔布置，間距為850mm，錨桿、錨索要盡量打在鋼梯孔內(nèi)，錨索外露長(zhǎng)度不大于250mm。

3.2 支護(hù)巷道觀測(cè)分析

共布置8個(gè)觀測(cè)斷面，觀測(cè)斷面間距15m，其中使用全長(zhǎng)錨固技術(shù)巷道4個(gè)測(cè)點(diǎn)，未使用全長(zhǎng)錨固巷道4個(gè)測(cè)點(diǎn)。在每個(gè)觀測(cè)斷面的正頂錨桿及兩幫兩根錨桿上，分別安裝應(yīng)力監(jiān)測(cè)壓力表一個(gè)，觀測(cè)錨桿應(yīng)力變化及巷道收斂變形情況，觀測(cè)周期每5d一次，觀測(cè)從2017年8月10日到2017年10月15日，共觀測(cè)65d，記錄錨桿應(yīng)力表數(shù)據(jù)及巷道收做變形情況，并制作錨桿應(yīng)力變形曲線(xiàn)及巷道收斂變形曲線(xiàn)。根據(jù)觀測(cè)情況可以看出，采用預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固支護(hù)的巷道，在觀測(cè)期內(nèi)，錨桿應(yīng)力變化不大，且各錨桿間應(yīng)力大致平衡，觀測(cè)65d巷道最大兩幫收斂變形量為200mm，最小變形量160mm，頂板最大下沉量為200mm，最小下沉量為160mm，巷道收斂變形較小，支護(hù)效果明顯。

4 結(jié)論

（1）預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固錨桿、錨索的施工相較于煤礦原有錨桿、錨索施工，除增加注漿設(shè)備和工序外，其他設(shè)備、材料施工工藝變化不大。其中錨桿施工中只增加一道注漿工序，能在施工中影響時(shí)間；而錨索施工由于注漿可以滯后，對(duì)施工時(shí)間影響不大?，F(xiàn)場(chǎng)施工，沿用原鉆孔尺寸，鉆具材料不變，工作量少，施工簡(jiǎn)單。

（2）在普通硅酸鹽525水泥中摻入適量添加劑，在水化作用下形成無(wú)機(jī)-有機(jī)薄膜包圍水泥分子，在周?chē)纬删W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改變水泥漿液物理性質(zhì)，形成高流通瞬時(shí)擬態(tài)穩(wěn)定性水泥漿液。當(dāng)水泥漿液在注漿管中輸送時(shí)具有高流通性，當(dāng)漿液停止輸送時(shí)具備瞬時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，表現(xiàn)為掛在注孔壁上不再流動(dòng)，當(dāng)再次啟動(dòng)注漿泵時(shí)，水泥漿液馬上又轉(zhuǎn)變?yōu)楦吡魍ㄐ?。漿液凝固時(shí)，漿液中加的硅粉和PVA纖維可以有效提高固結(jié)體強(qiáng)度，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（3）從施工后觀測(cè)結(jié)果可看出：使用全長(zhǎng)錨固支護(hù)后，在觀測(cè)期內(nèi)，錨桿應(yīng)力變化不大，且各錨桿間應(yīng)力大致平衡，觀測(cè)65d巷道最大兩幫收斂變形量為200mm，頂板最大下沉量為200mm，卷道收斂變形較小，支護(hù)效果明顯。

綜上所述，預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固支護(hù)技術(shù)施工簡(jiǎn)單，成本低廉，能夠滿(mǎn)足大采深、高地壓、高應(yīng)力復(fù)雜條件下的軟巖巷道支護(hù)。