宮 耀侯俊領袁 琳,3,4杜承航,3,4李垂宇,3,4謝 濤,3,4鄧金山,3,4

(1、淮河能源控股集團有限責任公司煤業(yè)分公司,安徽 淮南232171 2、攀枝花學院,四川 攀枝花617000 3、四川巖土智測科技有限公司,四川 攀枝花617000 4、四川鈦星工程科技有限責任公司,四川 攀枝花617000)

1 概述

煤礦巷道支護中,錨桿預緊力對深井巷道圍巖錨固效果具有重要作用,只有施加高預緊力,并實現(xiàn)預應力的有效擴散,才能真正發(fā)揮錨桿的主動支護作用,對于控制圍巖的變形具有重要的意義。通過對淮南、淮北、平頂山等二十幾個煤礦巷道錨桿預緊力現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn),錨桿預緊力普遍小于20KN,主要原因有:(1)煤礦井下錨桿高預緊力施加困難,施工的錨桿鉆機扭矩小(120N·m左右)。(2)螺母與托盤之間為平面摩擦,導致螺母扭矩轉化效率較低。(3)對螺母施加較高扭矩會對錨桿尾部形成一定損害,錨桿尾部容易發(fā)生破斷,降低了錨桿整體強度。以下為現(xiàn)場測力錨桿實測錨桿軸力分布。

圖1 錨桿軸力分布

建立長10m,寬5m,高5m混泥土臺,中部布置1根直徑22mm長2.5 m錨桿,錨桿分加長錨固和全錨兩種方式,其中加長錨固錨固段1.25 m長,分別施加3噸、6噸、9噸和12噸拉拔力,研究錨桿載荷傳遞情況。如圖2所示加長錨固和全長錨固兩種錨固方式拉拔力在錨固段內均成負指數(shù)衰減趨勢,且全長錨固錨桿拉拔力衰減幅度較大。

圖2 全錨和加長錨固錨桿預緊力衰減規(guī)律

2 錨桿預緊力作用

錨桿支護系統(tǒng)預應力的有效發(fā)揮是圍巖控制的重要因素。確定合理的錨桿預緊力并實現(xiàn)有效擴散是支護設計關鍵,托板附件及其組合構件在預應力支護系統(tǒng)發(fā)揮極其重要的作用。復雜困難巷道支護中,高預緊力作用不可低估,主要體現(xiàn)在兩個方面:一是將錨桿形成承載結構和深部圍巖相連,提高承載結構的穩(wěn)定性,同時充分調動深部圍巖的承載能力,使更大范圍內的巖體共同承載;二是錨桿施加較大預緊力,給圍巖提供壓應力,使支護形成的壓應力區(qū)組合成骨架網狀結構,主動支護圍巖,保證其完整度,如圖2所示。圖3為采用FLAC3D數(shù)值計算軟件,模擬錨桿施加12t預緊力后,預緊力在頂板擴散情況,如圖所示在頂板錨固范圍內產生壓應力區(qū)。

圖3 高預緊力擴散圖圖

圖4 減摩墊片及其與錨桿裝配圖

將原有的滑動摩擦方式改變?yōu)闈L動摩擦方式,提高扭矩與預緊力轉化效率,研發(fā)了建模墊片,墊片及與錨桿裝配圖5所示。

根據(jù)實驗室及現(xiàn)場使用實測,錨桿螺母扭矩轉化率提高1倍以上,采用錨桿預緊力放大器后大幅降低了工人的勞動強度,減少了錨桿尾部螺紋的損傷。圖5為扭矩與預緊力轉化監(jiān)測工裝,圖6為扭矩與預緊力轉換規(guī)律曲線。

