樹脂錨桿支護(hù)技術(shù)在錦豐金礦的應(yīng)用

章海象,吳巖佩

(貴州錦豐礦業(yè)有限公司, 貴州 貴陽(yáng) 550001)

樹脂錨桿支護(hù)技術(shù)在錦豐金礦的應(yīng)用

章海象,吳巖佩

(貴州錦豐礦業(yè)有限公司, 貴州 貴陽(yáng) 550001)

錦豐金礦地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，圍巖松軟、破碎、遇水泥化，很容易垮塌，而原來使用的管縫式錨桿的錨固力低、容易氧化銹蝕，為此錦豐金礦引進(jìn)了樹脂錨桿支護(hù)技術(shù)。在技術(shù)引進(jìn)過程中，首先選擇了合理的支護(hù)參數(shù)，其次實(shí)現(xiàn)了樹脂錨桿的機(jī)械化安裝。實(shí)踐表明，樹脂錨桿結(jié)合濕噴混凝土有效地控制了頂板圍巖變形，減少了頂板冒落事故的發(fā)生，大大減少了巷道的維修工程量，為錦豐地下礦的安全、正常生產(chǎn)提供了有利保證。同時(shí)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的施工條件，指出了樹脂錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題。

樹脂錨桿；縫管錨桿；錦豐金礦；井巷支護(hù)

0 前 言

錦豐金礦地下礦礦區(qū)斷裂褶皺發(fā)育，地層支離破碎，產(chǎn)狀局部直立甚至倒轉(zhuǎn)。斷裂帶實(shí)質(zhì)上是一個(gè)強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)變帶及強(qiáng)礦化蝕變帶，帶內(nèi)巖石強(qiáng)烈變形。礦體及頂?shù)装鍑鷰r以薄至中厚層砂巖與薄層粘土巖為主，粘土巖十分松軟破碎，遇水軟化、泥化，極易垮塌，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。

錦豐地下礦剛開始掘進(jìn)主斜坡道時(shí)采用的支護(hù)方式為管縫式錨桿+鋼網(wǎng)。管縫式錨桿桿體壁厚3 mm，直徑Φ47.5 mm，長(zhǎng)度2.4 m，開縫寬度15 mm。管縫式錨桿支護(hù)有許多優(yōu)點(diǎn)，如安裝方便、及時(shí)提供支撐抗力、當(dāng)圍巖發(fā)生顯著位移時(shí)錨桿并不失去其支護(hù)抗力等，但同時(shí)也存在一些問題，包括錨固力低，錦豐金礦的管縫式錨桿抗拔力一般為6～10 t，大大低于同等長(zhǎng)度樹脂錨桿的抗拔力；對(duì)鉆孔孔徑要求較嚴(yán)，孔徑偏大，錨固力低；孔徑偏小，錨桿容易彎曲，難以全部進(jìn)入鉆孔，錨固深度減少，錨固力降低；錨桿與空氣接觸，容易氧化銹蝕，特別在地下水較大的巷道，錨桿銹蝕更快，更嚴(yán)重。由于管縫式錨桿的以上缺點(diǎn)，它應(yīng)用于巷道頂板支護(hù)和永久性巷道支護(hù)的可靠性很差。鑒于此，錦豐公司地下礦山引進(jìn)了樹脂錨桿，主要用于巷道頂板及一些使用壽命較長(zhǎng)的地下工程，如主斜坡道、井下配電站、風(fēng)井等。

1 樹脂錨桿的工作原理與參數(shù)選取

樹脂錨桿由不同強(qiáng)度材質(zhì)的桿體及其附件與配套樹脂錨固劑一同使用，根據(jù)設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度，將桿體插入鑿好的孔洞中，經(jīng)過攪拌后，錨固劑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在一定時(shí)間內(nèi)，將桿體與巖體粘合為一體。過了等待安裝時(shí)間之后，在螺紋端裝上托盤并擰緊螺母，對(duì)圍巖施加一定的預(yù)緊力，使圍巖處于三向應(yīng)力狀態(tài)，這樣就改善了圍巖的受力狀態(tài)，使圍巖的強(qiáng)度得到提高，起到加固圍巖，防止其移動(dòng)的作用，從而提高巷道的整體性、穩(wěn)定性[1]。具體說來，樹脂錨桿通過“懸吊、組合梁、擠壓加固拱、減跨”等作用來對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)、加固。

