端锚自旋可伸长式锚杆的研究与设计

王 博

(宁夏建设职业技术学院，宁夏回族自治区银川市，750021)

1 引言

目前，锚杆支护作为一种主动支护形式，在巷道支护领域得到了广泛应用，但是在一些松软大变形巷道的支护工程中还存在一定的缺项，制约了锚杆支护作用的有效发挥， 主要有以下几点问题：

(1)在深埋大变形巷道中，由于地应力较大，围岩变形较为明显，普通锚杆支护相对于巷道围岩刚度过大特别是松软破碎巷道，锚杆的变形量小于围岩变形量，围岩不能充分卸载，锚杆受力过大致使支护失效；

(2)在软弱大变形巷道中，过去常采用中空注浆锚杆，这种中空注浆锚杆的设计位置如果是在巷道的顶部，往往会出现注浆气泡且浆液向下流淌，致使浆液的饱和度达不到使用要求，锚杆与围岩之间存有空隙，导致锚杆锚固力下降；

(3)巷道围岩的变形在深埋巷道中往往时间持续较长，对锚杆支护而言应该使锚杆具有一定变形储备量，普通的锚杆支护设计无法保证锚杆能持续适应围岩变形。

针对传统锚杆存在的巷道支护不足，研究与设计了一种新型锚杆，并验证了该新型锚杆应用的可行性。

2 端自旋可伸长式锚杆设计思路

端锚自旋可伸长式锚杆是一种非全长锚固锚杆，主要应用在破碎围岩巷道以及深埋大变形巷道等支护工程。采用增大摩擦阻力与弯曲可伸长共同作用的设计理念，在锚杆前部设置旋丝锚叶多点摩擦锚固和锚杆后部弯曲可伸长增加变形量，颠覆了传统锚杆单一支护工作理念，省掉了繁琐的工作程序，将药卷搅拌、注浆、支护等工作一次性到位，在增大锚杆锚固力及变形量的基础上提高了施工效率。端锚自旋可伸长式锚杆结构示意图如图1所示。

1-钻头；2-前部端锚加固段杆体；3-后部弯曲可伸长段杆体；4-托盘；5-螺母；d1-钻头外径; d2-旋丝锚叶外径; d3-后部弯曲可伸长段杆体外径图1 端锚自旋可伸长式锚杆结构示意图

由图1可以看出，端锚自旋可伸长式锚杆主要由钻头、锚杆杆体、托盘和螺母组成，其中锚杆杆体由前部端锚加固段杆体和后部弯曲可伸长段杆体组成，锚杆杆体两端设置有外螺纹。锚杆钻头为十字型合金钻头，能够防止端头的螺丝在旋进过程中变形，同时钻头的一端设置有与锚杆杆体的外螺纹相匹配的内螺纹，锚杆钻头与前部端锚加固段杆体的一端通过螺纹连接，前部端锚加固段杆体的另一端和后部弯曲可伸长段杆体的一端连接，前部端锚加固段杆体与后部弯曲可伸长段杆体为一体式结构连接，前部端锚加固段杆体的长度与后部弯曲可伸长段杆体的长度比为1∶1。钻头外径d1与前部端锚加固段杆体的旋丝锚叶外径d2以及后部弯曲可伸长段杆体的外径d3相同，均为32 mm。

前部端锚加固段杆体为实心杆身，杆身的圆周面上设置有螺旋状旋丝锚叶的螺纹钢杆，其中的旋丝锚叶由机器冷加工后焊接在杆身上，旋丝锚叶可以起到搅拌浆液、防止浆液溢出、增加浆液饱和度以及增加锚固力的作用，旋丝锚叶的旋转角度为60°。

后部弯曲可伸长段杆体为弯曲状且可伸长的螺纹钢杆，采用实心杆身，后部弯曲可伸长段可弯曲成3个弯曲单元，弯曲单元的长度为100 mm，弯曲单元圆弧对应半径为50 mm。

锚杆托盘设置有中心通孔，其中螺母设置有与锚杆杆体的外螺纹相匹配的内螺纹，后部弯曲可伸长段的另一端穿过托盘的中心通孔与螺母通过螺纹连接，托盘套在后部弯曲可伸长段上，旋紧螺母后可以将托盘固定在后部弯曲可伸长段杆体上。

3 端锚自旋可伸长式锚杆支护特点

端锚自旋可伸长式锚杆在不增加锚杆支护密度和锚杆直径的前提下，即可提供更大的锚固力和更强的变形适应性，其主要应用特点如下。

(1)端锚自旋可伸长式锚杆通过前部端锚加固段杆体上的旋丝锚叶可以深入岩体中形成多点接触接触产生摩擦，使产生侧向应力作用在旋丝锚叶之间的锚杆杆身上，增大了摩擦锚固力，实现及时支护以及施工完成立即承载的效果。其中，前部端锚加固段杆体上的旋丝锚叶角度为60°，能够更好地配合钻头深入到岩层中。在浆液扩散过程中，使浆液顺着旋丝锚叶往出流能够更好地排出浆液中的气泡，同时防止浆液外溢，达到有效的饱和度，使其具有更好的锚固性。

