楊尚歡 劉再濤 朱乾坤 趙興東

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦,山東 萊州 261442;2.東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819)

隨著淺部資源的逐漸枯竭,深部開采已經(jīng)成為礦業(yè)開發(fā)領(lǐng)域的必然趨勢[1-2]。受深部復雜工程地質(zhì)環(huán)境及開采活動影響,圍巖地壓災(zāi)害日趨嚴峻,出現(xiàn)諸如層裂、冒頂、片幫、巖爆等破壞形式[3]。礦山圍巖支護是有效降低地壓災(zāi)害的重要措施,也是當前深部開采研究的熱點和難點問題。

水脹式錨桿是巖石力學工程常用的支護形式之一,廣泛應(yīng)用于隧道、采礦、水電工程等領(lǐng)域[4-8]。水脹式錨桿通過錨固界面的摩擦和機械自鎖作用加固巖體,軟巖和硬巖條件均可使用[9-10]。水脹式錨桿桿體是通過鋼管折成Ω 形斷面制成的,桿體兩端均焊接有密封套管,其中外漏套管上有高壓水注水孔(圖1)。安裝時先將錨桿置于錨固孔內(nèi),然后注入高壓水使桿體膨脹,在高水壓作用下錨桿擠壓巖體使其外形適應(yīng)不規(guī)則孔壁;安裝結(jié)束后水壓消失,受彈性恢復影響錨桿被卡在錨固孔內(nèi)并對孔壁產(chǎn)生接觸應(yīng)力和機械自鎖(圖1)[9]。目前,常見的水脹式錨桿有Swellex 錨桿[11]、Omega 錨 桿[12]、EX300 ERB 錨桿[13]、新型RPE 錨桿[14]等。與傳統(tǒng)錨桿相比,水脹式錨桿具有安裝便捷、安裝速度快、對爆破振動不敏感及抗巖爆等特點[12,15-17],因此在深部高應(yīng)力巷道支護領(lǐng)域具有良好潛力。

圖1 水脹式錨桿結(jié)構(gòu)及其與圍巖相互作用示意[9]Fig.1 Schematic of inflatable rock bolt structure and its interaction with surrounding rock

在三山島金礦西山分礦深部-945 m 水平北巷選取試驗點進行支護試驗,結(jié)合拉拔試驗及長周期水脹式錨桿內(nèi)水壓監(jiān)測,探究深部硬巖條件下水脹式錨桿錨固性能,為深部硬巖巷道支護設(shè)計提供依據(jù)。

1 硬巖條件下水脹式錨桿接觸力分析

對于水脹式錨桿而言,接觸應(yīng)力q是至關(guān)重要的參數(shù)。Wijk 等[11]給出接觸應(yīng)力的估算式:

式中,Pi為錨桿安裝時作用在錨固孔壁的壓力;ri為錨固孔半徑;t為錨桿壁的厚度;Er為巖體彈性模量;vr為巖體的泊松比;Es為錨桿材料的彈性模量;vs為錨桿材料的泊松比。

式(1)成立的條件是水脹式錨桿能夠充分膨脹成圓環(huán)且安裝時產(chǎn)生的向外的彈性徑向位移在水壓消失后不會向內(nèi)回彈[18-19]。

H?kansson 等[10]推導出適用條件更廣的接觸應(yīng)力計算式:

圖2所示為硬巖中接觸應(yīng)力與彈性模量的關(guān)系,可以看出給定鉆孔直徑的情況下,接觸應(yīng)力值隨著彈性模量的增加呈現(xiàn)先增加后逐漸降低的趨勢,峰值接觸應(yīng)力隨著鉆孔直徑的增加而增加。

圖2 接觸應(yīng)力與圍巖彈性模量的關(guān)系[10]Fig.2 The relations between contact stress and the Young's modulus[10]

