適用于圍巖大變形的螺紋鋼錨桿設(shè)計(jì)及工程實(shí)踐

韓 軍，王 鑫，馬雙文，張 明，CAO Chen,，REN Ting

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 遼寧省煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心，遼寧 阜新 123000；3. 澳大利亞伍倫貢大學(xué) 土木、采礦與環(huán)境學(xué)院，新南威爾士 伍倫貢 2522)

隨著淺埋深能源儲(chǔ)量的枯竭，深部地下開采已成為國家能源安全及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。目前國內(nèi)地下煤炭主采層深度為地下600～800 m，最大開采煤層為地下1 500 m[1-2]。隨著開采煤層向深部發(fā)展，地下煤礦巷道圍巖地應(yīng)力增加，造成巷道圍巖軟化及大變形，甚至誘發(fā)冒頂、沖擊地壓等多種井下災(zāi)害，嚴(yán)重威脅工程安全和資源有效開采。

錨桿支護(hù)由于巖層控制效果好、成本低等特點(diǎn)已在我國地下煤礦巷道支護(hù)大規(guī)模應(yīng)用，是目前巷道圍巖主要的巖石控制手段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦地下巷道每年安裝螺紋鋼錨桿超過1.7億根[1]，是人員和設(shè)備安全及整個(gè)采礦作業(yè)的最終保障。

進(jìn)入深部開采后，針對(duì)高地應(yīng)力、強(qiáng)采動(dòng)擾動(dòng)、巷道圍巖大變形、圍巖軟化破碎等情況，國內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了多種錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)和支護(hù)材料。在基礎(chǔ)理論研究領(lǐng)域，LI[3-4]提出，在高地應(yīng)力條件下，應(yīng)提高錨桿的承載能力，適應(yīng)圍巖大的變形，在支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞前盡量吸收較多能量。在支護(hù)材料方面，研發(fā)了可加長錨桿[5-6]、讓壓錨桿[7]等新深部巷道支護(hù)材料；康紅普院士團(tuán)隊(duì)[8]強(qiáng)調(diào)在高地應(yīng)力和深部巷道圍巖大變形支護(hù)中，使用高強(qiáng)錨桿、錨索、拱形棚、高強(qiáng)度鋼網(wǎng)和高預(yù)緊力；何滿潮院士團(tuán)隊(duì)[9-10]研發(fā)了軟巖巷道和復(fù)雜地質(zhì)條件的支護(hù)新材料恒阻大變形錨桿，極大地提高了錨固系統(tǒng)的吸能能力。在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方面，多種支護(hù)元素聯(lián)合支護(hù)與耦合技術(shù)取得了長足進(jìn)展，例如錨索/錨桿優(yōu)化布置加全長注漿加高預(yù)緊力的方案[11]及軟巖巷道全斷面可縮性支護(hù)方案[12]等。新支護(hù)材料的引入也為巷道支護(hù)工程提供了更豐富的手段，例如使用泡沫混凝土回填、可伸縮U型鋼棚架、預(yù)應(yīng)力錨索等控制深部軟巖巷道底臌[13],以及采用加長錨桿+剛性螺紋鋼錨桿+噴射混凝土支護(hù)圍巖大變形巷道，并在高地應(yīng)力區(qū)域允許圍巖有一定的初始變形[14]。

上述研究為深部巷道新的地質(zhì)條件下錨桿支護(hù)提供了新理論、新材料、新技術(shù)等。然而，作為錨網(wǎng)支護(hù)最基本的支護(hù)元素，即螺紋鋼錨桿本身，鮮有針對(duì)深部資源開采巷道圍巖大變形進(jìn)行優(yōu)化。錨固力學(xué)載荷傳遞基礎(chǔ)理論顯示，螺紋鋼的螺紋是錨桿與周圍介質(zhì)載荷傳遞的承擔(dān)者，它與周圍介質(zhì)的相互作用是錨固性能的關(guān)鍵[15-16]，所以，針對(duì)深部巷道圍巖大變形條件下螺紋優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要研究意義；而且，螺紋設(shè)計(jì)優(yōu)化不增加支護(hù)成本，不改變支護(hù)設(shè)備及工藝，是易推廣、易見成效的技術(shù)革新。

針對(duì)深部地下煤礦巷道圍巖大變形工礦條件，本項(xiàng)研究回顧螺紋的設(shè)計(jì)的發(fā)展，理論分析螺紋幾何參數(shù)在錨固系統(tǒng)中的作用，基于錨固力學(xué)的載荷傳遞機(jī)理，設(shè)計(jì)開發(fā)適用于圍巖大變形的螺紋鋼錨桿，并進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和工礦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行效果檢驗(yàn)。

1 螺紋研究現(xiàn)狀

錨桿在礦業(yè)大規(guī)模應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代。目前，國內(nèi)地下煤礦回采巷道基本使用3種錨桿，如圖1所示。頂板錨桿多采用φ22 mm左旋螺紋鋼錨桿，煤柱幫采用φ17～20 mm右旋螺紋鋼錨桿，部分煤礦在采煤幫采用玻璃鋼錨桿避免火花。

