朱漢明，梅群力，陳清運(yùn)，朱萬(wàn)成

（1．武鋼集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司金山店鐵礦，湖北 大冶 435100；2．中國(guó)黃金集團(tuán)新疆金灘礦業(yè)有限公司，新疆 鄯善 838200；3．武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；4．東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

0 引 言

錨固劑玻璃鋼錨桿支護(hù)是以錨固劑為粘結(jié)劑，將玻璃鋼錨桿固定在被加固巖體中、共同承擔(dān)地壓的一種主動(dòng)支護(hù)形式．其主要特點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單、支護(hù)及時(shí)，因此在煤礦中得到廣泛應(yīng)用．玻璃鋼錨桿是一種用玻璃鋼纖維等復(fù)合材料研制而成的新型錨桿，其主要結(jié)構(gòu)由錨頭、桿體、錨尾三部分組成．玻璃鋼錨桿與普通螺紋鋼錨桿相似，其表面玻璃纖維筋呈左旋螺紋狀分布，屬螺紋型錨桿．在支護(hù)安裝過(guò)程中，通過(guò)擰緊玻璃鋼錨尾螺母而擠壓托盤(pán)提供預(yù)應(yīng)力．

早在20世紀(jì)初，國(guó)外學(xué)者就開(kāi)始研究玻璃鋼纖維材料，試圖通過(guò)改變錨桿材料來(lái)解決鋼質(zhì)材料易腐蝕等問(wèn)題［1］．研制之初，遇到玻璃纖維與混凝土粘結(jié)困難、筋材錨固不牢和表面保護(hù)膜容易損壞等技術(shù)難題．到20世紀(jì)50年代，美國(guó)、前蘇聯(lián)、英國(guó)等相繼開(kāi)展了大量的研究活動(dòng)，關(guān)鍵技術(shù)被攻克，玻璃鋼纖維材料得到了迅猛的發(fā)展，并開(kāi)始應(yīng)用于巖土工程和地下礦山工程的支護(hù)中．我國(guó)對(duì)玻璃鋼錨桿應(yīng)用研究始于煤礦．在煤礦，由于瓦斯含量高，采用普通鋼質(zhì)材料錨桿進(jìn)行巷道支護(hù)時(shí)，割煤機(jī)易與鋼質(zhì)錨桿發(fā)生摩擦，產(chǎn)生火花，引起瓦斯爆炸等安全事故，因此，開(kāi)展了用玻璃鋼錨桿替代普通鋼質(zhì)錨桿的科技攻關(guān)，試驗(yàn)獲得了成功，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)定型批量生產(chǎn)．但是，玻璃鋼錨桿在我國(guó)非煤礦山的推廣應(yīng)用只是近幾年的事，特別是在金屬礦山的應(yīng)用還處于探索階段，有關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)要求和施工質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也還處于空白狀態(tài)，需要開(kāi)展系統(tǒng)、全面的試驗(yàn)研究．

錨固劑玻璃鋼錨桿支護(hù)屬隱蔽性工程，支護(hù)質(zhì)量的好壞表面不易察覺(jué)，只有通過(guò)系統(tǒng)的抽樣檢驗(yàn)才能判斷支護(hù)質(zhì)量的優(yōu)劣．2002年煤炭部頒布了《中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（MT219－2002），水泥錨桿卷式錨固劑》（2002．9．1實(shí)施）［2］，規(guī)范中分別規(guī)定了錨固劑抗壓強(qiáng)度、錨固力、膨脹性等幾項(xiàng)工程技術(shù)指標(biāo)．其中，卷式錨固劑與錨桿配套安裝0．5 h后，所測(cè)定的錨固力應(yīng)不小于50 k N，24 h的錨固力應(yīng)不小于70 k N；卷式錨固劑的抗壓強(qiáng)度不小于表1中的值；卷式錨固劑的膨脹性應(yīng)在0．5 h內(nèi)最大膨脹率不小于0．1%，28d膨脹率測(cè)定應(yīng)大于0．

