錨固劑玻璃鋼錨桿支護工程力學特性與應用

朱漢明，梅群力，陳清運，朱萬成

（1．武鋼集團礦業有限責任公司金山店鐵礦，湖北 大冶 435100；2．中國黃金集團新疆金灘礦業有限公司，新疆 鄯善 838200；3．武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430074；4．東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110006）

0 引 言

錨固劑玻璃鋼錨桿支護是以錨固劑為粘結劑，將玻璃鋼錨桿固定在被加固巖體中、共同承擔地壓的一種主動支護形式．其主要特點是施工簡單、支護及時，因此在煤礦中得到廣泛應用．玻璃鋼錨桿是一種用玻璃鋼纖維等復合材料研制而成的新型錨桿，其主要結構由錨頭、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．在支護安裝過程中，通過擰緊玻璃鋼錨尾螺母而擠壓托盤提供預應力．

早在20世紀初，國外學者就開始研究玻璃鋼纖維材料，試圖通過改變錨桿材料來解決鋼質材料易腐蝕等問題［1］．研制之初，遇到玻璃纖維與混凝土粘結困難、筋材錨固不牢和表面保護膜容易損壞等技術難題．到20世紀50年代，美國、前蘇聯、英國等相繼開展了大量的研究活動，關鍵技術被攻克，玻璃鋼纖維材料得到了迅猛的發展，并開始應用于巖土工程和地下礦山工程的支護中．我國對玻璃鋼錨桿應用研究始于煤礦．在煤礦，由于瓦斯含量高，采用普通鋼質材料錨桿進行巷道支護時，割煤機易與鋼質錨桿發生摩擦，產生火花，引起瓦斯爆炸等安全事故，因此，開展了用玻璃鋼錨桿替代普通鋼質錨桿的科技攻關，試驗獲得了成功，相關產品已經定型批量生產．但是，玻璃鋼錨桿在我國非煤礦山的推廣應用只是近幾年的事，特別是在金屬礦山的應用還處于探索階段，有關設計技術要求和施工質量檢驗標準也還處于空白狀態，需要開展系統、全面的試驗研究．

錨固劑玻璃鋼錨桿支護屬隱蔽性工程，支護質量的好壞表面不易察覺，只有通過系統的抽樣檢驗才能判斷支護質量的優劣．2002年煤炭部頒布了《中華人民共和國煤炭行業標準（MT219－2002），水泥錨桿卷式錨固劑》（2002．9．1實施）［2］，規范中分別規定了錨固劑抗壓強度、錨固力、膨脹性等幾項工程技術指標．其中，卷式錨固劑與錨桿配套安裝0．5 h后，所測定的錨固力應不小于50 k N，24 h的錨固力應不小于70 k N；卷式錨固劑的抗壓強度不小于表1中的值；卷式錨固劑的膨脹性應在0．5 h內最大膨脹率不小于0．1%，28d膨脹率測定應大于0．

表1 卷式錨固劑抗壓強度［2］Table 1 Compressive strength of rolled anchoring agent

錨固劑玻璃鋼錨桿支護系統的工程力學特性，與錨固劑、錨桿材質、被加固巖體工程力學性狀等因素息息相關．支護系統各組成部分，只有各自發揮到能力的極限，并保持變形協調，才能表現出整體較好的工程力學性狀．因此，在標準的質量檢測體系中，還需要根據被支護地段巷道圍巖變形特點，增加檢測支護系統抗變形能力技術指標；另外，錨桿拉拔力隨錨固長度呈線性變化，不能用一個固定的錨固力作為各種長度錨桿是否合格的評價標準，需用單位錨固長度錨固力修正原技術指標；標準中也沒有明確錨桿材質不同對支護質量的影響，籠統用一個標準，在實際生產中指導性不強．基于以上原因，在金山店鐵礦井下－270 m～－340 m段，開展錨固劑玻璃鋼錨桿支護系統的工程力學特性試驗研究，針對該礦工程地質和技術特點制定錨固劑玻璃鋼錨桿支護的技術要求，為該中段采準巷道支護設計和支護質量檢測提供切合實際的依據和標準．