圖1 我國煤礦常用錨桿

螺紋鋼錨桿的錨固力來自于它的螺紋，沒有螺紋的圓鋼幾乎沒有軸向承載能力。研究證明[16-18]，不同螺紋的錨桿其載荷傳遞能力不同，即螺紋不同錨固性能不同。影響錨固性能的重要螺紋參數(shù)包括肋寬w、肋高h(yuǎn)、半徑r、肋坡角α、間距L、剪漲滑移破壞時(shí)螺紋承載角i及肋在桿體的螺旋上升角(圖2)。

圖2 螺紋重要幾何參數(shù)

目前礦用螺紋鋼錨桿的螺紋參數(shù)是從土木行業(yè)鋼筋螺紋參數(shù)引入的?；炷列袠I(yè)鋼筋螺紋幾何的研究有超過百年的歷史[19]。20世紀(jì)40年代文獻(xiàn)[20-22]成為ASTM制定當(dāng)時(shí)鋼混結(jié)構(gòu)中鋼筋螺紋標(biāo)準(zhǔn)的主要依據(jù)。20世紀(jì)80年代螺紋參數(shù)研究趨于完成[23-24]。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，雖然鋼筋螺紋優(yōu)化研究仍有一些不錯(cuò)的進(jìn)展，例如文獻(xiàn)[25-27]，但混凝土行業(yè)鋼筋螺紋幾何優(yōu)化已基本趨向完善。經(jīng)過1個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，目前混凝土用φ20 mm鋼筋的螺紋幾何參數(shù)基本為肋間距約12 mm、肋高1～2 mm、肋坡角45°～70°。該幾何參數(shù)亦是目前國內(nèi)外多個(gè)國家和地區(qū)建筑用鋼筋螺紋幾何的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括美國的ASTM、英聯(lián)邦的BS和我國的GB標(biāo)準(zhǔn)。

20世紀(jì)90年代,錨桿開始在地下巷道廣泛應(yīng)用，最初，礦用錨桿就是土木行業(yè)的鋼筋。由于錨桿安裝過程中需要攪拌藥卷錨固劑，為了使頂錨桿和幫錨桿都能攪拌均勻，逐漸演化出左旋錨桿和右旋錨桿，并為錨固劑流淌順暢去掉了鋼筋的縱筋；但是，這些變革與載荷傳遞并沒有直接關(guān)系，即影響錨固性能的螺紋幾何參數(shù)并未改變。

地下巷道錨桿與地面混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋在支護(hù)要求、應(yīng)用環(huán)境、破壞方式等多個(gè)方面存在很大差異。首先，混凝土結(jié)構(gòu)一般只允許彈性變形，而錨桿錨固體塑性變形是常態(tài)，甚至部分失效也是允許的；其次，地面土木結(jié)構(gòu)沒有地應(yīng)力，而地下錨固體受地應(yīng)力的作用，地應(yīng)力既影響圍巖變形又影響錨桿產(chǎn)生的錨固應(yīng)力；最后，地面鋼混結(jié)構(gòu)在鋼筋受軸力時(shí)破壞方式一般為混凝土劈裂，而錨桿安裝在的圍巖內(nèi)，其受軸力的破壞方式只能為拔出破壞。表1總結(jié)混凝土鋼筋與礦用錨桿各種差異及對(duì)系統(tǒng)載荷傳遞的影響。

表1 地面混凝土鋼筋與井下錨桿差異對(duì)比

由于2種支護(hù)元素存在多方面差異，因此，歷經(jīng)百年優(yōu)化的鋼筋螺紋參數(shù)，并不是地下礦用錨桿螺紋的優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如，地面土木結(jié)構(gòu)一般要求變形量不超過彈性范圍且附加安全系數(shù)，因此螺紋設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮錨固力峰值；而深部巷道圍巖大變形條件下，錨固段塑性形變不可避免，因此增加錨桿錨固段殘余強(qiáng)度、提高錨固段吸能能力比增加錨固力峰值更重要。

由于錨桿大規(guī)模應(yīng)用較晚，針對(duì)礦用錨桿的螺紋優(yōu)化研究不多。早期較為重要的研究包括澳大利亞學(xué)者FABJANCZYK和TARRANT在1992年的試驗(yàn)研究[28]，通過不同肋高錨桿試樣的拉拔試驗(yàn)，認(rèn)為錨固力與鉆孔直徑、錨桿直徑、肋幾何以及錨固劑力學(xué)參數(shù)有關(guān)，也是“三徑”的早期研究。

