擴底補填對防止煤巷樹脂錨桿滑移失效的試驗研究

南 華，王 帥，王金瑞，羅 明

（1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作454000；2.哈密豫新能源產(chǎn)業(yè)研究院，新疆 哈密839000）

錨桿錨固技術(shù)是應(yīng)用錨桿或錨索對巖體進行加固的1 種主動支護手段，廣泛應(yīng)用于巖土工程等領(lǐng)域，尤其在我國煤礦領(lǐng)域，使用的更加廣泛。由于我國煤礦地下開采的條件復(fù)雜化、圍巖多樣化，導致錨固支護出現(xiàn)多種類型的失效形式，概括來說包括桿體破斷、錨固劑與錨桿之間滑移失效、錨固劑與鉆孔圍巖之間滑移失效[1-6]?？偨Y(jié)分析錨桿支護中的滑移失效案例，學者一致認為，錨桿滑移失效的根本原因是錨桿孔周圍圍巖性質(zhì)軟弱，樹脂錨固劑與鉆孔圍巖之間黏結(jié)能力差，錨固系統(tǒng)不足以提供較高的抗拉拔能力[7-23]。如何提高煤巷樹脂錨桿的錨固性能，降低樹脂錨桿滑移失效情況，提高錨固系統(tǒng)的穩(wěn)定性和錨固效果成為煤巷錨桿支護技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。為解決上述難題，國內(nèi)外學者進行了大量有益的探索工作，從錨桿本身性質(zhì)、錨固長度、錨固劑性能以及以錨桿為基礎(chǔ)的聯(lián)合支護形式等的各個方面進行研究，取得一定效果[24-37]。但即使改變錨固長度或者采用聯(lián)合支護，也并沒有解決樹脂錨桿滑移失效的根本原因。

有些學者借鑒邊坡治理時應(yīng)用的擴大錨固的形式，研究出錨桿孔擴底擴孔支護。例如張輝[38]等開展了錨桿擴孔形狀對錨固系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的研究，結(jié)果表明倒楔形擴孔錨固可以使得錨桿錨固系統(tǒng)的能力顯著提高；劉少偉等[39-40]通過對相同擴孔形狀、不同擴孔角度、不同擴孔長度究對錨固性能影響的研究，結(jié)果表明端錨情況下擴孔錨固效果最佳，加長錨和全長錨的情況下孔底擴孔提高錨桿錨固力不顯著，隨著擴孔長度與擴孔半徑增加錨固系統(tǒng)的穩(wěn)定性和錨固能力增強。

提出了1 種新的技術(shù)方法——擴底補填錨固，該方法是對錨桿孔底部擴孔成既定形狀，在保留原有錨桿孔的條件下對擴孔部分進行補填高強度材料以達到改變錨固段鉆孔圍巖、改善錨固段鉆孔圍巖的物理力學性質(zhì)，增加錨固劑與鉆孔圍巖之間的錨固界面黏結(jié)能力的目的。擴底補填錨固從煤巷樹脂錨桿滑移失效的根本原因方面切入，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗相互結(jié)合的方法，摸清擴底補填錨固錨桿受力后，錨固劑、鉆孔圍巖的位移和力學變化情況。以某礦業(yè)有限責任公司1#井1502 上巷為試驗地點，對比正常錨固和擴底補填錨固巷道位移以及錨桿拉拔力結(jié)果的變化情況。結(jié)果表明：擴底補填對防止煤巷樹脂錨桿滑移失效效果明顯。

1 數(shù)值模擬試驗

1.1 模型建立和試驗設(shè)計

以某礦業(yè)有限責任公司1#井1502 工作面上巷為模擬對象，利用Abaqus/CAE 軟件進行模擬試驗，物理力學參數(shù)見表1。

表1 物理力學參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters

室內(nèi)試驗結(jié)果表明隨著擴底補填的擴孔最大直徑從1 倍增大到5 倍，樹脂錨桿錨固力隨之增大，由于受到室內(nèi)擴孔條件以及其他不可控因素的限制，擴孔最大直徑無法繼續(xù)擴大[41]。因此對5 倍以上的擴底補填錨固效果無從得知。采用數(shù)值模擬的方法分析擴底補填錨固各部件應(yīng)力、位移變化的詳細情況，又能模擬更大倍數(shù)的擴底補填錨固的效果變化。綜合分析確定最佳擴孔最大直徑，為現(xiàn)場試驗做準備。

