高強(qiáng)度等級中空錨索與線性錨索束協(xié)同支護(hù)技術(shù)

王光勝，楊永剛，張 輝，李世輝，張 濤，楊張杰，徐永良

(1.淮河能源礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 煤業(yè)分公司，安徽 淮南 232095；2.安徽省煤炭科學(xué)研究院 礦山支護(hù)技術(shù)中心，安徽 合肥 230001；3.淮南東華歐科礦山支護(hù)設(shè)備有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232000)

以中空注漿錨桿(索)為基礎(chǔ)的預(yù)應(yīng)力全長復(fù)合錨固及錨注一體化綜合支護(hù)技術(shù)已成為煤礦巷道支護(hù)的重要手段之一，該技術(shù)利用中空的錨桿(索)兼做注漿管，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊及時(shí)支護(hù)、全長錨固和圍巖注漿三位一體多重功能的綜合加固技術(shù)[1-3]。隨著巷道支護(hù)技術(shù)的進(jìn)步，本技術(shù)的研究及應(yīng)用不斷深化。在中空錨索加固機(jī)理研究方面，李桂臣[4]采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬方法研究了中空注漿錨索注漿前后剪應(yīng)力的分布規(guī)律；黃中峰等[5]研究分析了注漿錨索幾何形狀引起的錨索結(jié)構(gòu)件間的相互力學(xué)作用，為注漿錨索承載能力的設(shè)計(jì)提理論依據(jù)；劉娜[6]采用FLAC3D模擬分析了中空注漿錨索在全長錨固時(shí)錨索在不同拉拔載荷下圍巖和錨索的應(yīng)力位移演化規(guī)律以及錨索軸力演化特征。在中空錨索研發(fā)方面，李希勇[7]研發(fā)了1570強(qiáng)度等級的預(yù)應(yīng)力中空注漿錨索，并用于深部煤礦井大斷面巷道及硐室支護(hù)中取得了較好效果；馬振乾[8]研發(fā)了1760強(qiáng)度等級的中空注漿錨索，較好的解決了蘆嶺煤礦II82采區(qū)上山受劇烈動(dòng)壓影響、架棚支護(hù)效果差的問題；毛宏遠(yuǎn)[9]等將1860強(qiáng)度等級的中空注漿錨索加固技術(shù)應(yīng)用于呂家坨礦深部巷道支護(hù)，保證了巷道支護(hù)安全。

由上述分析可見，以中空注漿錨桿(索)為基礎(chǔ)的預(yù)應(yīng)力全長復(fù)合錨固及錨注一體化綜合支護(hù)技術(shù)能夠解決部分復(fù)雜巷道的支護(hù)難題，推動(dòng)了巷道支護(hù)技術(shù)的進(jìn)步。然而，在煤礦井下實(shí)際使用中，中空注漿錨索仍然存在不同程度的退錨、索體破斷等支護(hù)失效問題，嚴(yán)重的導(dǎo)致頂板離層過大甚至冒頂。本文基于高強(qiáng)度等級中空錨索開發(fā)結(jié)合線性錨索束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了高強(qiáng)度等級中空錨索與線性錨索束協(xié)同支護(hù)技術(shù)，并通過井下工程應(yīng)用驗(yàn)證了該支護(hù)技術(shù)的有效性。

1 高強(qiáng)度等級中空錨索研發(fā)

目前國內(nèi)常用中空注漿錨索強(qiáng)度等級主要有1570MPa、1670MPa、1760MPa、1860MPa等幾種，又由于其特殊的中空結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致錨索索體承載能力較常規(guī)實(shí)心錨索顯著降低。以1860MPa等級，直徑22mm的中空錨索為例，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室拉拔測試，錨索極限承載力為430kN，為同直徑實(shí)心錨索的70%左右。

由于中空注漿錨索特有的中空結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致整體強(qiáng)度損失，當(dāng)巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境顯著惡化，而又未及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)時(shí)，極容易發(fā)生中空錨索破斷等支護(hù)失效問題，嚴(yán)重的導(dǎo)致冒頂[10]。從國內(nèi)中空錨索使用情況來看[11-16]，目前的中空注漿錨索支護(hù)技術(shù)是作為常規(guī)錨索網(wǎng)支護(hù)的必要補(bǔ)充，還不具備作為巷道主要支護(hù)單元的條件。

1.1 高強(qiáng)度等級中空錨索結(jié)構(gòu)及力學(xué)參數(shù)