肋間距優(yōu)化是錨桿螺紋優(yōu)化研究的重點(diǎn)。1996年BLUMEL開啟了錨桿肋間距優(yōu)化研究[29]，通過錨桿拉拔試驗(yàn)，得到了加大肋間距可以提高錨桿載荷傳遞能力的結(jié)論。進(jìn)入2000年后，AZIZ等[30-31]通過75 mm和115 mm錨固段長度拉拔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)錨桿的肋間距為37.5 mm時(shí)錨固效果最佳。國內(nèi)方面，林健等[32-33]通過11,22,33和44 mm肋間距錨桿拉拔試驗(yàn)，認(rèn)為肋間距為33 mm時(shí)錨固性能最佳；吳濤[34]、趙象卓[35]等分別對(duì)左旋和右旋2種國內(nèi)常用錨桿不同肋間距(12,24,36和48 mm)的拉拔力和吸能能力進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到肋間距為24 mm時(shí)吸能效果最佳。

上述實(shí)驗(yàn)室拉拔試驗(yàn)結(jié)果顯示，提高錨桿螺紋肋間距可以增強(qiáng)錨固段載荷傳遞能力及錨固段吸能能力。但是，上述研究也存在不足，首先是基礎(chǔ)理論研究不足；另外，各試驗(yàn)研究的結(jié)果也不一致?；谳d荷傳遞機(jī)理，通過破壞方式與破壞過程分析，研發(fā)適用于深部開采圍巖大變形條件下的螺紋鋼錨桿是本研究的目標(biāo)。

2 螺紋鋼錨桿錨固機(jī)理

2.1 載荷傳遞機(jī)理

錨固結(jié)構(gòu)體由錨桿、錨固劑、圍巖、錨桿-錨固劑交界面以及錨固劑-圍巖交界面5個(gè)元素組成。各元素之間通過相互作用，即載荷傳遞，將載荷從不穩(wěn)定的元素轉(zhuǎn)移到穩(wěn)定元素，最終形成穩(wěn)定錨固結(jié)構(gòu)體，是錨桿支護(hù)的目的[36-37]。

錨桿系統(tǒng)內(nèi)載荷傳遞的能力，即承載能力，決定該錨桿的錨固效果。錨桿的承載能力一般以錨固段應(yīng)力、應(yīng)變(或位移)曲線衡量，錨桿錨固性能是錨固力峰值、殘余強(qiáng)度、錨固段吸能能力的綜合表現(xiàn)。綜合近年錨固性能要素研究方面的科研成果，可以認(rèn)為影響錨桿錨固性能的關(guān)鍵要素為錨桿螺紋幾何、三徑、錨固劑和圍巖強(qiáng)度等。例如，康紅普等[38]認(rèn)為影響錨固力的因素包括錨桿直徑、錨桿外形、錨固劑的力學(xué)性能以及圍巖的強(qiáng)度和完整性；AZIZ等[39]報(bào)道了影響錨固性能的因素包括鉆孔直徑、錨固劑環(huán)厚度、安裝時(shí)間、手套效應(yīng)和超拌(攪拌時(shí)間>凝膠時(shí)間)等。

2.2 破壞方式、破壞過程分析方法

錨固失效是錨固結(jié)構(gòu)體一個(gè)或多個(gè)元素破壞失效。錨桿受軸力條件下，錨固結(jié)構(gòu)體5個(gè)元素中2個(gè)交界面是較為脆弱的部分。錨桿-錨固劑交界面比錨固劑-圍巖交界面面積小，如果2個(gè)交界面抗剪強(qiáng)度近似，則錨桿-錨固劑交界面更易發(fā)生破壞；圍巖較軟易破碎，則錨固劑-圍巖交界面容易發(fā)生破壞。

錨固破壞失效的破壞方式分析和破壞過程分析方法是載荷傳遞機(jī)理分析的主要手段。該方法在20世紀(jì)70年代被土木界用于鋼混結(jié)構(gòu)承載的本構(gòu)研究[40]，20世紀(jì)90年代被加拿大學(xué)者[41]引入到礦用錨索本構(gòu)關(guān)系研究，認(rèn)為錨索錨固破壞是由于錨固劑環(huán)切向應(yīng)力大于材料抗拉強(qiáng)度，并建立了相應(yīng)力學(xué)模型“黏結(jié)強(qiáng)度模型(BSM)”

2.3 錨桿-錨固劑交界面破壞方式

在針對(duì)螺紋鋼錨桿載荷傳遞和錨固破壞研究中，CAO等[16,42]通過試驗(yàn)觀測(cè)與理論分析，認(rèn)為錨桿-錨固劑交界面主要存在2種破壞模式，即平行剪切破壞和剪漲滑移破壞(圖3，其中，R為錨桿外徑，l為嵌入錨固劑長度)。平行剪切破壞是最大肋高組成的圓柱面產(chǎn)生直剪破壞；而剪漲滑移破壞則是錨桿橫肋壓壞部分錨固劑組成一個(gè)錐形頭，并在軸力作用下?lián)螡q周圍介質(zhì)的軸向滑移。

圖3 平行剪切破壞和剪漲滑移破壞[42]

