巷道高预紧力全长锚固锚杆支护关键技术

宫 耀侯俊领袁 琳,3,4杜承航,3,4李垂宇,3,4谢 涛,3,4邓金山,3,4

(1、淮河能源控股集团有限责任公司煤业分公司,安徽 淮南232171 2、攀枝花学院,四川 攀枝花617000 3、四川岩土智测科技有限公司,四川 攀枝花617000 4、四川钛星工程科技有限责任公司,四川 攀枝花617000)

1 概述

煤矿巷道支护中,锚杆预紧力对深井巷道围岩锚固效果具有重要作用,只有施加高预紧力,并实现预应力的有效扩散,才能真正发挥锚杆的主动支护作用,对于控制围岩的变形具有重要的意义。通过对淮南、淮北、平顶山等二十几个煤矿巷道锚杆预紧力现场调研发现,锚杆预紧力普遍小于20KN,主要原因有:(1)煤矿井下锚杆高预紧力施加困难,施工的锚杆钻机扭矩小(120N·m左右)。(2)螺母与托盘之间为平面摩擦,导致螺母扭矩转化效率较低。(3)对螺母施加较高扭矩会对锚杆尾部形成一定损害,锚杆尾部容易发生破断,降低了锚杆整体强度。以下为现场测力锚杆实测锚杆轴力分布。

图1 锚杆轴力分布

建立长10m,宽5m,高5m混泥土台,中部布置1根直径22mm长2.5 m锚杆,锚杆分加长锚固和全锚两种方式,其中加长锚固锚固段1.25 m长,分别施加3吨、6吨、9吨和12吨拉拔力,研究锚杆载荷传递情况。如图2所示加长锚固和全长锚固两种锚固方式拉拔力在锚固段内均成负指数衰减趋势,且全长锚固锚杆拉拔力衰减幅度较大。

图2 全锚和加长锚固锚杆预紧力衰减规律

2 锚杆预紧力作用

锚杆支护系统预应力的有效发挥是围岩控制的重要因素。确定合理的锚杆预紧力并实现有效扩散是支护设计关键,托板附件及其组合构件在预应力支护系统发挥极其重要的作用。复杂困难巷道支护中,高预紧力作用不可低估,主要体现在两个方面:一是将锚杆形成承载结构和深部围岩相连,提高承载结构的稳定性,同时充分调动深部围岩的承载能力,使更大范围内的岩体共同承载;二是锚杆施加较大预紧力,给围岩提供压应力,使支护形成的压应力区组合成骨架网状结构,主动支护围岩,保证其完整度,如图2所示。图3为采用FLAC3D数值计算软件,模拟锚杆施加12t预紧力后,预紧力在顶板扩散情况,如图所示在顶板锚固范围内产生压应力区。

图3 高预紧力扩散图图

图4 减摩垫片及其与锚杆装配图

将原有的滑动摩擦方式改变为滚动摩擦方式,提高扭矩与预紧力转化效率,研发了建模垫片,垫片及与锚杆装配图5所示。

根据实验室及现场使用实测,锚杆螺母扭矩转化率提高1倍以上,采用锚杆预紧力放大器后大幅降低了工人的劳动强度,减少了锚杆尾部螺纹的损伤。图5为扭矩与预紧力转化监测工装,图6为扭矩与预紧力转换规律曲线。

图5 扭矩与预紧力转化监测工装

图6 扭矩与预紧力转换规律曲线

3 全长先张后锚固工法

目前锚杆支护技术成为煤矿巷道首选的、安全高效的主要支护方式,很多矿区的锚杆支护率已超过90%。按照锚固长度将锚杆锚固方式分为三类:第一类,锚固的长度为锚杆全长的1/3称为端头锚固(端锚);第二类,锚固的长度超过锚杆全长的90%称为全长锚固;锚固的长度介于锚杆全长的1/3-90%之间称为加长锚固。由于受机具限制,全长锚固锚杆施工工艺复杂,特别是全长树脂锚固锚杆施工十分困难。淮南矿业集团进行了大量研究,通过调整锚固剂参数,包括直径、胶泥稠度、凝胶时间以及锚杆螺帽扭矩等,实现了全长锚固,研发的新型全长树脂锚固剂,其胶泥稠度为50-60mm,凝胶时间150～180S,锚固抗拉拔力大于200KN。顶部采用3根Z2860,稠度50mm,锚杆破帽扭矩由90-110Nm提高到130Nm-160Nm,顶部锚杆采用MQT-120风动锚杆钻机。帮部采用4卷Z2560,稠度60mm,采用MQS-35风动锚杆钻机。利用新型树脂锚固剂全部将锚杆杆体与钻孔孔壁粘结在一起,当岩层发生离层、错动时,岩层与杆体共同抗剪切作用,及时抑制围岩离层与错动,充分发挥锚固岩体的自承能力。但是存在全长锚固锚杆预紧力无法施加的问题。为保证预紧力在岩层内较好扩散,将锚杆锚固段分为快速锚固区和滞后锚固区,如图7所示,采用超快速和慢速两种规格树脂药卷,锚杆安装时锚头迅速形成快速锚固区(500mm),锚杆预紧过程中慢速药卷不凝胶(大于180s),实现先张拉后锚固,保证预紧力在锚杆内沿程传递不衰减。开始施工采用测力锚杆检测两个指标:(1)测力锚杆沿程所有测点预紧力F相等且达到设计值。(2)测力锚杆沿程所有测点弯矩M=0。如果符合按既定的机具和材料继续施工,若不符合要重新调整机具、优化托盘大小、调配锚固剂等锚固参数。

图7 锚固段分区示意图

4 现场应用效果

在潘三17102(3)轨道顺槽支护设计中应用,应用预紧力放大装置及后锚固技术等成果,实现了高强度、高刚度、高可靠性与低密度为技术特点的“三高一低”支护,经济效益、社会效益显著,试验巷道综合单进提高10%以上,支护成本降低20%左右。高预紧力全长锚固锚杆实现了深井强支护,锚杆刚度大,工阻大,控制围岩能力显著增加。

5 结论

本文采现场实测和理论分析综合研究方法,开展了巷道高预紧力全长锚固锚杆支护关键技术研究,得出以下成果:

5.1 通过实验室试验、数值模拟、现场实测综合研究方法,得出了全长锚固、加长锚固不同锚固方式锚杆轴力特征以及锚杆预紧力对围岩主动控制作用。

5.2 发明了预紧力放大装置,将原有锚杆螺母与托盘间的滑动摩擦方式改变为滚动摩擦方式,在机具不变情况下锚杆预紧力提高一倍左右;通过对传统扭矩倍增器结构优化,提高了锚杆预紧力施加的可靠性、安全性和便捷性。

5.3 创建了全长先张后锚固技术工法,给出全长锚固锚杆施加高预紧力新途径,首次定义了全长先张后锚固技术两个锚固参数合理性判据:测力锚杆沿程所有测点预紧力F相等且达到设计值。测力锚杆沿程所有测点弯矩M=0。