模型圍巖邊界完全固定，在錨桿自由端施加30、60、90、120、150 kN 的軸向荷載。模擬試驗分為1組正常錨固和8 組不同倍數(shù)的擴孔最大直徑擴底補填錨固，錨固方式為端錨，錨固長度為350 mm。分析數(shù)值模擬試驗?zāi)Ｐ透鞑考奈灰?、?yīng)力的分布狀態(tài)以及失效后穩(wěn)定的錨固力的變化情況。擴底補填錨固模型如圖1。

圖1 擴底補填錨固模型Fig.1 Model of expanding bottom and back filling anchorage

1.2 數(shù)值模擬軸向穩(wěn)定力結(jié)果對比

在2 種錨固狀態(tài)下，運算結(jié)束時正常錨固狀態(tài)下與擴底補填錨固狀態(tài)下錨桿軸向穩(wěn)定力曲線圖如圖2?？梢钥闯?，隨著軸向荷載的增大，達到計算平衡后，擴底補填錨固與正常錨固之間的錨桿軸向穩(wěn)定力的差值隨之增大。

以施加150 kN 的軸向載荷為例，軸向穩(wěn)定力結(jié)果見表2。結(jié)果表明，擴孔最大直徑越大，軸向穩(wěn)定力越接近施加的軸向載荷，擴底補填錨固越穩(wěn)定，防止滑移失效的效果越好。

圖2 錨桿軸向穩(wěn)定力曲線Fig.2 Curves of axial stabilizing force of anchor rod

表2 軸向穩(wěn)定力結(jié)果Table 2 Results of axial stabilizing forces

1.3 擴底補填錨固各部件位移結(jié)果對比

以施加軸向載荷150 kN 為例分析不同倍數(shù)擴底補填錨固系統(tǒng)中各部件位移變化的情況。不同倍數(shù)擴底補填錨固系統(tǒng)中補填體、錨固劑、圍巖位移變化云圖如圖3～圖5，補填體、錨固劑、圍巖位移最大值變化曲線如圖6～圖8。

圖3 補填體位移變化云圖Fig.3 Cloud images of backfilling body position change

圖4 錨固劑位移變化云圖Fig.4 Cloud images of displacement variation of anchoring agent

圖5 圍巖位移變化云圖Fig.5 Cloud images of surrounding rock displacement variation

圖6 補填體位移最大值變化曲線圖Fig.6 Curve of the maximum value change of backfilling body

圖7 錨固劑位移最值變化曲線圖Fig.7 Curve of maximum displacement of anchorage agent

圖8 圍巖位移最值變化曲線圖Fig.8 Curve of maximum displacement of surrounding rock

由圖3 至圖8 可以看出，擴孔最大直徑越大，擴底補填錨固系統(tǒng)中各部件的位移量越小。最大位移出現(xiàn)在擴孔最小直徑處，位移向兩端變化越來越小。不同擴孔最大直徑位移云圖的變化規(guī)律基本相同，但是位移變化的最值不同。施加同樣載荷的情況下，5 倍及以上擴底補填錨固系統(tǒng)中，各部件位移最值變化曲線圖表明，擴孔最大直徑從1 倍增加到5倍時，位移減小的趨勢明顯，5 倍及以上擴孔倍數(shù)時，位移變化趨勢平緩，位移變化曲線幾乎在同一水平上。

