樹脂錨桿支護技術在錦豐金礦的應用

章海象,吳巖佩

(貴州錦豐礦業有限公司, 貴州 貴陽 550001)

樹脂錨桿支護技術在錦豐金礦的應用

章海象,吳巖佩

(貴州錦豐礦業有限公司, 貴州 貴陽 550001)

錦豐金礦地質構造發育，風化作用強烈，圍巖松軟、破碎、遇水泥化，很容易垮塌，而原來使用的管縫式錨桿的錨固力低、容易氧化銹蝕，為此錦豐金礦引進了樹脂錨桿支護技術。在技術引進過程中，首先選擇了合理的支護參數，其次實現了樹脂錨桿的機械化安裝。實踐表明，樹脂錨桿結合濕噴混凝土有效地控制了頂板圍巖變形，減少了頂板冒落事故的發生，大大減少了巷道的維修工程量，為錦豐地下礦的安全、正常生產提供了有利保證。同時，針對現場的施工條件，指出了樹脂錨桿支護技術應用時應注意的問題。

樹脂錨桿；縫管錨桿；錦豐金礦；井巷支護

0 前 言

錦豐金礦地下礦礦區斷裂褶皺發育，地層支離破碎，產狀局部直立甚至倒轉。斷裂帶實質上是一個強構造應變帶及強礦化蝕變帶，帶內巖石強烈變形。礦體及頂底板圍巖以薄至中厚層砂巖與薄層粘土巖為主，粘土巖十分松軟破碎，遇水軟化、泥化，極易垮塌，工程地質條件復雜。

錦豐地下礦剛開始掘進主斜坡道時采用的支護方式為管縫式錨桿+鋼網。管縫式錨桿桿體壁厚3 mm，直徑Φ47.5 mm，長度2.4 m，開縫寬度15 mm。管縫式錨桿支護有許多優點，如安裝方便、及時提供支撐抗力、當圍巖發生顯著位移時錨桿并不失去其支護抗力等，但同時也存在一些問題，包括錨固力低，錦豐金礦的管縫式錨桿抗拔力一般為6～10 t，大大低于同等長度樹脂錨桿的抗拔力；對鉆孔孔徑要求較嚴，孔徑偏大，錨固力低；孔徑偏小，錨桿容易彎曲，難以全部進入鉆孔，錨固深度減少，錨固力降低；錨桿與空氣接觸，容易氧化銹蝕，特別在地下水較大的巷道，錨桿銹蝕更快，更嚴重。由于管縫式錨桿的以上缺點，它應用于巷道頂板支護和永久性巷道支護的可靠性很差。鑒于此，錦豐公司地下礦山引進了樹脂錨桿，主要用于巷道頂板及一些使用壽命較長的地下工程，如主斜坡道、井下配電站、風井等。

1 樹脂錨桿的工作原理與參數選取

樹脂錨桿由不同強度材質的桿體及其附件與配套樹脂錨固劑一同使用，根據設計錨固長度，將桿體插入鑿好的孔洞中，經過攪拌后，錨固劑產生化學反應，在一定時間內，將桿體與巖體粘合為一體。過了等待安裝時間之后，在螺紋端裝上托盤并擰緊螺母，對圍巖施加一定的預緊力，使圍巖處于三向應力狀態，這樣就改善了圍巖的受力狀態，使圍巖的強度得到提高，起到加固圍巖，防止其移動的作用，從而提高巷道的整體性、穩定性[1]。具體說來，樹脂錨桿通過“懸吊、組合梁、擠壓加固拱、減跨”等作用來對圍巖進行支護、加固。

為確定合理的支護參數，對錦豐地下礦山的圍巖開展了現場工程地質調查，根據調查結果，確定現場巖體Q值一般在0.1～15之間，其中Q值在0.4～4范圍內的巖體所占比例較大，其他Q值范圍內的巖體所占比例較小。

錦豐地下礦巷道的寬度為4.5～5 m，高度為5～5.5 m， 開挖支護比(ESR)在1.6～4之間。樹脂錨桿直徑為25 mm，根據更新后的Barton的Q support chart[2](見圖1)，選取錦豐地下礦巷道的支護參數如下：錨桿排距1.1～1.5 m，同一排內錨桿間距1.1～1.3 m，噴漿厚度65～75 mm，巖體質量好時選大值，巖體質量差時選小值。

