鉆錨一體化新型注漿錨桿實(shí)驗(yàn)研究及應(yīng)用

張振峰

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

多年的現(xiàn)場實(shí)踐與工程試驗(yàn)研究表明，以煤巖體地質(zhì)力學(xué)測試為基礎(chǔ)和以錨固注漿為核心的巷道支護(hù)成套技術(shù)[1，2]，已經(jīng)成為我國煤礦巷道首選的、安全高效的支護(hù)技術(shù)。對于破碎圍巖巷道，單純采用簡單錨桿錨索支護(hù)，并不能解決問題，破碎圍巖與錨固劑的粘結(jié)力小，無法保證錨桿與錨索錨固力，使之力學(xué)性能不能充分發(fā)揮，在這種條件下，采用注漿加固與錨桿錨索支護(hù)相結(jié)合的方式是控制巷道圍巖變形的有效途徑[3-12]。

普通高強(qiáng)錨桿雖然其破斷力較大，但是由于圍巖松散破碎，可錨性差，錨桿的預(yù)緊力低且不能有效擴(kuò)散，不能完全發(fā)揮錨桿的主動支護(hù)作用，也不能有效的控制圍巖的變形，尤其在深部軟弱圍巖條件下，鉆孔塌孔嚴(yán)重，普通錨桿無法及時安裝。針對松散破碎巷道圍巖加固問題，目前有兩種常用的方法：一種是通過注漿管向圍巖內(nèi)注漿，改變圍巖的松散結(jié)構(gòu)，使圍巖形成一個整體，然后再錨固；另一種是使用特殊設(shè)計的中空錨桿將錨固與注漿技術(shù)結(jié)合，在恢復(fù)圍巖的完整性、提高其整體強(qiáng)度的同時，又能提供錨固作用。其中第二種方法更符合“主動、及時、高預(yù)緊力”的支護(hù)理念，許多學(xué)者對此展開了一些相關(guān)的研究工作[13-15]。王四巍[16]研究了在圍巖嚴(yán)重破碎的區(qū)域內(nèi)，中空注漿錨桿與普通全長粘結(jié)錨桿的極限拉拔力，通過現(xiàn)場試驗(yàn)測試得出中空注漿錨桿的拉拔力要遠(yuǎn)大于全長粘結(jié)錨桿；李術(shù)才[17]等針對深部煤礦巷道圍巖大變形、支護(hù)構(gòu)件損壞、錨固力不足等問題，設(shè)計了一種新型組合注漿錨桿，該錨桿主要由高強(qiáng)錨桿、高強(qiáng)中空注漿管和連接螺母三部分組成，螺母上有漿液出口，利用樹脂藥卷對錨桿進(jìn)行錨固，然后再利用中空錨桿部分注漿；盧小剛[18]通過模擬計算研究了漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿和普通砂漿錨桿的圍巖的塑性區(qū)的分布、圍巖位移的變化和錨桿軸向力的分布。上述學(xué)者針對松散破碎圍巖的加固問題，開發(fā)或者試驗(yàn)應(yīng)用了某種新型錨桿，但通過對比可以發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的錨桿的應(yīng)用范圍依然具有一定的局限性，例如中空注漿錨桿、組合注漿錨桿、漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿等，在應(yīng)對松軟圍巖環(huán)境會安裝困難，嚴(yán)重制約施工質(zhì)量和速度；自進(jìn)式中空注漿錨桿雖然可以實(shí)現(xiàn)鉆孔、注漿、錨固的一體化，但其與普通中空注漿錨桿一樣，不能實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨固。針對松散、破碎的圍巖支護(hù)問題，本文開發(fā)出了一種新型高強(qiáng)鉆錨一體化注漿錨桿，這種預(yù)應(yīng)力錨桿可以實(shí)現(xiàn)鉆孔、錨固、注漿的一體化。

1 鉆錨一體化注漿錨桿

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

鉆錨一體化注漿錨桿主要由鉆頭、楔體、漲殼、桿體、托盤、螺母等組成。其中桿體為中空高強(qiáng)度的無縫鋼管，鋼管外表面為全螺紋結(jié)構(gòu)，鉆頭安裝在錨桿的頂端，與楔體相連，尾部安裝有一個自鎖結(jié)構(gòu)，用來控制楔體與桿體之間的相對運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)鉆孔，反轉(zhuǎn)預(yù)緊錨固的過程。桿體的尾部為左旋的螺紋段，在錨桿尾部依次安裝有螺母、托盤封孔膠塞。螺母與錨桿尾部螺紋段之間設(shè)置剪切銷，保證錨桿與鉆機(jī)的同步運(yùn)動，并在反轉(zhuǎn)預(yù)緊過程中被螺母剪斷，進(jìn)而快速實(shí)現(xiàn)錨桿的預(yù)緊安裝。其結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1所示。