(2)端锚自旋可伸长式后部弯曲可伸长段杆体，可以随着围岩变形量的增加提供更多的可伸长变形量，当巷道围岩变形量较大时，仍可保证锚杆正常发挥作用。

(3)端锚自旋可伸长式锚杆相比于传统锚杆，可以在不增加锚杆支护密度和锚杆直径的前提下提供更大的锚固力和更强的变形适应性，在松软破碎巷道施工中具有良好的应用前景。

4 数值模拟分析

以大变形煤矿巷道为背景，采用有限差分法数值计算程序FLAC 3D对端锚自旋可伸长式锚杆进行的数值模拟分析后的x方向应力云图和z方向应力云图如图2和图3所示。

由图2和图3 的数值模拟分析可知，在支护方案模拟过程中，两帮及顶板虽出现较小拉应力，塑性区未扩展到锚杆锚固段范围内，巷道两帮移近量和顶板下沉量完全满足安全生产的需要，证明了新型锚杆支护技术体系的可靠性，可以采用新型锚杆进行试验段施工。

图2 x方向应力云图

图3 z方向应力云图

5 工业试验

本次新型锚杆试验巷道为矿井马头门延伸巷道，该巷道位于3#煤层内，厚度为2.7～4.8 m，局部夹泥岩夹矸，以亮煤为主，其次为镜煤、暗煤，层状结构，内生裂隙发育，条痕为灰黑色，视密度为1.41 t/m3，真密度为1.49 t/m3，煤层稳定，透气性较好，呈单斜构造，煤层产状走向为310°～340°，倾角为2°～5°，由西向东逐渐加厚。该巷道变形破坏具有如下特性。

(1)巷道顶板下沉量较大，顶板的离层和破碎相互作用，掘巷后顶板活动期较长。

(2)底鼓及巷帮发生剧烈蠕变变形，巷道的顶板下沉、两帮移近和剧烈底鼓往往同时发生，且相互影响，形成恶性循环。

(3)巷道围岩对扰动极为敏感，当受到采动等影响时，会发生剧烈的变形，甚至整体失稳破坏。

(4)围岩遇水膨胀，易破碎，巷道部分围岩含有亲水性较强的矿物，这些矿物遇水后软化，体积膨胀，变形加剧。

(5)普通刚性支护普遍容易被破坏，巷道变形速度快、变形量大且变形时间长。普通刚性支护所承受的变形压力较大，不适应大变形巷道的变形规律，施工后较快发生破坏。

从巷道变形特点可知，能否充分发挥围岩的自承能力，是实现岩石采矿工程稳定的最经济最可靠的方法。岩石内的应力及其强度是决定围岩稳定的首要因素，当岩体应力超过强度而设置支护时，支护应力与支护强度则变成岩石工程稳定的决定因素，因此使用新型锚杆进行支护具有现实意义。

6 端锚自旋可伸长式锚杆支护设计

本次锚杆支护设计采用自稳隐形拱锚杆支护理论。自稳隐形拱理论认为，锚杆的支护作用只是保护一定范围围岩的相互咬合，防止自稳隐形拱内围岩局部突变，保障围岩的协调变形。该理论首先是基于围岩具有自我稳定能力这一基本点上，并认为不论围岩如何松软，只要是似连续介质，其即使出现片帮冒顶现象，这样的冒落在一般情况下也不会是无限的，最终必然达到相对的稳定平衡。即使是松散介质，当这种介质的结构体互相咬合也能达到相对稳定平衡，这称之为巷道的自稳现象。对巷道的支护就是对巷道在达到相对稳定平衡过程中自稳隐形拱内出现的片帮冒顶的维护，保证在这一过程中只出现变形而不出现片帮冒落。因此，锚杆支护工作只是保护围岩一定范围围岩的这种相互咬合。顶锚杆的有效作用可以缩小自稳隐性拱，增加顶板的稳定性。锚杆支护设计中至少要深入到自稳隐形拱内500 mm以上，才能实现巷道支护的有效性。

根据自稳隐形拱原理采用端锚自旋可伸长式锚杆进行支护试验设计。顶、帮锚杆均使用端锚自旋可伸长式锚杆，使用树脂锚固剂，每个锚杆配置1个CK2335和1个Z2350锚固剂。锚索直径为ø15.24 mm，长度为4300 mm。使用树脂锚固剂，每个锚索配置1个CK2335和2个Z2350树脂锚固剂，每间隔2.4 m设置一根锚杆，网片采用12#铁丝编织。

在巷道掘进过程中每天监测一次顶板离层。监测中使用钢带式多点位移计，深部基点在顶板6 m处，主要基点在2 m处。测试数据表明，虽然顶板收敛量并不大，可巷道压力显现呈持续状况，这证明了新型锚固体系支护设计基本合理。顶板位移收敛监测情况如图4所示。

图4 顶板位移收敛监测情况

7 结语

(1)端锚自旋可伸长式锚杆通过旋丝锚叶深入孔壁岩层增加形成多点摩擦作用，即时承载不仅增加了锚杆锚固力，而且在锚杆旋丝锚叶搅拌浆液的过程中，可以防止浆液溢出，增加了浆液饱和度，而弯曲可伸长式的设计可以保证随着围岩变形增大，弯曲段可提供更多的变形伸长量，适应巷道变形。

(2)在试验巷道掘进过程中进行监测顶板离层，测试数据表明，顶底板变形量最大为47 mm，处于安全可控状态，证明了新型锚固体系支护使用的可靠性。

(3)端锚自旋可伸长式锚杆实现了在不增加锚杆支护密度和锚杆直径的前提下即可提供更大的锚固力和较强的变形适应性，通过FLAC 3D有限元数值模拟分析和工业试验验证了技术的可行性，在松软破碎煤矿巷道显示了良好的应用前景。