2種破壞同時(shí)發(fā)生時(shí)，螺紋幾何產(chǎn)生的錨固力峰值最大，錨固段抗破壞效果最好。針對(duì)莫爾-庫侖材料，可以推導(dǎo)出單個(gè)肋間距錨固段最大錨固力峰值的螺紋幾何參數(shù)[42]滿足：

(1)

(2)

其中，參數(shù)L，h，r為錨桿外形參數(shù)，mm，如圖2所示；φ和c為錨固劑內(nèi)摩擦角和黏聚力；p為作用于錨桿表面的平均法向應(yīng)力?？梢钥吹?，螺紋參數(shù)的優(yōu)化與錨固劑強(qiáng)度、地應(yīng)力相關(guān)；而剪漲滑移的殘余強(qiáng)度還與圍巖強(qiáng)度有關(guān)。

2.4 錐形體剪漲滑移的阻力

式(1)，(2)給出了單位錨固段針對(duì)錨固力峰值的最佳螺紋幾何參數(shù)表達(dá)式。圍巖變形使錨固力超出峰值后，錨固段進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段。在圍巖變形量大情況下，提高錨固力殘余強(qiáng)度是有效的巖層控制手段。

對(duì)平行直剪破壞方式，錨固段殘余強(qiáng)度即為破壞圓柱面的殘余抗剪強(qiáng)度，表達(dá)為柱面平均法向應(yīng)力與滑動(dòng)摩擦因數(shù)的乘積，而圓柱面平均法向應(yīng)力與地應(yīng)力有關(guān)。對(duì)剪漲滑移破壞，在錨固力達(dá)到峰值后，錨桿螺紋連同殘留錨固劑(圖2深色三角部分)形成錐體，在軸力作用下擠壓和摩擦周邊介質(zhì)產(chǎn)生的阻力即是錨固段殘余強(qiáng)度，因此，研究錐形頭在巖土介質(zhì)中的阻力是分析錨固段殘余強(qiáng)度的關(guān)鍵。

錐形結(jié)構(gòu)在巖土介質(zhì)中滑移是巖土力學(xué)和錨固力學(xué)一個(gè)重要研究內(nèi)容。GAUDREAU等[43]在BRUNSWICK礦山進(jìn)行了錐形錨桿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并將錐形結(jié)構(gòu)的載荷-位移曲線分為彈性階段、屈服點(diǎn)和塑性階段。KILIC等[44]試驗(yàn)研究圓錐幾何參數(shù)對(duì)錨固效果的影響，發(fā)現(xiàn)錨固強(qiáng)度取決于周邊介質(zhì)的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。CAI等[45]通過試驗(yàn)研究錐形結(jié)構(gòu)阻力，設(shè)計(jì)開發(fā)了適用于巖爆礦山支護(hù)的錐形錨桿，也是工程實(shí)踐中肋間距最大的錨桿。恒阻大變形錨桿的恒阻器也是錐形結(jié)構(gòu)在鋼套筒中擴(kuò)張-滑移產(chǎn)生恒定阻力[9]。LIANG等[46]采用解析與數(shù)值計(jì)算方法，開發(fā)了錐形結(jié)構(gòu)受軸力的力學(xué)模型。在動(dòng)載條件下，ST-PIERRE等[47]基于錐形錨桿錨固體落錘試驗(yàn)，采用集中質(zhì)量方法，建立了一個(gè)錐形錨桿動(dòng)載力學(xué)模型。

綜合考慮上述研究成果，錐形結(jié)構(gòu)剪漲滑移阻力可分為2部分：一是滑移面摩擦力；二是錐形結(jié)構(gòu)撐漲周邊介質(zhì)的阻力，2者疊加即為一個(gè)錨桿螺紋剪漲滑移破壞條件下的錨固力殘余強(qiáng)度，如圖4所示。

圖4 錐形結(jié)構(gòu)剪漲滑移阻力[46]

與平行剪切破壞相比，剪漲滑移破壞后的殘余錨固力強(qiáng)度除摩擦阻力外，還有錐形頭擴(kuò)張周邊介質(zhì)的阻力；后者造成周邊介質(zhì)變形，介質(zhì)變形產(chǎn)生的應(yīng)力與初始地應(yīng)力進(jìn)行疊加，進(jìn)一步提高了錐形頭的摩擦阻力。因此，一般情況下剪漲滑移破壞的錨固力殘余強(qiáng)度大于平行直剪破壞。因此，通過控制錨固段破壞方式的方法，對(duì)礦用錨桿螺紋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加錨固力殘余強(qiáng)度,提高錨固段在整個(gè)破壞過程中的吸能能力，是針對(duì)深部資源開采巷道圍巖大變形錨桿螺紋優(yōu)化研究的理論依據(jù)與分析手段。

3 螺紋幾何參數(shù)對(duì)錨固性能的影響

3.1 桿體直徑

錨桿半徑是桿體承載能力參數(shù)，目前礦用錨桿一般為φ18～22 mm。在桿體直徑優(yōu)化方面，如果桿體屈服強(qiáng)度大于錨固力峰值，進(jìn)一步提高桿體直徑并不能有效提升錨固效果，且增高了材料成本(錨桿按質(zhì)量計(jì)價(jià))及勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，只有在錨桿桿體破斷較多的礦井，才有必要考慮提高桿體直徑。