2 工程地質特性

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，平均干抗壓強度為127 MPa；浸染狀礦石在區內較常見，在礦床東部最發育，金屬礦物在矽卡巖或大理巖中作較均勻的星散狀分布，單軸抗壓強度27 MPa；粉礦中金屬礦物與脈石礦物呈細粒集合體，結構松散，一接觸即成散砂狀，單軸抗壓強度僅為5 MPa．

圍巖有角頁巖、大理巖、巖漿巖、矽卡巖等，與采準巷道關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烈，單軸抗壓強度普遍較低，平均值為68 MPa．矽卡巖為接觸交代變質巖，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礦物，結構比較松散，受構造作用較強烈，所以強度普遍較低．

礦區圍巖的近礦強蝕變與遠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程中發生，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．圍巖蝕變一般對巖體力學性質有弱化作用，如矽卡巖化、金云母化、綠泥石化、碳酸鹽化，本區圍巖弱化蝕變有矽卡巖化和碳酸鹽化．強烈的矽卡巖化產生于礦巖接觸帶及其附近，而碳酸鹽化普遍存在于區內各種巖石之中，多呈細脈及網脈狀充填于節理裂隙中，當其呈網脈狀發育時常導致巖石呈碎裂狀．

結構面特征主要表現在：近礦圍巖節理裂隙發育、短小不規則，其密度5～15條／m，局部地段可達30條／m，其延展性和連續性均較差，多為不規則雜亂節理，成組性不強，且巖體結構以鑲嵌結構及碎裂結構為主；遠離礦體圍巖完整性提高，節理密度在5條／m左右，節理裂隙成組性增強，巖體結構逐漸轉為塊狀結構和鑲嵌結構并存．兩種情況下的圍巖都存在陡傾節理較緩傾節理更為發育的工程地質特征，節理大多呈閉合或微張（隙寬一般大于3 mm）狀態，隙壁平滑或粗糙，無充填或少量碳酸鹽質充填，部分地段具較厚的碳酸鹽質充填，在圍巖蝕變較強的地段，多為矽卡巖、綠泥石等充填．

礦區水平構造應力較大，是垂直自重應力的1．7倍；礦區在－410 m有疏干系統，圍巖中含水率不高．

3 錨固劑玻璃鋼錨桿支護工程力學特性試驗

3．1 錨固劑力學性能試驗

3．1．1 抗壓強度 按 MT219－2002規范要求，對金山店鐵礦使用的錨固劑進行抗壓強度試驗，結果如表2所示．

表2 錨固劑抗壓強度試驗Table 2 Compressive strength test of anchoring agent

由表2可見，錨固劑的抗壓強度基本符合規范技術要求，略為偏小．

3．1．2 膨脹性試驗 按 MT219－2002規范要求，制作了100×100×100 mm標準試塊9塊，測定不同養護齡期錨固劑的膨脹率，結果如表3所示．

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

由表3可知，現場試驗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%，均達到標準規定的技術要求．

3．2 玻璃鋼錨桿力學性能試驗

金山店鐵礦使用的玻璃鋼錨桿桿體規格為φ18×2 000 mm，桿體表面經過噴砂處理，并且纏繞纖維，其托盤和螺母均為工程塑料．錨桿采用拉擠一次成型技術，玻璃纖維質量分數為77．5%，樹脂質量分數為22．5%．按規范要求進行試驗，同時引用了其他研究成果［1，3－5］，經綜合分析，結果如表4所示．

3．3 玻璃鋼錨桿支護的巷道變形監測

文獻［6－7］介紹了金山店鐵礦余華寺采區－242 m分段回采進路進行玻璃鋼錨桿支護試驗結果．試驗巷道采用掘支一體化施工工藝，即在掘進后馬上進行噴錨網支護．16＃進路采用玻璃鋼錨桿噴錨網支護，加有預應力，采用玻璃鋼錨桿配塑料螺母和托盤掛網．錨桿采用錨固劑全長錨固，錨固長度1 900 mm．噴射混凝土強度C20、噴層厚度80～100 mm．試驗巷道中的金屬網采用6 mm鋼筋編制的200×200 mm菱形金屬網．巷道收斂監測變形結果表明，巷道變形為0．25 mm／d，屬欠穩定巷道，這圍巖條件在金山店鐵礦帶有普遍性．按90 d計，錨桿錨固長度1．9 m，則玻璃鋼錨桿延伸率δ為1．18／%，小于1．44%，說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玻璃鋼錨桿的力學性能指標Table 4 mechanical parameters ofφ18 mm GFRP bolting