為確定合理的支護(hù)參數(shù)，對(duì)錦豐地下礦山的圍巖開展了現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果，確定現(xiàn)場(chǎng)巖體Q值一般在0.1～15之間，其中Q值在0.4～4范圍內(nèi)的巖體所占比例較大，其他Q值范圍內(nèi)的巖體所占比例較小。

錦豐地下礦巷道的寬度為4.5～5 m，高度為5～5.5 m， 開挖支護(hù)比(ESR)在1.6～4之間。樹脂錨桿直徑為25 mm，根據(jù)更新后的Barton的Q support chart[2](見圖1)，選取錦豐地下礦巷道的支護(hù)參數(shù)如下：錨桿排距1.1～1.5 m，同一排內(nèi)錨桿間距1.1～1.3 m，噴漿厚度65～75 mm，巖體質(zhì)量好時(shí)選大值，巖體質(zhì)量差時(shí)選小值。

錨桿長(zhǎng)度選取采用以下兩種方法：

(1) 根據(jù)Barton的錨桿長(zhǎng)度計(jì)算公式得出的錨桿長(zhǎng)度最大值為1.72 m。

式中：L——錨桿長(zhǎng)度，m；

B——巷道跨度，m；

ESR——開挖支護(hù)比。

(2) 根據(jù)Lang擬定的巖石錨桿網(wǎng)規(guī)范，錨桿長(zhǎng)度為錨桿間距的兩倍?；赒值選取的錨桿間距為1.1～1.3 m，所以相應(yīng)的錨桿長(zhǎng)度為2.2～2.6 m。巖石錨桿網(wǎng)規(guī)范是Lang在制定澳大利亞雪山水力發(fā)電規(guī)則(The Snowy Mountain Hydroelectric Scheme)期間擬定的，它仍被廣泛用于確定 “永久”硐室的錨桿長(zhǎng)度和間距[3]。對(duì)于礦山巷道，錨桿長(zhǎng)度的取值可以小一些。

綜合以上兩種方法得出的結(jié)果，同時(shí)考慮到錦豐地下礦所有巷道在安裝錨桿前需要噴射一層65～75 mm厚的混凝土，最后確定錦豐地下礦支護(hù)的錨桿長(zhǎng)度為2.4 m。

圖1 基于Q值的巷道支護(hù)類型與支護(hù)參數(shù)選擇

2 樹脂錨桿施工工藝

巷道爆破出渣后，及時(shí)噴射一層65～75 mm厚的混凝土。當(dāng)噴射混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到1 MPa后，開始安裝樹脂錨桿。錨桿施工順序?yàn)橹鹋庞赏庀蛴^，排內(nèi)由中間向拱腳。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)摸索、試驗(yàn)，錦豐金礦實(shí)現(xiàn)了樹脂錨桿的機(jī)械化安裝，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了錨桿安裝效率，使巷道得到及時(shí)、有效支護(hù)。樹脂錨桿的安裝由Boomer282臺(tái)車完成，具體的安裝程序如下：

(1) 將似香腸狀串在一起的四節(jié)樹脂錨固劑依次放入PVC塑料管內(nèi)；

(2) 把裝有樹脂錨固劑的PVC塑料管放在臺(tái)車左臂上，用臺(tái)車左臂慢慢把PVC塑料管推入鉆孔內(nèi)。PVC管前端距孔底10 cm左右時(shí)停止推進(jìn)，打開左臂冷卻水閥門，用高壓水把樹脂錨固劑推送到孔底。

(3) 回退并卸下PVC塑料管，把錨桿桿體連同其附件一起裝在臺(tái)車右臂上。

(4) 操作臺(tái)車右臂，使錨桿對(duì)準(zhǔn)孔口且角度一致，打開鑿巖機(jī)推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)手柄，使錨桿桿體旋轉(zhuǎn)進(jìn)入鉆孔，錨桿在孔外剩余5～8 cm長(zhǎng)時(shí)停止推進(jìn)，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)錨桿使孔內(nèi)樹脂藥卷攪拌均勻后停止轉(zhuǎn)動(dòng)，錨桿停止推進(jìn)后錨固劑攪拌時(shí)間控制在10～20 s；從錨桿開始進(jìn)入鉆孔到攪拌結(jié)束，時(shí)間不超過40 s；