表1 卷式錨固劑抗壓強(qiáng)度［2］Table 1 Compressive strength of rolled anchoring agent

錨固劑玻璃鋼錨桿支護(hù)系統(tǒng)的工程力學(xué)特性，與錨固劑、錨桿材質(zhì)、被加固巖體工程力學(xué)性狀等因素息息相關(guān)．支護(hù)系統(tǒng)各組成部分，只有各自發(fā)揮到能力的極限，并保持變形協(xié)調(diào)，才能表現(xiàn)出整體較好的工程力學(xué)性狀．因此，在標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量檢測(cè)體系中，還需要根據(jù)被支護(hù)地段巷道圍巖變形特點(diǎn)，增加檢測(cè)支護(hù)系統(tǒng)抗變形能力技術(shù)指標(biāo)；另外，錨桿拉拔力隨錨固長(zhǎng)度呈線性變化，不能用一個(gè)固定的錨固力作為各種長(zhǎng)度錨桿是否合格的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，需用單位錨固長(zhǎng)度錨固力修正原技術(shù)指標(biāo)；標(biāo)準(zhǔn)中也沒(méi)有明確錨桿材質(zhì)不同對(duì)支護(hù)質(zhì)量的影響，籠統(tǒng)用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際生產(chǎn)中指導(dǎo)性不強(qiáng)．基于以上原因，在金山店鐵礦井下－270 m～－340 m段，開(kāi)展錨固劑玻璃鋼錨桿支護(hù)系統(tǒng)的工程力學(xué)特性試驗(yàn)研究，針對(duì)該礦工程地質(zhì)和技術(shù)特點(diǎn)制定錨固劑玻璃鋼錨桿支護(hù)的技術(shù)要求，為該中段采準(zhǔn)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和支護(hù)質(zhì)量檢測(cè)提供切合實(shí)際的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)．

2 工程地質(zhì)特性

武鋼金山店鐵礦屬矽卡巖礦床類型．礦石類型有塊礦、浸染狀礦和粉礦三種．塊礦中金屬礦物緊密相生，平均干抗壓強(qiáng)度為127 MPa；浸染狀礦石在區(qū)內(nèi)較常見(jiàn)，在礦床東部最發(fā)育，金屬礦物在矽卡巖或大理巖中作較均勻的星散狀分布，單軸抗壓強(qiáng)度27 MPa；粉礦中金屬礦物與脈石礦物呈細(xì)粒集合體，結(jié)構(gòu)松散，一接觸即成散砂狀，單軸抗壓強(qiáng)度僅為5 MPa．

圍巖有角頁(yè)巖、大理巖、巖漿巖、矽卡巖等，與采準(zhǔn)巷道關(guān)系較大的圍巖有大理巖和矽卡巖．大理巖：遭受各種蝕變作用較強(qiáng)烈，單軸抗壓強(qiáng)度普遍較低，平均值為68 MPa．矽卡巖為接觸交代變質(zhì)巖，分布于碳酸鹽類巖石與礦體的接觸部位，在接觸帶附近的斷層兩側(cè)也有分布．多呈條帶狀、似脈狀和透鏡狀，厚度一般5～20 m．矽卡巖中因多含軟質(zhì)礦物，結(jié)構(gòu)比較松散，受構(gòu)造作用較強(qiáng)烈，所以強(qiáng)度普遍較低．

礦區(qū)圍巖的近礦強(qiáng)蝕變與遠(yuǎn)離礦體的弱蝕變普遍存在且具有多樣性．圍巖蝕變多在成礦前或成礦過(guò)程中發(fā)生，如矽卡巖化、透輝石化、蛇紋石化、綠泥石化等，唯有碳酸鹽化蝕變是晚期的熱液蝕變．圍巖蝕變一般對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)有弱化作用，如矽卡巖化、金云母化、綠泥石化、碳酸鹽化，本區(qū)圍巖弱化蝕變有矽卡巖化和碳酸鹽化．強(qiáng)烈的矽卡巖化產(chǎn)生于礦巖接觸帶及其附近，而碳酸鹽化普遍存在于區(qū)內(nèi)各種巖石之中，多呈細(xì)脈及網(wǎng)脈狀充填于節(jié)理裂隙中，當(dāng)其呈網(wǎng)脈狀發(fā)育時(shí)常導(dǎo)致巖石呈碎裂狀．