3.2 螺紋上升角

目前在混凝土行業(yè)GB標(biāo)準(zhǔn)和礦用錨桿行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定螺紋在錨桿桿體的上升角不大于45°，但ASTM和BS中沒有明確規(guī)定。有上升角的錨桿軸向承載后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)使桿體旋轉(zhuǎn)的扭矩，上升角不同則扭矩的大小不同；但錨桿的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)剛度非常大，不同上升角產(chǎn)生的軸向扭矩對(duì)錨桿軸向應(yīng)力狀態(tài)的影響可以忽略不計(jì)。因此，理論上螺紋上升角對(duì)錨桿軸向承載沒有影響。

螺紋上升角在錨桿安裝過程中有非常重要的作用。巷道錨桿安裝一般使用樹脂藥卷錨固劑，左旋錨桿在攪拌錨固劑時(shí)螺紋逆著錨固劑流淌方向，防止阻礙錨固劑流速過快造成深部錨桿段錨固劑不足。右旋錨桿則相反，其螺紋加速錨固劑流淌，適用于安裝阻力大情況，例如煤幫支護(hù)的水平鉆孔等。

螺紋上升角不同也會(huì)造成錨桿機(jī)的安裝阻力、轉(zhuǎn)速、扭矩、進(jìn)速等不同，但其大小和方向只在錨桿安裝過程中發(fā)揮作用，一旦錨固劑順利流淌并充滿整個(gè)鉆孔，上升角不再影響后續(xù)錨固體的載荷傳遞及錨固效果。

3.3 肋寬

錨固力由螺紋承載，因此，螺紋肋寬應(yīng)與其最大承載量相匹配。為保障螺紋的承載能力，煤炭科學(xué)研究院設(shè)計(jì)了大螺紋寬度的錨桿，降低螺紋承載時(shí)的應(yīng)力集中。但是，增加肋寬的同時(shí)也降低了螺紋滑移的位移量，因此，螺紋寬度優(yōu)化應(yīng)綜合考慮其承載能力和錨固段的總吸能。

3.4 肋坡角

螺紋的肋坡角是螺紋幾何優(yōu)化研究的重要內(nèi)容。20世紀(jì)70年代前，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為螺紋肋坡角的法向即為鋼筋對(duì)周圍介質(zhì)作用的最大主應(yīng)力方向。20世紀(jì)70年代鋼混黏聚力基礎(chǔ)理論研究取得了突破性進(jìn)展[40,48]，認(rèn)識(shí)到螺紋幾何的肋坡角(圖2中α)并非承載角，而包含臨近介質(zhì)在內(nèi)的錐形角(圖2，3中i)才是螺紋的承載角，其法向方向是周圍介質(zhì)最大主應(yīng)力方向逐漸成為學(xué)術(shù)界共識(shí)。

承載角后續(xù)研究[42,44,46]發(fā)現(xiàn)，在螺紋肋坡角較小情況下，其角度變化對(duì)錨固性能依然有一定影響。綜合相關(guān)研究，可以認(rèn)為：在肋坡角較大情況下，例如>45°，錨固破壞首先是周圍介質(zhì)的壓破壞，然后螺紋與殘留介質(zhì)組合生成一個(gè)較小的承載角，并參與后續(xù)錨固力峰后階段的力學(xué)行為；在肋坡角較小情況下，例如<30°，由于鋼-樹脂黏結(jié)強(qiáng)度小于樹脂本身的抗剪強(qiáng)度，因此螺紋與周邊介質(zhì)的破壞面就是鋼-樹脂交界面，此時(shí)的螺紋肋坡角等于后續(xù)剪漲滑移的承載角。

目前，鋼筋及礦用錨桿行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定肋坡角>45°，實(shí)踐中鋼筋和錨桿螺紋肋坡角都>70°，所以，錨桿螺紋肋坡角不是錨固段峰后階段的承載角。在錨桿螺紋幾何優(yōu)化中，肋間距與肋高需要相互匹配，在肋高2 mm時(shí)，15°肋坡角的肋寬已經(jīng)>15 mm，因此，螺紋優(yōu)化中無法選取非常小的肋坡角設(shè)計(jì)。

3.5 肋高

在固定肋間距條件下，早期錨桿肋高研究[28]結(jié)果顯示一定程度增加肋高可提升錨固力。后續(xù)研究[16,42]提出了肋高與肋間距匹配的原則。在平行直剪破壞條件下，增加肋高不改變錨固段的破壞方式，錨固力提升僅是破壞圓柱面半徑增加造成的；在剪漲滑移破壞方式下，增大肋高能提高周圍介質(zhì)的徑向位移量，可以明顯提高錨固段的殘余強(qiáng)度。因此，在肋高和肋間距匹配情況下，增加肋高可以提高錨固段的吸能能力。