1.4 5 倍及以上擴底補填錨固與正常錨固應(yīng)力對比

以施加軸向載荷150 kN 為例分析擴底補填錨固系統(tǒng)與正常錨固系統(tǒng)中各部件應(yīng)力變化的情況。

圍巖和錨固劑應(yīng)力云圖如圖9～圖10。圍巖和錨固劑應(yīng)力變化曲線圖如圖11～圖12。

圖9 圍巖應(yīng)力云圖Fig.9 Stress cloud diagram of surrounding rock

圖10 錨固劑應(yīng)力云圖Fig.10 Stress cloud diagram of anchorage agent

圖11 圍巖應(yīng)力變化曲線圖Fig.11 Stress change curves of surrounding rock

圖12 錨固劑應(yīng)力變化曲線圖Fig.12 Stress variation curves of anchorage agent

由圖9 和圖12 可知，隨著擴孔最大直徑的增加，擴底補填錨固系統(tǒng)中各部件的應(yīng)力集中值也越大。但是不同倍數(shù)的擴底補填錨固系統(tǒng)中各部件的應(yīng)力集中的分布規(guī)律基本一致。以施加軸向載荷150 kN 為例，正常錨固時鉆孔圍巖的最大應(yīng)力值為49.69 MPa，5 倍擴底補填錨固時鉆孔圍巖的最大應(yīng)力值為143 MPa，增幅187.9%。6 倍擴底補填錨固時鉆孔圍巖的最大應(yīng)力值為149 MPa，增幅199.8%。8倍擴底補填錨固時鉆孔圍巖的最大應(yīng)力值為152 MPa，增幅205.9%。10 倍擴底補填錨固時鉆孔圍巖的最大應(yīng)力值為153 MPa，增幅207.9%。

正常錨固時錨固劑的最大應(yīng)力值為68 MPa，5倍擴底補填錨固時錨固劑的最大應(yīng)力值190 MPa，增幅為179.4%。6 倍擴底補填錨固時錨固劑的最大應(yīng)力值194 MPa，增幅為185.3%。8 倍擴底補填錨固時錨固劑的最大應(yīng)力值197 MPa，增幅為189.7%。10 倍擴底補填錨固時錨固劑的最大應(yīng)力值199.1 MPa，增幅為192.8%。

綜合分析軸向穩(wěn)定力結(jié)果可知，隨著擴孔最大直徑的增加，擴底補填錨固系統(tǒng)的錨固能力增強。直徑越大，軸向穩(wěn)定力越接近施加的軸向載荷，其中10 倍擴底補填錨固的軸向穩(wěn)定力最大，最接近施加的軸向載荷，但是，5 倍、6 倍以及8 倍擴底補填錨固的軸向穩(wěn)定力與10 倍擴底補填錨固相差較小。

以施加軸向載荷150 kN 為例，各部件位移結(jié)果可知，各部件位移隨著擴孔最大直徑的增加而減小，1 倍至5 倍的擴底補填錨固系統(tǒng)中各部件的位移減少呈現(xiàn)快速下降趨勢，5 倍至10 倍的位移下降的趨勢平緩，幾乎為一天平行線。5 倍及以上擴底補填錨固系統(tǒng)與正常錨固系統(tǒng)中各部件的應(yīng)力變化結(jié)果可知，擴底補填的最大應(yīng)力出現(xiàn)在擴孔的最小直徑處，應(yīng)力變化向兩端擴展逐漸減小。5 倍及以上擴底補填錨固系統(tǒng)中各部件的最大應(yīng)力之間比較增幅相差較小，但都超過正常錨固系統(tǒng)中相同部件最大應(yīng)力的2.5 倍。

因此綜合考慮到5 倍及以上擴底補填錨固的作業(yè)量、施工難度、成本等因素，認為5 倍擴底補填錨固可行性效果最佳。

2 現(xiàn)場試驗

某礦業(yè)有限責任公司1#井現(xiàn)主要對5#煤層進行開采。5#煤層賦存于紅果含煤段頂部，煤層節(jié)理發(fā)育不規(guī)則，松軟風化，堅固性系數(shù)一般在0.32 左右。1502 工作面煤層偽頂多為泥質(zhì)粉砂巖，直接頂多為頁巖、泥灰?guī)r，厚度變化大，平均厚度一般2.31 m；基本頂多為灰白色層狀中-粗粒砂巖，次為礫巖，平均厚度一般在16.05 m；底板多為灰色細砂巖，深灰色層狀粗砂巖以及粗砂巖帶斑斕點的麻子石。1502上巷采用沿底掘進托頂煤的方式布置，由于頂煤較厚，巷道拱頂為煤層，由地質(zhì)力學性質(zhì)評估可知，頂煤存在破碎、強度低的特點。

擴孔采用團隊自主研發(fā)的高壓水射流擴孔系統(tǒng)，連接示意圖如圖13。

圖13 高壓水射流擴孔系統(tǒng)連接示意圖Fig.13 Connection diagram of high-pressure water jet reaming system