結(jié)構(gòu)面特征主要表現(xiàn)在：近礦圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、短小不規(guī)則，其密度5～15條／m，局部地段可達(dá)30條／m，其延展性和連續(xù)性均較差，多為不規(guī)則雜亂節(jié)理，成組性不強(qiáng)，且?guī)r體結(jié)構(gòu)以鑲嵌結(jié)構(gòu)及碎裂結(jié)構(gòu)為主；遠(yuǎn)離礦體圍巖完整性提高，節(jié)理密度在5條／m左右，節(jié)理裂隙成組性增強(qiáng)，巖體結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)為塊狀結(jié)構(gòu)和鑲嵌結(jié)構(gòu)并存．兩種情況下的圍巖都存在陡傾節(jié)理較緩傾節(jié)理更為發(fā)育的工程地質(zhì)特征，節(jié)理大多呈閉合或微張（隙寬一般大于3 mm）狀態(tài)，隙壁平滑或粗糙，無(wú)充填或少量碳酸鹽質(zhì)充填，部分地段具較厚的碳酸鹽質(zhì)充填，在圍巖蝕變較強(qiáng)的地段，多為矽卡巖、綠泥石等充填．

礦區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力較大，是垂直自重應(yīng)力的1．7倍；礦區(qū)在－410 m有疏干系統(tǒng)，圍巖中含水率不高．

3 錨固劑玻璃鋼錨桿支護(hù)工程力學(xué)特性試驗(yàn)

3．1 錨固劑力學(xué)性能試驗(yàn)

3．1．1 抗壓強(qiáng)度 按 MT219－2002規(guī)范要求，對(duì)金山店鐵礦使用的錨固劑進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示．

表2 錨固劑抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)Table 2 Compressive strength test of anchoring agent

由表2可見(jiàn)，錨固劑的抗壓強(qiáng)度基本符合規(guī)范技術(shù)要求，略為偏?。?/p>

3．1．2 膨脹性試驗(yàn) 按 MT219－2002規(guī)范要求，制作了100×100×100 mm標(biāo)準(zhǔn)試塊9塊，測(cè)定不同養(yǎng)護(hù)齡期錨固劑的膨脹率，結(jié)果如表3所示．

表3 錨固劑膨脹性試驗(yàn)Table 3 Expansion test of anchoring agent

由表3可知，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)用的錨固劑的膨脹率，在0．5 h的膨脹率為0．15%，28 d的膨脹率為0．52%，均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求．

3．2 玻璃鋼錨桿力學(xué)性能試驗(yàn)

金山店鐵礦使用的玻璃鋼錨桿桿體規(guī)格為φ18×2 000 mm，桿體表面經(jīng)過(guò)噴砂處理，并且纏繞纖維，其托盤(pán)和螺母均為工程塑料．錨桿采用拉擠一次成型技術(shù)，玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為77．5%，樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22．5%．按規(guī)范要求進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)引用了其他研究成果［1，3－5］，經(jīng)綜合分析，結(jié)果如表4所示．

3．3 玻璃鋼錨桿支護(hù)的巷道變形監(jiān)測(cè)

文獻(xiàn)［6－7］介紹了金山店鐵礦余華寺采區(qū)－242 m分段回采進(jìn)路進(jìn)行玻璃鋼錨桿支護(hù)試驗(yàn)結(jié)果．試驗(yàn)巷道采用掘支一體化施工工藝，即在掘進(jìn)后馬上進(jìn)行噴錨網(wǎng)支護(hù)．16＃進(jìn)路采用玻璃鋼錨桿噴錨網(wǎng)支護(hù)，加有預(yù)應(yīng)力，采用玻璃鋼錨桿配塑料螺母和托盤(pán)掛網(wǎng)．錨桿采用錨固劑全長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度1 900 mm．噴射混凝土強(qiáng)度C20、噴層厚度80～100 mm．試驗(yàn)巷道中的金屬網(wǎng)采用6 mm鋼筋編制的200×200 mm菱形金屬網(wǎng)．巷道收斂監(jiān)測(cè)變形結(jié)果表明，巷道變形為0．25 mm／d，屬欠穩(wěn)定巷道，這圍巖條件在金山店鐵礦帶有普遍性．按90 d計(jì)，錨桿錨固長(zhǎng)度1．9 m，則玻璃鋼錨桿延伸率δ為1．18／%，小于1．44%，說(shuō)明錨固劑玻璃鋼錨桿是可以滿足巷道變形要求的．

表4 φ18 mm玻璃鋼錨桿的力學(xué)性能指標(biāo)Table 4 mechanical parameters ofφ18 mm GFRP bolting