增加肋高會(huì)對(duì)錨固工藝產(chǎn)生影響，錨桿直徑不變情況下，增加肋高需增加鉆孔直徑，錨固劑用量及錨桿機(jī)的安裝阻力需相應(yīng)增加。目前，鋼混結(jié)構(gòu)國標(biāo)及礦用錨桿行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定螺紋鋼肋高為1～2 mm。

3.6 肋間距

錨桿螺紋肋間距優(yōu)化是螺紋幾何的重點(diǎn)研究內(nèi)容，國內(nèi)外學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)室拉拔試驗(yàn)方法對(duì)肋間距進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化研究，但優(yōu)化結(jié)果并不一致，文獻(xiàn)[29-35]試驗(yàn)研究得到的最佳肋間距分別是54.8,37.5,33.0,48.0和24.0 mm。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)[49]，實(shí)驗(yàn)室拉拔試樣不同，則錨固力也不同。上述各個(gè)肋間距研究結(jié)果的差異，是由于研究者使用的錨桿、錨固劑、套筒、三徑等不同造成的。

實(shí)驗(yàn)室拉拔試樣使用的套筒是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圍巖的模擬，因此在實(shí)驗(yàn)室拉拔試驗(yàn)中應(yīng)選用與現(xiàn)場(chǎng)圍巖徑向剛度相同的套筒，以增加試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。對(duì)于工礦現(xiàn)場(chǎng)來說，由于各工礦現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件差異較大，而錨固力與地應(yīng)力、圍巖條件、圍巖力學(xué)屬性等相關(guān)，即使選用相同錨桿、錨固劑和三徑，錨固力也不同。因此，并不存在一個(gè)適合所有礦井的最佳肋間距，而只有某個(gè)特點(diǎn)地質(zhì)條件下的最佳肋間距。

增加螺紋肋間距可以增加錨固段殘余強(qiáng)度及系統(tǒng)吸能能力。在肋間距12 mm情況下，橫肋產(chǎn)生錨固力的最大位移量是12 mm，增大肋間距可以增加殘余錨固力的位移量。值得注意的是，理論上，2個(gè)相鄰橫肋之間是沒有錨固力的，因此，肋間距優(yōu)化應(yīng)綜合考慮承載點(diǎn)的密集程度與峰后殘余強(qiáng)度持續(xù)的位移量，前者控制圍巖的初始變形，后者控制圍巖的持續(xù)變形。

4 巷道圍巖大變形錨桿螺紋設(shè)計(jì)

基于前期研究成果，考慮螺紋幾何對(duì)錨固性能的影響，采用增加錨固段殘余強(qiáng)度的方法，本項(xiàng)研究開發(fā)出一種適合深部資源開采巷道圍巖大變形條件的螺紋鋼錨桿，如圖5所示，螺紋參數(shù)見表2。

表2 圍巖大變形錨桿外形參數(shù)

圖5 圍巖大變形錨桿示意

桿體直徑設(shè)計(jì)為20 mm，與目前礦用錨桿類似。在錨桿桿體破斷較多的礦井應(yīng)選用更大直徑錨桿或其他支護(hù)措施。由于在拉拔試驗(yàn)中未觀測(cè)到橫肋破壞的現(xiàn)象，故新錨桿肋寬設(shè)計(jì)為1.5 mm，與左旋錨桿類似。新錨桿肋坡角設(shè)計(jì)為60°，符合目前礦用錨桿螺紋參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，且由于破壞方式為剪漲滑移，該角度大小不影響錨固段的殘余強(qiáng)度。為增加錨固段峰后殘余強(qiáng)度的大小，螺紋肋高設(shè)計(jì)為2 mm，是目前礦用錨桿螺紋設(shè)計(jì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的最大值。

圍巖大變形錨桿的關(guān)鍵特征是肋間距50 mm，與肋間距12 mm錨桿相比，顯著增加了殘余錨固力的位移量。大肋間距錨桿的錨固性能在多項(xiàng)研究中得到了驗(yàn)證[29-35]，是極為可靠的設(shè)計(jì)。具體數(shù)字50 mm并無特殊意義，即與40～60 mm具有相同意義，只是由于前期肋間距研究范圍都是12～50 mm。進(jìn)一步明顯增大肋間距，例如100 mm以上，理論上，可以進(jìn)一步增加錨固段的吸能能力，但是，橫肋減少導(dǎo)致整根錨桿產(chǎn)生錨固力的節(jié)點(diǎn)變少，對(duì)早期圍巖控制及離層控制不利。在離層區(qū)域，采用全長錨固并增密錨桿應(yīng)力點(diǎn)，是離層控制的有效手段，故50 mm肋間距是提高錨固段吸能能力與兼顧離層控制的折中設(shè)計(jì)。