(5) 等樹脂錨固劑充分凝固后，鑿巖機(jī)再次旋轉(zhuǎn)先擰斷螺母聯(lián)接銷，進(jìn)而擰緊螺母使錨片緊貼噴射混凝土。

3 樹脂錨桿支護(hù)應(yīng)注意的問題

3.1 最佳的樹脂錨桿的“三徑”配合

在使用樹脂錨桿支護(hù)時(shí)，鉆孔、錨桿、樹脂藥卷直徑“三徑”之間的合理匹配是獲得最大錨固力和最大技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。澳大利亞、英國(guó)等樹脂錨桿支護(hù)技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家對(duì)此進(jìn)行過一些研究，認(rèn)為鉆孔直徑與無(wú)縱筋左旋螺紋鋼直徑相差4～5 mm時(shí)的錨固力最大。楊振茂、馬念杰等人的研究結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)丶哟箦^桿直徑，不會(huì)明顯增加支護(hù)成本，而錨桿的破斷強(qiáng)度卻可大幅度提高。而樹脂錨固劑直徑比鉆孔直徑小3～5 mm為宜[4]。

結(jié)合當(dāng)前錦豐公司正在進(jìn)行的用直徑Φ22 mm樹脂錨桿代替原來直徑Φ25 mm樹脂錨桿的試驗(yàn)研究，筆者認(rèn)為，該研究不能光考慮Φ22 mm樹脂錨桿的抗拔力能不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，還應(yīng)該對(duì)這兩種不同直徑的錨桿的破斷力、價(jià)格進(jìn)行綜合對(duì)比，同時(shí)還要考慮巖體結(jié)構(gòu)及其賦存條件、賦存環(huán)境的復(fù)雜性、多變性及不確定性。

3.2 錨桿質(zhì)量

錨桿桿體由螺紋鋼加工而成，錨桿桿體及螺母的材質(zhì)、桿體尾部絲扣、螺母絲扣的精度、長(zhǎng)度和強(qiáng)度應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。否則當(dāng)錨桿受力時(shí)，特別是當(dāng)巷道圍巖壓力較大時(shí)，錨桿容易損壞、失效，從而引發(fā)冒頂、片幫等事故。

錨桿托盤是配套用于錨桿支護(hù)的重要部件。若托盤外形不符合要求，螺母與托盤會(huì)閉合不嚴(yán)，造成錨桿扭矩力下降，預(yù)緊力降低。若托盤的規(guī)格尺寸、材質(zhì)不符合要求，當(dāng)巷道圍巖應(yīng)力增大時(shí)，易造成托盤變形，甚至被抽脫，極大降低錨桿的支護(hù)功能。

樹脂錨固劑所使用的原材料、外觀、直徑、長(zhǎng)度、樹脂膠泥的稠度、固膠比、抗壓強(qiáng)度、凝膠時(shí)間、等待安裝時(shí)間、熱穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，對(duì)樹脂錨桿的錨固性能影響很大。

為此，錦豐公司建立了嚴(yán)格的支護(hù)材料與產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了產(chǎn)品的形狀、規(guī)格、材質(zhì)及各項(xiàng)性能指標(biāo)、允許的偏差等。所有的支護(hù)材料與產(chǎn)品必須有出廠合格證、質(zhì)量鑒定文件等。此外，礦山定期進(jìn)行支護(hù)材料與產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)抽檢試驗(yàn)和材料外檢工作，以確保支護(hù)材料與產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.3 錨桿安裝質(zhì)量

錨桿孔太深則錨桿伸不到孔底，孔底錨固劑得不到攪拌，產(chǎn)生不了錨固效果，同時(shí)使錨固長(zhǎng)度減小，錨固力降低；孔太淺，會(huì)使托盤無(wú)法安設(shè)，無(wú)法施加預(yù)應(yīng)力，起不到主動(dòng)加固圍巖的作用。為此錦豐公司地壓控制程序規(guī)定在穿鑿錨桿孔時(shí)，必須在鉆桿上作標(biāo)記，保證鉆孔深度符合設(shè)計(jì)要求。

錨桿眼內(nèi)的粉塵和積水若不清洗干凈，相當(dāng)于在錨固劑配料中加入了粉塵和水，會(huì)削弱錨固劑的強(qiáng)度。為此，錦豐公司地壓控制程序規(guī)定錨桿安裝前必須用壓風(fēng)或水把打好的錨桿孔里面的巖粉、積水或其他雜質(zhì)吹干凈。