2 水脹式錨桿試驗研究

2.1 工程背景

三山島金砂礦體主要賦存在三山島斷裂帶中,巖性以黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖、絹英巖化花崗巖為主。試驗地點選擇在西山分礦-945 m 北巷1 840 風聯(lián)和S21184 采聯(lián)之間,試驗段支護長度28 m(圖3)。根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、節(jié)理裂隙調(diào)查、礦區(qū)地應(yīng)力分布和巖石力學試驗結(jié)果,選擇Q分級和RMR分級2種方法進行巖體質(zhì)量分級。根據(jù)實測數(shù)據(jù),該區(qū)域巖體質(zhì)量為Q=3.81,為Ⅲ級巖體;RMR=45.84,為Ⅲ級巖體,綜合確定該區(qū)域的巖體質(zhì)量等級為Ⅲ級。

圖3 試驗區(qū)域位置Fig.3 Location of test area

該區(qū)域支護所用錨桿為直徑35 mm水脹式錨桿,長度為1 800 mm。鋼筋網(wǎng)為?10 mm的鋼筋焊接而成。錨桿呈梅花狀布置,根據(jù)施工區(qū)域巖體質(zhì)量等級及巖石完整程度,支護間排距為1 000 mm×1 000 mm。較破碎區(qū)域,采用錨桿+金屬網(wǎng)+噴漿支護,初次噴漿厚度5 cm,混凝土強度為C20,達到初凝強度后施工錨網(wǎng)支護,根據(jù)現(xiàn)場具體情況決定二次噴漿厚度。錨固孔鉆鑿、錨桿安裝均由錨桿臺車完成,應(yīng)用人工操作設(shè)備進行錨桿內(nèi)注水,共安裝200 根水脹式錨桿。支護后效果見圖4。安裝后選取8～17#錨桿進行水壓力監(jiān)測,1～5#錨桿進行拉拔試驗,同時在周邊巷道選擇4 根管縫式錨桿進行拉拔試驗。

圖4 試驗段巷道支護效果Fig.4 Drift support of study area

2.2 拉拔試驗分析

從圖5 可以看出,硬巖條件下水脹式錨桿的拉拔力普遍高于管縫式錨桿。1～5#水脹式錨桿拉拔力的平均值為100.10 kN,1～4#管縫式錨桿拉拔力的平均值為27.51 kN,水脹式錨桿的平均拉拔力約為管縫式錨桿的3.64 倍。水脹式錨桿拉拔力比較大的根本原因是水脹式錨桿在高水壓作用下,錨桿外殼能夠適應(yīng)鉆孔壁的起伏變化并與其實現(xiàn)良好的貼合,能夠有效增加與錨固孔壁的接觸應(yīng)力和機械咬合力,而管縫式錨桿難以達到該效果。

圖5 錨桿拉拔試驗結(jié)果對比Fig.5 Comparison of rock bolt pull-out test results

2.3 水脹式錨桿內(nèi)水壓變化規(guī)律

圖6所示為典型的水脹式錨桿安裝過程泵壓—時間曲線?？梢钥闯龀跏茧A段高壓水進入水脹式錨桿內(nèi)部,逐漸充滿管內(nèi)直至注滿,此時泵壓顯著升高,至A點錨桿開始膨脹,至B點時水脹式錨桿已得到充分膨脹。泵壓值大小取決于水脹式錨桿的膨脹程度,水脹式錨桿在空氣中完全膨脹所需水壓為Pp0,傳遞到錨固孔壁的壓力為Pi,其值等于最大泵壓Ppmax與膨脹泵壓Pp0之差。

圖6 典型水脹式錨桿安裝過程泵壓—時間曲線[10]Fig.6 Typical pump pressure versus time curve of inflatable rock bolt installation [10]