圖5 扭矩與預緊力轉化監(jiān)測工裝

圖6 扭矩與預緊力轉換規(guī)律曲線

3 全長先張后錨固工法

目前錨桿支護技術成為煤礦巷道首選的、安全高效的主要支護方式,很多礦區(qū)的錨桿支護率已超過90%。按照錨固長度將錨桿錨固方式分為三類:第一類,錨固的長度為錨桿全長的1/3稱為端頭錨固(端錨);第二類,錨固的長度超過錨桿全長的90%稱為全長錨固;錨固的長度介于錨桿全長的1/3-90%之間稱為加長錨固。由于受機具限制,全長錨固錨桿施工工藝復雜,特別是全長樹脂錨固錨桿施工十分困難?；茨系V業(yè)集團進行了大量研究,通過調整錨固劑參數(shù),包括直徑、膠泥稠度、凝膠時間以及錨桿螺帽扭矩等,實現(xiàn)了全長錨固,研發(fā)的新型全長樹脂錨固劑,其膠泥稠度為50-60mm,凝膠時間150～180S,錨固抗拉拔力大于200KN。頂部采用3根Z2860,稠度50mm,錨桿破帽扭矩由90-110Nm提高到130Nm-160Nm,頂部錨桿采用MQT-120風動錨桿鉆機。幫部采用4卷Z2560,稠度60mm,采用MQS-35風動錨桿鉆機。利用新型樹脂錨固劑全部將錨桿桿體與鉆孔孔壁粘結在一起,當巖層發(fā)生離層、錯動時,巖層與桿體共同抗剪切作用,及時抑制圍巖離層與錯動,充分發(fā)揮錨固巖體的自承能力。但是存在全長錨固錨桿預緊力無法施加的問題。為保證預緊力在巖層內較好擴散,將錨桿錨固段分為快速錨固區(qū)和滯后錨固區(qū),如圖7所示,采用超快速和慢速兩種規(guī)格樹脂藥卷,錨桿安裝時錨頭迅速形成快速錨固區(qū)(500mm),錨桿預緊過程中慢速藥卷不凝膠(大于180s),實現(xiàn)先張拉后錨固,保證預緊力在錨桿內沿程傳遞不衰減。開始施工采用測力錨桿檢測兩個指標:(1)測力錨桿沿程所有測點預緊力F相等且達到設計值。(2)測力錨桿沿程所有測點彎矩M=0。如果符合按既定的機具和材料繼續(xù)施工,若不符合要重新調整機具、優(yōu)化托盤大小、調配錨固劑等錨固參數(shù)。

圖7 錨固段分區(qū)示意圖

4 現(xiàn)場應用效果

在潘三17102(3)軌道順槽支護設計中應用,應用預緊力放大裝置及后錨固技術等成果,實現(xiàn)了高強度、高剛度、高可靠性與低密度為技術特點的“三高一低”支護,經濟效益、社會效益顯著,試驗巷道綜合單進提高10%以上,支護成本降低20%左右。高預緊力全長錨固錨桿實現(xiàn)了深井強支護,錨桿剛度大,工阻大,控制圍巖能力顯著增加。

5 結論

本文采現(xiàn)場實測和理論分析綜合研究方法,開展了巷道高預緊力全長錨固錨桿支護關鍵技術研究,得出以下成果:

5.1 通過實驗室試驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測綜合研究方法,得出了全長錨固、加長錨固不同錨固方式錨桿軸力特征以及錨桿預緊力對圍巖主動控制作用。

5.2 發(fā)明了預緊力放大裝置,將原有錨桿螺母與托盤間的滑動摩擦方式改變?yōu)闈L動摩擦方式,在機具不變情況下錨桿預緊力提高一倍左右;通過對傳統(tǒng)扭矩倍增器結構優(yōu)化,提高了錨桿預緊力施加的可靠性、安全性和便捷性。

5.3 創(chuàng)建了全長先張后錨固技術工法,給出全長錨固錨桿施加高預緊力新途徑,首次定義了全長先張后錨固技術兩個錨固參數(shù)合理性判據(jù):測力錨桿沿程所有測點預緊力F相等且達到設計值。測力錨桿沿程所有測點彎矩M=0。