樹脂錨固劑有其特定的凝膠時(shí)間和等待安裝時(shí)間。安裝樹脂錨桿時(shí)，樹脂藥卷的攪拌時(shí)間太短，樹脂膠泥與固化劑混合不均勻，將大大降低錨固劑與圍巖及錨固劑與金屬桿體之間的粘結(jié)力。攪拌時(shí)間太長(zhǎng)，超過了凝膠時(shí)間，影響樹脂膠泥與固化劑之間的化學(xué)反應(yīng)，錨固劑與金屬桿體、圍巖之間的粘結(jié)力大為降低；而如果等待安裝時(shí)間不到就上托盤擰緊螺母，錨固劑的強(qiáng)度還未得到充分發(fā)展，施加的預(yù)應(yīng)力達(dá)不到設(shè)計(jì)值，也會(huì)降低樹脂錨桿的錨固性能。為此，錦豐公司有針對(duì)性地制定了樹脂錨桿安裝標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序，該程序規(guī)定了臺(tái)車司機(jī)必須嚴(yán)格按照規(guī)定的樹脂錨固劑的攪拌時(shí)間、等待安裝時(shí)間來進(jìn)行樹脂錨桿的安裝作業(yè)。

還有一點(diǎn)要注意的是，當(dāng)圍巖特別松散、破碎時(shí)，要適當(dāng)增加樹脂錨固劑的數(shù)量，讓樹脂錨固劑能夠密實(shí)地充滿桿體與孔壁之間的環(huán)形空間，保證樹脂錨桿有足夠的錨固力。2015年5月，錦豐露天礦南部邊坡發(fā)生滑坡，造成地下礦主斜坡道480～500 m RL段噴射混凝土開裂，圍巖嚴(yán)重破壞。在修復(fù)該段主斜坡道時(shí)使用了大量樹脂錨桿，但每個(gè)鉆孔中樹脂錨固劑的數(shù)量還是4節(jié)。過后對(duì)這些樹脂錨桿進(jìn)行抗拔力抽查時(shí)發(fā)現(xiàn)它們的錨固力只有16～60 kN。后來重新打孔安裝樹脂錨桿，每個(gè)鉆孔中裝入8節(jié)樹脂錨固劑，抗拔力達(dá)到200 kN以上。

4 技術(shù)效果與經(jīng)濟(jì)利益

樹脂錨桿與原使用的管縫式錨桿的技術(shù)參數(shù)比較見表1。

表1 兩種錨桿的技術(shù)參數(shù)對(duì)比

從技術(shù)上分析，樹脂錨桿錨固能力是管縫式錨桿的兩倍以上，而且孔徑比管縫式錨桿小，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均優(yōu)于管縫式錨桿，這對(duì)于錦豐金礦巷道的頂板管理以及延長(zhǎng)重點(diǎn)井巷工程的服務(wù)年限有著非常重要的意義。從經(jīng)濟(jì)上分析，樹脂錨桿(包括錨固劑)的價(jià)格比管縫式錨桿高24元/套，按井巷支護(hù)消耗樹脂錨桿3.8萬(wàn)套/a計(jì)算，錦豐因使用樹脂錨桿每年增加成本約91.2萬(wàn)元，但每年節(jié)約巷道返修費(fèi)用約150萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

與管縫式錨桿相比，樹脂錨桿具有支護(hù)及時(shí)、防腐能力強(qiáng)、錨固力大、對(duì)巖體進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。樹脂錨桿結(jié)合濕噴混凝土有效地控制了巷道頂板變形，減少了頂板冒落事故的發(fā)生，提高了地下礦山井巷的穩(wěn)定性，大大減少了巷道的維修工程量，延長(zhǎng)了重點(diǎn)工程的使用壽命，為錦豐地下礦的安全、正常生產(chǎn)提供了有利保證。

[1]李龍水.淺談樹脂錨桿支護(hù)在井巷掘進(jìn)應(yīng)用應(yīng)注意的問題[J].能源與環(huán)境，2014(5):53-56.

[2]Songül co_ar. Application of Rock Mass Classification Systems Forfuture Support Design of the d_m Tunnel Near Alanya[C]//A Thesis Submitted to the graduate School of Naturaland Applied Sciences of Middle East Technical University,September,2004:24-24.

[3]B.H.G.Brady, E.T.Brown. Rock Mechanics for Underground Mining[R]. Third Edition,2004:333.

[4]楊振茂，馬念杰，官山月，等.錨桿鉆孔、桿體、樹脂卷直徑的合理匹配[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003(4),659-663.

2017-03-15)

章海象(1970-)，男，江西高安人，高級(jí)工程師，主要從事礦山巖石力學(xué)相關(guān)工作，Email：haixiang.zhang@gzjinfenggold.com。