水脹式錨桿內(nèi)水壓監(jiān)測從2022年1月15日開始,結(jié)束于2022年2月22日。從圖7 可以看出大多數(shù)水脹式錨桿能夠穩(wěn)定工作,水壓能夠基本保持穩(wěn)定,說明水脹式錨桿在硬巖條件下工作狀態(tài)較為穩(wěn)定、可靠性比較強。8#錨桿在1月22日6點22分和17點22分2個孤立時間點壓力突增至11.10 MPa和11.11 MPa,而其他時間變化均無跳躍式變化,其可能原因為傳感器異常。15#錨桿由于密封不嚴,安裝后桿內(nèi)水壓快速降低,發(fā)現(xiàn)該問題后及時處理,而后桿內(nèi)水壓基本保持不變。2月15日21點20分15#錨桿內(nèi)水壓力值瞬間降為0,其原因是桿體發(fā)生破壞,推測是鉆孔內(nèi)發(fā)生較大變形導致巖塊壓穿管壁或內(nèi)部剪切錯動剪壞桿體。2月15日22點05分16#錨桿內(nèi)水壓快速降低,其可能原因是該處圍巖發(fā)生變形,桿體被拉伸導致水壓降低,等變形穩(wěn)定后該錨桿內(nèi)水壓基本保持不變。此外,從圖7 也可以看出,除15#、16#錨桿外其余錨桿內(nèi)水壓變化趨勢保持一致,壓力的升高可以表明巷道圍巖受采動應(yīng)力影響導致鉆孔發(fā)生彈性變形擠壓桿體,這也為采動應(yīng)力變化的監(jiān)測提供一定程度的參考。

3 討 論

從水脹式錨桿拉拔試驗和桿體內(nèi)水壓監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出,水脹式錨桿能夠應(yīng)用于深部硬巖巷道支護,錨桿工作性能穩(wěn)定且可靠,具有大規(guī)模推廣的潛力。但是仍存在一些問題亟待解決。

(1)抵抗巖爆等動載的性能。試驗過程中巷道沒有經(jīng)受巖爆等動載作用,其抵抗巖爆的能力不得而知,下一步計劃應(yīng)用爆破模擬巖爆檢驗水脹式錨桿的工作性能。

(2)桿體的抗剪性能。通過判讀桿體水壓—時間曲線,15#錨桿極大可能是被剪壞,因此有必要開展硬巖結(jié)構(gòu)面條件下水脹式錨桿抗剪性能研究。

(3)防腐蝕問題。三山島金礦是我國第一個海底開采金屬礦山,礦山內(nèi)涌水(古海水)具有氯離子含量極高,此外西山礦區(qū)深部溫度和濕度均較高,環(huán)境因素對鐵質(zhì)金屬腐蝕性極強,導致桿體力學性能降低甚至被銹穿而出現(xiàn)錨固失效,所以在井下安裝時要在水脹式錨桿外部噴涂防腐材料。另外,近年來也發(fā)展有耐腐蝕性材質(zhì)的水脹式錨桿,例如PRE 水脹式錨桿材質(zhì)為高強耐腐蝕性ZAM 鋼板,該錨桿具有較高的剛度同時耐腐蝕性極強[14]。

4 結(jié) 論

(1)探討了水脹式錨桿作用機制,即通過錨固界面的摩擦和機械自鎖作用加固巖體;同時結(jié)合已有研究成果可以看出接觸應(yīng)力值隨著彈性模量的增加呈現(xiàn)先增加后逐漸降低的趨勢。

(2)通過拉拔試驗發(fā)現(xiàn)硬巖條件下水脹式錨桿的拉拔力普遍高于管縫式錨桿。研究區(qū)域水脹式錨桿拉拔力的平均值為100.10 kN,而管縫式錨桿拉拔力的平均值為27.51 kN。水脹式錨桿拉拔力比較大的根本原因是水脹式錨桿在高水壓作用下,錨桿外殼能夠適應(yīng)鉆孔壁的起伏變化并與其實現(xiàn)良好的貼合,能夠有效增加與錨固孔壁的接觸應(yīng)力和機械咬合力。

(3)通過水脹式錨桿桿體內(nèi)水壓變化發(fā)現(xiàn)水脹式錨桿在硬巖條件下工作性能穩(wěn)定且可靠;壓力—時間曲線的升高可以表明巷道圍巖受采動應(yīng)力影響導致鉆孔發(fā)生彈性變形擠壓桿體,可為采動應(yīng)力變化的監(jiān)測提供一定程度的參考。

(4)分析了試驗區(qū)使用的水脹式錨桿亟待解決的抵抗動載、抗剪和防腐問題,為下一步展開實驗室和現(xiàn)場研究指明方向。