錨桿拉拔采用錨桿拉拔計，額定量程200kN，額定壓力50 MPa；錨桿拉拔計連接頭與金屬錨桿螺紋相匹配。

試驗段起始點距離運輸上山60 m 的1502 上巷，錨桿布置示意圖如圖14，該段頂板煤厚變化平緩，中間段最厚5.2 m，兩側(cè)最薄段3.5 m。試驗組分為A、B、C 3 組，每組6 排錨桿，間排距1.5 m。A，C 2 組支護方式為錨網(wǎng)加U 型棚支護，錨桿支護間排距1.5 m，U 型棚間排距與錨桿間排距相互匹配，錨桿支護每排打5 根錨桿，1 根錨固在拱頂與底板垂直，2 根錨固在拱兩側(cè)與水平夾角為30°。B 組的支護方式為五倍擴底補填樹脂錨桿加錨網(wǎng)支護，錨桿錨固位置與正常錨固相同。巷道位移變化監(jiān)測點布置在靠近1502 上巷的下側(cè)巷道的錨桿上，每隔1 排布置1 個監(jiān)測點，拉拔錨桿與監(jiān)測點錨桿為同一根錨桿。每組共設(shè)3 個監(jiān)測點，總計9 個監(jiān)測點。位移監(jiān)測周期為32 d。監(jiān)測第1 d 到第10 d，每天采集數(shù)據(jù)；第11 d 到第20 d，每隔2 天采集1 次數(shù)據(jù)；第21 d 到第32 d 每隔3 d 采集1 次數(shù)據(jù)。位移數(shù)據(jù)采集結(jié)束之后進行錨桿拉拔試驗。

圖14 錨桿布置示意圖Fig.14 Schematic drawing of bolt layout

2.1 巷道變形結(jié)果分析

巷道的頂板位移變化曲線如圖15。圖15 結(jié)果顯示，A 段巷道頂板下沉量最大值為127.5 mm，為巷道高度的4.39%；C 段巷道頂板下沉量最大值為126.9 mm，為巷道高度的4.37%；頂板下沉量在前7 d 內(nèi)變形非常明顯，表現(xiàn)出初期變形量大且變形速率快的特點。2 組測點在第7 d 的變形量分別達到124 mm 和123.5 mm，7～12 d 變化緩慢，之后基本處于平穩(wěn)階段。而B 段巷道頂板下沉量最大值為106.7 mm，為巷道高度的3.67%；頂板下沉量在前10 d 內(nèi)變形速率較大，10～27 d 的變形速率減小，27～32 d 的變形速率再次減小趨于平穩(wěn)，B 組支護的整個曲線的變形速率均小于A、C 2 組的巷道頂板變形速率。B 段的巷道變形總量小于A、C 段的巷道頂板變形總量。說明擴底補填錨固對防止煤巷樹脂錨桿滑移失效效果明顯。

圖15 巷道的頂板位移變化曲線圖Fig. 15 Roof displacement curves of roadway

2.2 錨桿拉拔試驗結(jié)果

擴底補填錨固與正常錨固拉拔試驗結(jié)果對比見表3。由表3 得出：A 段巷道錨桿錨固力平均達到39.9 kN，B 段巷道錨桿錨固力平均達到82.1 kN，C段巷道錨桿錨固力平均達到39.1 kN。對比A、B、C 3組錨桿拉拔結(jié)果可以得出，B 組的錨固力比A 組的錨固力提高了105.8%；B 組的錨固力比C 組的錨固力提高了110.0%，因此可以得出在使用5 倍擴底補填錨固時，對消除樹脂錨桿滑移失效現(xiàn)象效果顯著。

表3 擴底補填錨固與正常錨固拉拔試驗結(jié)果對比Table3 Comparison of pullout test between reamed and normal anchorage

3 結(jié) 論

1）擴底補填和正常錨固系統(tǒng)的應(yīng)力和位移結(jié)果表明：擴底補填錨桿軸向載荷得到明顯提高，改善了錨固段鉆孔周圍的圍巖性質(zhì)，使得錨桿的有效錨固能力有較大的增強，錨固效果更好，錨固系統(tǒng)更穩(wěn)定。

2）擴孔最大直徑越大，擴底補填錨固錨桿軸向荷載越高、各部件位移隨越小，表明圍巖承受能力越好。大于5 倍的擴底補填錨固系統(tǒng)中各部件的軸向載荷增加趨勢與位移減小趨勢變得平緩。綜合考慮擴底補填的作業(yè)量、施工難度、成本等因素，認為5倍擴底補填錨固效果最佳。

3）現(xiàn)場試驗表明：5 倍擴底補填后巷道的頂板變形總量以及變形速度均小于正常支護后的巷道變形總量與速度；擴底補填錨固的錨桿拉拔力達到正常錨固的2 倍。表明擴底補填錨固對防止樹脂錨桿滑移失效效果顯著。