為提高中空注漿錨索支護(hù)可靠性，避免由于強(qiáng)度不足而導(dǎo)致的中空錨索破斷等問題，研發(fā)了2060MPa高強(qiáng)度等級中空注漿錨索及其配套鎖具，索體由外圈8根特種預(yù)應(yīng)力鋼絲和注漿芯管編織而成，索體直徑22mm，鋼絲抗拉強(qiáng)度為2060MPa。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測試，高強(qiáng)度等級中空注漿錨索關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)見表1。由檢測結(jié)果可見，錨索整體承載能力平均達(dá)到了668kN，超過了?22mm、1860強(qiáng)度等級實(shí)心錨索，同時(shí)靜載錨固系數(shù)、伸長率、疲勞載荷性能等指標(biāo)滿足了國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 高強(qiáng)度等級中空注漿錨索力學(xué)參數(shù)

1.2 井下承載性能實(shí)測

為檢驗(yàn)2060MPa高強(qiáng)度等級的中空注漿錨索及其配套鎖具實(shí)際承載能力，選擇顧橋礦北二回風(fēng)大巷進(jìn)行了破壞性拉拔試驗(yàn)。

試驗(yàn)錨索規(guī)格：?22mm×7300mm；數(shù)量2根，配套KM22-2060鎖具；試驗(yàn)工況：①鉆孔滿注(全長復(fù)合錨固)；②鉆孔未注漿(端部錨固)；注漿材料：礦用無機(jī)充填加固材料[1]；張拉機(jī)具：100t空心千斤頂。

實(shí)驗(yàn)步驟：①鉆機(jī)施工孔深6.6m、?32mm錨索安裝孔；②安裝1卷Z2550錨固劑實(shí)現(xiàn)端部錨固；③安裝錨索托盤、KM22-2060錨具，張拉預(yù)緊力至設(shè)計(jì)值(120kN)；④采用KWJG-3型材料按0.32水灰比進(jìn)行制漿(配套使用水灰配比控制裝置)，漿液制好后進(jìn)行注漿，注滿為止，注漿料約12kg；⑤注漿7d后，進(jìn)行破壞性張拉試驗(yàn)。

由試驗(yàn)結(jié)果可見，2060MPa高強(qiáng)度等級的中空注漿錨索實(shí)際最大承載力(破斷)均可達(dá)640kN左右。工況1(鉆孔滿注，全長復(fù)合錨固)，錨索的破斷斷口在孔口外(錨具夾片處)，三根鋼絲拉剪復(fù)合破斷，其余為拉破斷，如圖1所示；工況2(鉆孔未注漿，端部錨固)，錨索的破斷在自由段，斷絲位置距孔口1.3m左右，參差不齊，斷口呈梅花形。

圖1 中空注漿錨索井下試驗(yàn)照片

1.3 中空錨索預(yù)應(yīng)力全長復(fù)合錨固機(jī)理

根據(jù)高強(qiáng)度等級中空注漿錨索安裝工藝，第一步實(shí)施端部錨固并預(yù)緊張拉，第二步實(shí)施注漿，形成全長復(fù)合錨固。因此從力學(xué)本質(zhì)上來說，屬于拉力分散型錨索，即通過兩種錨固材料(里段為樹脂錨固劑；外段為礦用無機(jī)充填加固材料)，實(shí)現(xiàn)同一鉆孔內(nèi)不同錨固段的分時(shí)分段錨固。

第一步，即張拉預(yù)緊階段未注漿前，里段樹脂錨固劑固化，并提供支護(hù)阻力，及時(shí)支護(hù)頂板。剪應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 中空錨索全長復(fù)合錨固機(jī)理

第二步，滯后一定距離中空錨索注漿后，外段礦用無機(jī)充填加固材料固化并產(chǎn)生錨固力。當(dāng)頂板來壓大于張拉預(yù)緊力時(shí)，此錨固段開始承受頂板壓力，并且此后增長的頂板壓力將全部由第二錨固段承擔(dān)。

由此可見，預(yù)應(yīng)力全長復(fù)合錨固錨索的剪應(yīng)力被分散到兩處，降低了錨固段的應(yīng)力集中程度，顯著提高了錨索錨固可靠性。

2 線性錨索束協(xié)同支護(hù)技術(shù)

大量的數(shù)值計(jì)算與礦壓觀測結(jié)果表明，巷道頂板巖層運(yùn)動(dòng)不僅包括垂直位移(離層)還有不同程度的水平錯(cuò)動(dòng)，而單根錨索難以抵抗頂板巖層的水平位移，由此導(dǎo)致錨索的破斷多表現(xiàn)為拉剪復(fù)合破斷[17-20]。為防止圍巖水平移動(dòng)變形導(dǎo)致的錨索在孔口段的硬剪切破壞和自由段的軟剪切破壞，提出了線性錨索支護(hù)技術(shù)。