1—鉆頭；2—楔體；3—漲殼；4—彈簧卡；5—自鎖結(jié)構(gòu)；6—注漿錨桿桿體；7—封孔膠塞；8—托盤；9—調(diào)心球型墊圈；10—桿尾螺母；11—剪切銷；12—逆止閥組件圖1 鉆錨一體化注漿錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2 工作原理

鉆錨一體化注漿錨桿能實(shí)現(xiàn)鉆孔、錨固、注漿的一體化作業(yè)，尤其是在圍巖破碎區(qū)域，能夠快速鉆進(jìn)及時安裝，而不用擔(dān)心鉆孔塌孔問題，然后通過注漿及時恢復(fù)圍巖的完整性，實(shí)現(xiàn)錨桿的全長預(yù)應(yīng)力錨固，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力，達(dá)到控制巷道圍巖變形的目的。鉆錨一體化注漿錨桿的工作原理為：

1)鉆孔。錨桿首先作為鉆桿使用，自鉆錨桿鉆進(jìn)后，不抽拔出桿體，解決了鉆孔塌陷給施工造成的不利。

2)錨固。在錨桿鉆進(jìn)完成后，使鉆機(jī)反轉(zhuǎn)，利用漲殼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)錨桿的端部機(jī)械錨固，同時旋緊螺母完成機(jī)械錨固與預(yù)緊安裝。

3)注漿。將錨桿尾部與注漿泵相連，對巷道圍巖進(jìn)行注漿，端部機(jī)械錨固錨桿完成預(yù)應(yīng)力全長錨固。

2 鉆錨一體化注漿錨桿實(shí)驗(yàn)研究

2.1 力學(xué)性能測試

為了驗(yàn)證鉆錨一體化注漿錨桿桿體的力學(xué)特性，利用伺服電液拉力試驗(yàn)機(jī)對錨桿的桿體和其不同規(guī)格螺紋段進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。錨桿桿體(空心管)試件，外徑 25.2mm，長度500mm，平行長度 300mm，標(biāo)距 125mm；滾軋螺紋段試件，外徑 26mm，長度 140mm，平行長度 60mm，標(biāo)距 60mm。兩種材料孔徑均為 8mm，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從表1可知，空心桿體的拉斷載荷分別為285.8kN、286.38kN、286.04kN，其平均值為286.07kN，普通的中空注漿錨桿的拉斷載荷僅為56.7kN，前者約為后者的5倍，同時也要略高于文中提到的高強(qiáng)中空錨桿264kN的拉斷載荷。而錨桿尾部螺紋段的拉斷分別為270.61kN、272.92kN、275.03kN，其平均值為272.85kN，要略低于空心桿體，而錨桿桿體的最大力延伸率平均為10%，空心管體軋制螺紋后，力學(xué)性能稍有損失。通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)測和對比可知，鉆錨注一體化注漿錨桿桿體還有螺紋段都符合高強(qiáng)錨桿的要求，錨桿材料能夠承受較高的拉力，同時桿體的延伸率也較大。

2.2 錨固結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用有限元軟件ANSYS，模擬錨桿的受力，通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)對比，設(shè)計確定最優(yōu)的漲殼外形。鉆錨一體化中空注漿錨桿構(gòu)件模型如圖2所示。

圖2 錨桿構(gòu)件模型

通過實(shí)驗(yàn)室鉆錨拉拔試驗(yàn)對比，模擬結(jié)果與實(shí)際情況基本一致，經(jīng)比較分析，當(dāng)楔形體角度8°時，既能保證楔形體進(jìn)入漲片順利，又不會造成楔形體滑脫漲片。錨桿安裝后，初始扭矩300N·m，錨桿軸向受力5t，此時傳遞到桿體扭矩約為120N·m。桿體采用深、淺螺紋軋制，在不影響桿體強(qiáng)度下，深螺紋方便鉆孔排渣。錨固段受力情況模擬結(jié)果如圖3所示，漲片上部與楔形體頸部，出現(xiàn)應(yīng)力集中，漲片是錨固段核心部件，需要硬化加強(qiáng)處理。

圖3 錨固段受力分析

2.3 鉆錨實(shí)驗(yàn)

為了評價其鉆孔的性能及機(jī)械錨固可靠性，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鉆錨一體化注漿錨桿的鉆孔和錨固實(shí)驗(yàn)，在內(nèi)徑100mm、長度1500mm的對開鋼管內(nèi)注滿水泥，用以模擬圍巖，在錨桿鉆進(jìn)、錨固完成后，可以將鋼管拆開，來觀察錨固情況。材料的配比為：水泥∶細(xì)沙∶水玻璃∶水=5∶150∶4∶40。本次鉆孔試驗(yàn)分兩組：一組為濕式鉆孔試驗(yàn)，一組為干式鉆孔試驗(yàn)(檢驗(yàn)水壓不足或者供水不暢條件下排渣性能)，每組試驗(yàn)各3根錨桿，錨桿長度1317mm，鉆頭?30mm。