與12 mm螺紋鋼錨桿相比，新設(shè)計(jì)錨桿橫肋數(shù)量較少，在錨桿安裝過程中錨固劑流速變快，因此，新錨桿螺紋設(shè)計(jì)為左旋，使螺紋在錨固劑攪拌過程中阻礙錨固劑流淌；且在橫肋重疊區(qū)域設(shè)計(jì)了1個(gè)10 mm的開口，進(jìn)一步降低錨固劑流速。該開口設(shè)計(jì)并不改變錨桿的錨固性能，僅為配合目前國內(nèi)常用錨桿機(jī)及錨固劑。新設(shè)計(jì)錨桿配套錨固劑為細(xì)料石粉填充劑樹脂藥卷錨固劑，錨固方式為全長錨固；在使用粗料填充劑的礦井應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試確定新錨桿的安裝設(shè)備和工藝。

新設(shè)計(jì)錨桿對(duì)制造材料無要求，可使用礦井常用500或600號(hào)鋼材，也可由高延展鋼、或高吸能鋼制造。新錨桿也可以與其他錨桿技術(shù)并行使用，例如加長錨桿、可伸長錨桿等；新錨桿也不影響聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)，例如錨網(wǎng)與注漿、棚架等聯(lián)合支護(hù)。

5 圍巖大變形錨桿測(cè)試

為研究圍巖大變形錨桿的承載能力，對(duì)圍巖大變形錨桿和常規(guī)左旋螺紋鋼錨桿做了對(duì)比測(cè)試，左旋錨桿螺紋參數(shù)見表3。

表3 左旋錨桿外形參數(shù)

錨固試樣的錨固劑采用礦用樹脂錨固劑(CKa2335)。針對(duì)典型深部軟巖回采巷道，巷道頂板彈性模量設(shè)為20.0 GP，泊松比0.20的砂巖，平均水平地應(yīng)力設(shè)為16 MPa，計(jì)算得到該地質(zhì)條件的錨固段徑向剛度與鋁套筒類似；故選用內(nèi)徑為32 mm(模擬鉆孔直徑)和壁厚5.8 mm的6061鋁管制作套筒，盡量保證錨固試樣在錨桿受軸力作用下的徑向形變與在該類頂板中一致。測(cè)試結(jié)果如圖6(a)所示。

同時(shí)，在錢家營煤礦2822工作面回風(fēng)巷頂板進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)。該工作面埋深約700 m，地應(yīng)力σ1，σ2和σ3分別為32.2,19.3和16.7 MPa。巷道主要支護(hù)形式為錨桿(索)網(wǎng)支護(hù)，但由于巷道收斂量較大，又采用了U型棚作為2次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。鉆孔平均直徑31.8 mm，試驗(yàn)錨桿錨固長度200 mm。試驗(yàn)結(jié)果如圖6(b)所示。

實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析可知，圍巖大變形錨桿拉拔力平均峰值分別為113.0 kN和118.0 kN，比左旋錨桿提高了13%和16%。從能量吸收的角度看，新錨桿在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的平均吸能為3 169 J和3 351 J，較左旋錨桿提高了15%和55%。結(jié)果表明，在試驗(yàn)條件下，圍巖大變形錨桿的錨固性能優(yōu)于礦用的左旋錨桿。

6 圍巖大變形錨桿支護(hù)工業(yè)試驗(yàn)

6.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

新設(shè)計(jì)錨桿錨固性能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試地點(diǎn)選取在開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司錢家營礦業(yè)分公司(簡稱錢家營礦，下同)。近年礦井年產(chǎn)量約6.0 Mt，第1生產(chǎn)水平為-600 m水平，第2生產(chǎn)水平為-850 m水平，均屬復(fù)合結(jié)構(gòu)中厚煤層。地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示，錢家營地應(yīng)力是以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，-850 m水平最大主應(yīng)力36.04～36.85 MPa，高于其他煤礦區(qū)一般水平。平均主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值為1.61～1.68，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力比值1.93～2.64，即最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力相差較大，最大主應(yīng)力方位129°。

回采巷道采用金屬拱型支架支護(hù)或錨桿支護(hù)，錨桿支護(hù)采用錨網(wǎng)、鋼帶、錨索聯(lián)合支護(hù)，錨桿包括φ20 mm右旋錨桿和21.7 mm左旋錨桿，間排距700～1 000 mm，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)使用φ17.8 mm錨索，長度8 000 mm，錨桿(索)預(yù)緊力無具體要求，支護(hù)參數(shù)如圖7所示。

圖7 錨桿支護(hù)參數(shù)示意

隨著開采深度的不斷增加，錢家營礦巷道支護(hù)帶來諸多難題。棚架支護(hù)在巷道掘進(jìn)較短時(shí)間即可能出現(xiàn)U型鋼棚子大變形，在井下變形量大的位置測(cè)得兩幫收斂量達(dá)1.7 m，頂?shù)装逡平繛?.7 m；錨桿支護(hù)出現(xiàn)部分錨桿破斷失效情況，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)與巷道返修工作量日益增大，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，亟需針對(duì)圍巖大變形的支護(hù)新材料、新技術(shù)。