2.1 線性錨索束設(shè)計(jì)

線性錨索束主要由1000mm長14#槽鋼梁、小墊板以及長度差異化的錨索組成，如圖3所示。具體由1根規(guī)格?21.8mm×7700mm錨索+1根規(guī)格?21.8mm×9200mm錨索+1根規(guī)格?22mm×6300mm SKZ22-1/2060型中空注漿錨索+長1000mm的11#工字鋼梁+3塊200mm×65mm×18mm托板組成。

圖3 線性錨索束設(shè)計(jì)(mm)

2.2 中空錨索與線性錨索束協(xié)同支護(hù)機(jī)制

1)不同長度的錨索與其他常規(guī)錨索實(shí)現(xiàn)梯級錨固，避免內(nèi)錨段在同一巖層層位發(fā)生應(yīng)力集中。

2)三根錨索集中布置，提高單位面積上錨索數(shù)量，共同抵抗圍巖水平變形，避免錨索各個(gè)擊破。

3)利用線性錨索束上布置的高強(qiáng)度中空注漿錨索實(shí)現(xiàn)對錨索束中所有錨索的全長錨固，進(jìn)一步提高抗剪切能力。

4)通過提高外錨構(gòu)件的剛度，避免外錨端剛度不足導(dǎo)致的錨索孔口剪切破壞。

5)通過提高外錨強(qiáng)度以及加長錨索的設(shè)置，從而構(gòu)建巷道淺部松散破壞圍巖與深部穩(wěn)定巖性的力學(xué)聯(lián)系。

3 協(xié)同支護(hù)技術(shù)工程應(yīng)用

以淮南礦區(qū)顧橋礦1127(1)運(yùn)輸巷巷修工程為背景，開展了高強(qiáng)度等級中空注漿錨索與線性錨索束協(xié)同支護(hù)技術(shù)的現(xiàn)場試驗(yàn)，以驗(yàn)證其支護(hù)效果。

3.1 巷道原支護(hù)形式及破壞特征

1127(1)運(yùn)輸巷標(biāo)高-945.2～-831.8m，2倍巷道寬度范圍內(nèi)圍巖以砂質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖、粉細(xì)砂巖為主。巷道主體斷面為直墻半圓拱形，原支護(hù)采用錨網(wǎng)索及噴漿支護(hù)。

第一支護(hù)單元為?22mm×2500mm高強(qiáng)錨桿配合10#菱形金屬網(wǎng)支護(hù)。錨桿間排距為900mm×900mm，頂部采用 1卷K2550+2卷Z2860樹脂錨固劑實(shí)現(xiàn)全長錨固；幫部采用2卷Z2860樹脂錨固劑，錨桿安裝扭矩不低于200N·m。

第二支護(hù)單元為錨索加強(qiáng)支護(hù)。錨索規(guī)格為SKP22-1/1860/6200mm礦用錨索，“4-0”單體布置，采用3卷Z2860樹脂錨固劑錨固，預(yù)緊力≥180kN。

第三支護(hù)單元為噴射砼封閉圍巖。噴漿層厚度100mm，強(qiáng)度C20。

由于巷道埋深大、巷道走向與主應(yīng)力方向夾角大、且受到1127(1)運(yùn)輸巷掘進(jìn)影響，巷道破壞較為嚴(yán)重。具體表現(xiàn)為：①頂板局部斷裂、松動(dòng)破碎、而且網(wǎng)兜及撕網(wǎng)現(xiàn)象普遍；②支護(hù)體破壞較為嚴(yán)重，錨桿、錨索及后期補(bǔ)打的T3錨索組合鋼帶均有不同程度的破壞。

為探清巷道破壞程度，確定合理的巷道修護(hù)參數(shù)，采用高清工業(yè)內(nèi)窺鏡對巷道圍巖進(jìn)行了多組鉆孔窺視，如圖4所示。鉆孔窺視結(jié)果表明頂板為泥巖及砂質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu)，頂板上方有多層煤線，頂板3m以下較破碎，頂板最大破碎深度達(dá)到5.2m。

圖4 原巷道圍巖鉆孔窺視結(jié)果

3.2 協(xié)同支護(hù)技術(shù)方案

根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果，提出了高強(qiáng)度等級中空注漿錨索與線性錨索束協(xié)同支護(hù)技術(shù)方案，如圖5所示。

圖5 高強(qiáng)度中空錨索與線性錨索束協(xié)同支護(hù)技術(shù)方案(mm)