3．4 錨固劑玻璃鋼錨桿的工程力學特性試驗

試驗地點選擇在金山店鐵礦東采區－298 m水平610XK以東的采準巷道中進行，測點布置如圖1所示．主要試驗卷式錨固劑玻璃鋼錨桿的工程力學特性．

圖1 玻璃鋼錨桿力學特性試驗測點布置圖Fig．1 Observation point arrangement of mechanical test on GFRP bolting

分別在15＃進路下盤花崗閃長巖地段及粉礦地段布置了3組測點（見圖1），每組測點在垂直方向上分別鉆3個水平孔，為方便進行錨桿抗扒拉試驗，玻璃鋼錨桿要求外露350 mm，錨桿長度2 000 mm，嚴格按照操作規程進行安裝，安裝好后掛吊牌做好標記，養護0．5 h、24 h、28 d后進行試驗．

每次只選一組上的一根進行破壞性拉拔試驗，3根數據進行平均，即為不同支護齡期的抗拉強度與變形強度．

試驗結果如表5所示，錨桿抗拉拔力與變形曲線如圖2所示．

由表5可知，兩種巖石試驗結果在單位長度錨固力指標上差別不大，在延伸率指標上粉礦地段測試結果較花崗閃長巖地段的結果大，但沒有達到1．44的指標．

表5 錨固劑玻璃鋼錨桿試驗結果Table 5 Test results of GFRP bolting with anchoring agent

圖2 錨固劑玻璃鋼錨桿抗拉拔力－應變試驗曲線（28 d）Fig．2 Pull force and strain curve of GFRP bolting with anchoring agent（28 d）

由圖2可見，錨固劑玻璃鋼錨桿抗拉拔力－應變近似線性變化．

3．5 金山店鐵礦錨固劑玻璃鋼錨桿支護的技術要求

基于現場和室內試驗的研究結論，參考煤炭行業標準，同時考慮施工質量的差異，取強度折減系數0．8，初步擬定錨固劑玻璃鋼錨桿在金山店鐵礦井下采準巷道支護的技術要求：錨桿系統配套安裝后0．5 h所測定的單位長度錨固力應不小于11 k N·m－1（22 k N，2 000 mm 錨桿），24 h錨固力應不小于20 k N·m－1（40 k N，2 000 mm 錨桿），28 d錨固力應不小于30 k N·m－1（60 k N，2 000 mm錨桿），延伸率小于1．44．

4 應 用

基于3．5節的技術要求，進行巷道支護優化設計，并對錨固劑玻璃鋼錨桿支護質量進行了檢驗．試驗在金山店鐵礦東區－312 m水平采準巷道中進行，抽檢結果如表6所示．

表6 玻璃鋼錨桿檢測結果Table 6 The detection results of GFRP bolting

由表6可見，施工質量合格率較高，進行長期觀察，巷道沒有明顯地壓顯現，處于穩定之中．需要補充說明的是，現場抽檢主要是對錨桿尾部露出較長的錨桿，以利于安裝拉拔計，沒有抽到的錨桿施工質量更好一些．

5 結 語

a．在金屬礦中，錨固劑玻璃鋼錨桿支護的工程力學特性與MT219－2002規范中的技術要求有較大的差異，提出了金山店鐵礦錨固劑玻璃鋼錨桿支護的技術指標和要求．

b．基于錨固劑玻璃鋼錨桿在金山店鐵礦現場試驗的結果而制定的技術要求，作為－270 m～－340 m中段采準巷道支護設計和施工質量檢測的依據，具有較強的針對性和可操作性，試驗表明效果明顯．

致謝

感謝國家自然科學基金項目（51374049）的資助！

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