錨注一體化錨桿的鉆孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，當(dāng)鉆進(jìn)深度為1150mm時，濕式鉆孔時錨桿的鉆進(jìn)時間分別為87s、80s和62s，平均為76.3s，而干式鉆孔鉆進(jìn)時間分別為186s、196s和166s，平均值為182s，后者鉆進(jìn)時間慢，但錨桿排渣結(jié)構(gòu)工作順暢，濕式鉆孔的鉆進(jìn)時間更短，效率更高，能滿足快速安裝錨桿的需要。

表2 錨注一體化錨桿的鉆孔試驗(yàn)結(jié)果

在錨桿鉆孔完成后，通過使用液壓扳手來錨固錨桿，然后再用扭矩扳手?jǐn)Q緊螺母來施加預(yù)緊力。同時，為了測試漲殼式錨桿的最大錨固力，將采用液壓張拉泵對錨桿進(jìn)行張拉實(shí)驗(yàn)，錨桿的最大拉拔力以及不同扭矩所對應(yīng)的錨桿預(yù)緊力見表3。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，3根錨桿的最大拉拔力分別為117.30kN、132.00kN、127.00kN，平均值為125.33kN，接近錨桿桿體屈服強(qiáng)度的50%，當(dāng)扭矩為300N·m時，3根錨桿的預(yù)緊力分別為56.80kN、57.30kN、57.70kN，平均預(yù)緊力為57.27kN，在300Nm的預(yù)緊力下，3根錨桿的扭矩和預(yù)緊力轉(zhuǎn)換系數(shù)基本相近。

表3 鉆錨一體化注漿錨桿錨固試驗(yàn)結(jié)果 kN

3 鉆錨一體化注漿錨桿現(xiàn)場試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)選在潞安集團(tuán)漳村煤礦東軌道運(yùn)輸巷(全煤巷道)，采用錨網(wǎng)支護(hù)，混凝土噴漿，巷表噴漿層較硬，內(nèi)部為軟弱煤巖。使用改制的MTY160/320液壓頂(正反轉(zhuǎn))、幫錨桿鉆機(jī)分別在巷道頂板及兩幫打設(shè)新型錨桿，錨桿的安裝過程如圖4所示。

圖4 鉆錨一體化注漿錨桿安裝過程

通過井下的錨桿安裝試驗(yàn)可知，錨桿排渣順暢、鉆進(jìn)順利。當(dāng)封孔膠塞到達(dá)孔口處時，停止鉆進(jìn)，然后使錨桿鉆機(jī)反轉(zhuǎn)，錨桿托盤推動膠塞進(jìn)入鉆孔，漲殼張開壓緊孔壁，直至螺母剪斷銷釘，帶動托盤壓緊孔壁，機(jī)械錨固結(jié)束，完成錨桿安裝。機(jī)械錨固完成后經(jīng)扭矩扳手檢測，試驗(yàn)錨桿的安裝扭矩均大于250N·m，滿足井下高預(yù)應(yīng)力錨固錨桿的預(yù)緊要求，同時提高掘進(jìn)速度30%。

現(xiàn)場采用氣動雙液注漿泵進(jìn)行注漿，漿液為A、B雙組份(體積比1∶1)化學(xué)漿，該漿液具有粘度低、滲透性好、固結(jié)強(qiáng)度高的特點(diǎn)，固化速度3min。鉆錨一體化注漿錨桿現(xiàn)場注漿過程如圖5所示。注漿實(shí)驗(yàn)可知，錨桿尾部止?jié){塞、逆止閥封閉效果較好，可以實(shí)現(xiàn)帶壓注漿，基本保證鉆孔內(nèi)漿液密實(shí)，滿足錨桿的全長高預(yù)應(yīng)力錨固要求，通過對比注漿量和鉆孔體積差值可以發(fā)現(xiàn)，漿液已經(jīng)滲透擴(kuò)散到圍巖內(nèi)部，這對恢復(fù)巷道圍巖的完整性和其自身的承載能力有著重要作用，同時也利于錨桿支護(hù)應(yīng)力場的有效擴(kuò)散。

圖5 鉆錨注一體化錨桿的注漿過程

4 結(jié) 論

1)設(shè)計開發(fā)了一種新型高強(qiáng)鉆錨一體化注漿錨桿，錨桿桿體的拉斷載荷平均值為286.07kN，桿尾螺紋段的拉斷載荷平均值為272.85kN，桿體的最大力延伸率平均為10%，符合高強(qiáng)錨桿的要求。

2)實(shí)驗(yàn)室開展錨桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化與力學(xué)性能測試，確定了錨桿的外形參數(shù)，并通過鉆錨試驗(yàn)驗(yàn)證了錨桿的可靠性。

3)井下工藝性試驗(yàn)表明，該錨桿可以滿足高預(yù)應(yīng)力全長錨固的支護(hù)要求，使用與之配套的化學(xué)注漿材料完成注漿后，可最大程度上發(fā)揮鉆錨注一體化錨桿的支護(hù)作用。