6.2 支護(hù)方案

選取錢家營煤礦2173回風(fēng)巷進(jìn)行井工試驗(yàn)，為類似地質(zhì)條件回采巷道錨桿支護(hù)方案優(yōu)化提供現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用依據(jù)。試驗(yàn)巷道分3段，試驗(yàn)段1采用錢家營礦原有的端頭錨固支護(hù)方式作為對(duì)照試驗(yàn)段；試驗(yàn)段2使用原有錨桿但采用全長錨固方式，錨固劑型號(hào)換用MSZ2850中速錨固劑；試驗(yàn)段3使用新型錨桿全長錨固支護(hù)，錨固劑為MSZ2850中速錨固劑。主要測(cè)試全長錨固方式及新型錨桿與原支護(hù)方案的差異，其他支護(hù)材料例如鋼網(wǎng)、錨索、托盤、及間排距等參數(shù),包括錨桿安裝設(shè)備及操作工藝等與原支護(hù)相同。

試驗(yàn)檢測(cè)量包括巷道兩幫及頂?shù)装迨諗苛?十字交叉方法)、錨桿破斷或失效(現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì))頂板離層及錨桿內(nèi)力檢測(cè)，測(cè)試時(shí)段從掘進(jìn)工作面推進(jìn)50 m至回采工作面超前支護(hù)抵達(dá)，約7個(gè)月，監(jiān)測(cè)方案布置如圖8所示。

圖8 監(jiān)測(cè)斷面位置示意

6.3 工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果

通過十字交叉測(cè)得3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的最大兩幫收斂量和頂?shù)装逡平恳姳?。結(jié)果顯示，錢家營現(xiàn)有錨桿將端頭錨固方式更改為全長錨固方式可以減少巷道變形，采用新型錨桿全長錨固方式后則可明顯降低巷道圍巖變形量。

表4 巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)獲得錨桿破斷或失效數(shù)據(jù)見表5，結(jié)果顯示新錨桿全長錨固可減少錨桿破斷失效。

表5 試驗(yàn)巷道錨桿(索)失效統(tǒng)計(jì)

頂板下沉量如圖9所示，整體下沉量變化大小依次為：試驗(yàn)巷道1>試驗(yàn)巷道2>試驗(yàn)巷道3，且試驗(yàn)巷道1距頂板1.5 m處出現(xiàn)離層。因此，全錨錨固方式更有利于對(duì)頂板離層的控制，且圍巖大變形錨桿支護(hù)方式頂板下沉量最小，進(jìn)一步說明圍巖大變形錨桿相對(duì)現(xiàn)有的錨桿支護(hù)方式效果較好。

圖9 頂板下沉量變化曲線

頂板和巷幫錨桿受力如圖10所示，頂錨桿受力受采動(dòng)影響較明顯，而巷幫無明顯規(guī)律。從頂板錨桿受力曲線可以看出，試驗(yàn)巷道1,2受力無明顯區(qū)別，都表現(xiàn)出較大的承載力，而試驗(yàn)巷道3受力依然處于錨桿的彈性階段，具有較好的持久支護(hù)能力。

圖10 頂板和巷幫錨桿受力變化曲線

通過對(duì)比3種錨桿支護(hù)方案的巷道變形、錨桿破斷、頂板離層和錨桿內(nèi)力，綜合分析，可以得出圍巖大變形錨桿支護(hù)更有利于深部巷道圍巖的控制這一結(jié)論。

7 結(jié) 論

(1)通過分析螺紋各參數(shù)對(duì)錨固性能的影響，明確了錨桿肋間距對(duì)提升錨桿錨固性能有重要作用；通過提高錨桿肋間距可控制錨固段發(fā)生剪漲滑移破壞，進(jìn)而提高系統(tǒng)殘余強(qiáng)度和吸能能力，并以此為依據(jù)，設(shè)計(jì)了一種適用于巷道圍巖大變形的新型大肋間距錨桿。

(2)通過在實(shí)驗(yàn)室使用鋁套筒模擬現(xiàn)場(chǎng)頂板圍巖條件開展拉拔測(cè)試，結(jié)果表明，新型大肋間距錨桿錨固力可達(dá)113 kN，吸能能力為3169 J，較傳統(tǒng)左旋錨桿分別提高了13%和15%；現(xiàn)場(chǎng)頂板拉拔測(cè)試表明，新型大肋間距錨桿錨固力為118 kN，吸能能力為3 351 J，較傳統(tǒng)左旋錨桿分別提高了16%和55%。

(3)現(xiàn)場(chǎng)深部回采巷道支護(hù)工程應(yīng)用表明，與傳統(tǒng)礦用常規(guī)支護(hù)方式相比，使用全長錨固新型大肋間距錨桿支護(hù)有效減少了錨桿(索)破斷失效現(xiàn)象；頂?shù)装搴蛢蓭捅砻孀冃瘟繙p小了33.3%和29.1%；錨桿受力也依然處于彈性階段，具有強(qiáng)的承載性能。