3．4 錨固劑玻璃鋼錨桿的工程力學(xué)特性試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在金山店鐵礦東采區(qū)－298 m水平610XK以東的采準(zhǔn)巷道中進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示．主要試驗(yàn)卷式錨固劑玻璃鋼錨桿的工程力學(xué)特性．

圖1 玻璃鋼錨桿力學(xué)特性試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig．1 Observation point arrangement of mechanical test on GFRP bolting

分別在15＃進(jìn)路下盤(pán)花崗閃長(zhǎng)巖地段及粉礦地段布置了3組測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖1），每組測(cè)點(diǎn)在垂直方向上分別鉆3個(gè)水平孔，為方便進(jìn)行錨桿抗扒拉試驗(yàn)，玻璃鋼錨桿要求外露350 mm，錨桿長(zhǎng)度2 000 mm，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行安裝，安裝好后掛吊牌做好標(biāo)記，養(yǎng)護(hù)0．5 h、24 h、28 d后進(jìn)行試驗(yàn)．

每次只選一組上的一根進(jìn)行破壞性拉拔試驗(yàn)，3根數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，即為不同支護(hù)齡期的抗拉強(qiáng)度與變形強(qiáng)度．

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，錨桿抗拉拔力與變形曲線如圖2所示．

由表5可知，兩種巖石試驗(yàn)結(jié)果在單位長(zhǎng)度錨固力指標(biāo)上差別不大，在延伸率指標(biāo)上粉礦地段測(cè)試結(jié)果較花崗閃長(zhǎng)巖地段的結(jié)果大，但沒(méi)有達(dá)到1．44的指標(biāo)．

表5 錨固劑玻璃鋼錨桿試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of GFRP bolting with anchoring agent

圖2 錨固劑玻璃鋼錨桿抗拉拔力－應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線（28 d）Fig．2 Pull force and strain curve of GFRP bolting with anchoring agent（28 d）

由圖2可見(jiàn)，錨固劑玻璃鋼錨桿抗拉拔力－應(yīng)變近似線性變化．

3．5 金山店鐵礦錨固劑玻璃鋼錨桿支護(hù)的技術(shù)要求

基于現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)的研究結(jié)論，參考煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮施工質(zhì)量的差異，取強(qiáng)度折減系數(shù)0．8，初步擬定錨固劑玻璃鋼錨桿在金山店鐵礦井下采準(zhǔn)巷道支護(hù)的技術(shù)要求：錨桿系統(tǒng)配套安裝后0．5 h所測(cè)定的單位長(zhǎng)度錨固力應(yīng)不小于11 k N·m－1（22 k N，2 000 mm 錨桿），24 h錨固力應(yīng)不小于20 k N·m－1（40 k N，2 000 mm 錨桿），28 d錨固力應(yīng)不小于30 k N·m－1（60 k N，2 000 mm錨桿），延伸率小于1．44．

4 應(yīng) 用

基于3．5節(jié)的技術(shù)要求，進(jìn)行巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)錨固劑玻璃鋼錨桿支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行了檢驗(yàn)．試驗(yàn)在金山店鐵礦東區(qū)－312 m水平采準(zhǔn)巷道中進(jìn)行，抽檢結(jié)果如表6所示．

表6 玻璃鋼錨桿檢測(cè)結(jié)果Table 6 The detection results of GFRP bolting

由表6可見(jiàn)，施工質(zhì)量合格率較高，進(jìn)行長(zhǎng)期觀察，巷道沒(méi)有明顯地壓顯現(xiàn)，處于穩(wěn)定之中．需要補(bǔ)充說(shuō)明的是，現(xiàn)場(chǎng)抽檢主要是對(duì)錨桿尾部露出較長(zhǎng)的錨桿，以利于安裝拉拔計(jì)，沒(méi)有抽到的錨桿施工質(zhì)量更好一些．

5 結(jié) 語(yǔ)

a．在金屬礦中，錨固劑玻璃鋼錨桿支護(hù)的工程力學(xué)特性與MT219－2002規(guī)范中的技術(shù)要求有較大的差異，提出了金山店鐵礦錨固劑玻璃鋼錨桿支護(hù)的技術(shù)指標(biāo)和要求．

b．基于錨固劑玻璃鋼錨桿在金山店鐵礦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果而制定的技術(shù)要求，作為－270 m～－340 m中段采準(zhǔn)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量檢測(cè)的依據(jù)，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和可操作性，試驗(yàn)表明效果明顯．

致謝

感謝國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51374049）的資助！

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