1)挑頂補(bǔ)網(wǎng)，并加補(bǔ)破斷錨桿及破斷錨索：頂板下墜處挑頂補(bǔ)網(wǎng)，按間排距800mm×900mm補(bǔ)打常規(guī)錨桿和中空注漿錨桿，常規(guī)錨桿參數(shù)為MSGLW-400/?22mm×2500mm。每2排常規(guī)錨桿間隔布置1組?24mm×2500mm中空注漿錨桿，采用1卷Z2360樹脂錨固劑錨固，預(yù)緊力矩不小于180N·m。原支護(hù)錨索破斷位置補(bǔ)打?21.8mm×7700mm錨索。

2)補(bǔ)打加長錨索和線性錨索束強(qiáng)化頂板：將頂板錨索由“4-0”布置加補(bǔ)為“4-5”布置，加補(bǔ)錨索規(guī)格為?21.8mm×7700mm，間距1200mm。為了強(qiáng)化頂板支護(hù)，每隔3排交替布置1組/2組錨索束，錨索束參數(shù)如圖6所示。SKZ22-1/2060型中空注漿錨索配套KM22-2060型錨具使用。

3)噴漿，噴漿材料選用具有早強(qiáng)、速凝特性的礦用無機(jī)速凝噴射復(fù)合砂漿[1]，噴層厚度50～60mm。

4)“一注”中空錨桿注漿：噴漿后進(jìn)行“一注”中空錨桿注漿，重構(gòu)淺部圍巖。采用久米納礦用無機(jī)充填加固材料注漿，水灰比0.35左右，注漿壓力：5～6MPa，注漿穩(wěn)壓時(shí)間3～5min。

5)頂板“二注”線性錨索束上中空錨索注漿：注漿壓力8～10MPa。注漿材料及其余注漿參數(shù)同上。

3.3 圍巖變形控制效果分析

1127(1)運(yùn)輸巷采用高強(qiáng)度等級中空注漿錨索與線性錨索束協(xié)同支護(hù)技術(shù)修護(hù)后，采用鉆孔窺視、礦壓觀測等手段，對圍巖變形控制效果進(jìn)行分析。

巷道修護(hù)后鉆孔窺結(jié)果如圖6所示，由圖6可知，巷道多輪次立體注漿修護(hù)后，鉆孔內(nèi)注漿結(jié)石體清晰可見，注漿區(qū)間內(nèi)裂隙充填飽滿，可推斷注漿液已在巷道周邊松動(dòng)圈內(nèi)形成厚度不同、包容巖塊大小、數(shù)量不同的結(jié)石體，重構(gòu)了圍巖結(jié)構(gòu)，改善了圍巖加固效果，同時(shí)也給錨桿錨索等支護(hù)體提供了可靠的著力基礎(chǔ)。

圖7 巷道修護(hù)后鉆孔窺視結(jié)果

巷道修護(hù)后圍巖變形觀測曲線如圖7所示，由圖7可知，近8個(gè)月的觀測時(shí)間內(nèi)，巷道頂?shù)装逡平吭?00mm以內(nèi)，兩幫移近量在150mm以內(nèi)，修護(hù)后砼噴層沒有開裂，錨索未再次發(fā)生破斷現(xiàn)象?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，高強(qiáng)度等級中空注漿錨索與線性錨索束協(xié)同支護(hù)能夠有效控制深部高地壓巷道的圍巖大變形，是一種行之有效的巷道加固方式。

圖8 巷道修護(hù)后圍巖變形觀測曲線

4 結(jié) 論

1)研發(fā)了?22mm、2060MPa高強(qiáng)度等級的中空注漿錨索及配套鎖具，實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明，其整體承載能力平均達(dá)到了668kN，超過了?22mm、1860強(qiáng)度等級實(shí)心錨索。

2)通過高強(qiáng)度等級中空注漿錨固作用機(jī)理分析，指出了高強(qiáng)度等級中空注漿錨索錨固體系屬于全長復(fù)合錨固拉力分散型錨索的力學(xué)本質(zhì)。

3)設(shè)計(jì)了線性錨索束新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，并將高強(qiáng)度等級中空注漿錨索與線性錨索束結(jié)構(gòu)組合使用，分析了兩者協(xié)同支護(hù)機(jī)制。

4)以顧橋礦1127(1)運(yùn)輸巷為工程背景，開展了高強(qiáng)度等級中空注漿錨索與線性錨索束協(xié)同支護(hù)技術(shù)的現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明本技術(shù)能夠有效控制深部高地壓巷道的圍巖大變形，是一種行之有效的巷道加固方式。