錨桿長度選取采用以下兩種方法：

(1) 根據Barton的錨桿長度計算公式得出的錨桿長度最大值為1.72 m。

式中：L——錨桿長度，m；

B——巷道跨度，m；

ESR——開挖支護比。

(2) 根據Lang擬定的巖石錨桿網規范，錨桿長度為錨桿間距的兩倍。基于Q值選取的錨桿間距為1.1～1.3 m，所以相應的錨桿長度為2.2～2.6 m。巖石錨桿網規范是Lang在制定澳大利亞雪山水力發電規則(The Snowy Mountain Hydroelectric Scheme)期間擬定的，它仍被廣泛用于確定 “永久”硐室的錨桿長度和間距[3]。對于礦山巷道，錨桿長度的取值可以小一些。

綜合以上兩種方法得出的結果，同時考慮到錦豐地下礦所有巷道在安裝錨桿前需要噴射一層65～75 mm厚的混凝土，最后確定錦豐地下礦支護的錨桿長度為2.4 m。

圖1 基于Q值的巷道支護類型與支護參數選擇

2 樹脂錨桿施工工藝

巷道爆破出渣后，及時噴射一層65～75 mm厚的混凝土。當噴射混凝土的單軸抗壓強度達到1 MPa后，開始安裝樹脂錨桿。錨桿施工順序為逐排由外向迎頭，排內由中間向拱腳。

經過現場反復摸索、試驗，錦豐金礦實現了樹脂錨桿的機械化安裝，降低了工人的勞動強度，提高了錨桿安裝效率，使巷道得到及時、有效支護。樹脂錨桿的安裝由Boomer282臺車完成，具體的安裝程序如下：

(1) 將似香腸狀串在一起的四節樹脂錨固劑依次放入PVC塑料管內；

(2) 把裝有樹脂錨固劑的PVC塑料管放在臺車左臂上，用臺車左臂慢慢把PVC塑料管推入鉆孔內。PVC管前端距孔底10 cm左右時停止推進，打開左臂冷卻水閥門，用高壓水把樹脂錨固劑推送到孔底。

(3) 回退并卸下PVC塑料管，把錨桿桿體連同其附件一起裝在臺車右臂上。

(4) 操作臺車右臂，使錨桿對準孔口且角度一致，打開鑿巖機推進和旋轉手柄，使錨桿桿體旋轉進入鉆孔，錨桿在孔外剩余5～8 cm長時停止推進，繼續旋轉錨桿使孔內樹脂藥卷攪拌均勻后停止轉動，錨桿停止推進后錨固劑攪拌時間控制在10～20 s；從錨桿開始進入鉆孔到攪拌結束，時間不超過40 s；

(5) 等樹脂錨固劑充分凝固后，鑿巖機再次旋轉先擰斷螺母聯接銷，進而擰緊螺母使錨片緊貼噴射混凝土。

3 樹脂錨桿支護應注意的問題

3.1 最佳的樹脂錨桿的“三徑”配合

在使用樹脂錨桿支護時，鉆孔、錨桿、樹脂藥卷直徑“三徑”之間的合理匹配是獲得最大錨固力和最大技術經濟效益的關鍵。澳大利亞、英國等樹脂錨桿支護技術先進的國家對此進行過一些研究，認為鉆孔直徑與無縱筋左旋螺紋鋼直徑相差4～5 mm時的錨固力最大。楊振茂、馬念杰等人的研究結果表明，適當地加大錨桿直徑，不會明顯增加支護成本，而錨桿的破斷強度卻可大幅度提高。而樹脂錨固劑直徑比鉆孔直徑小3～5 mm為宜[4]。

結合當前錦豐公司正在進行的用直徑Φ22 mm樹脂錨桿代替原來直徑Φ25 mm樹脂錨桿的試驗研究，筆者認為，該研究不能光考慮Φ22 mm樹脂錨桿的抗拔力能不能達到設計要求，還應該對這兩種不同直徑的錨桿的破斷力、價格進行綜合對比，同時還要考慮巖體結構及其賦存條件、賦存環境的復雜性、多變性及不確定性。

3.2 錨桿質量

錨桿桿體由螺紋鋼加工而成，錨桿桿體及螺母的材質、桿體尾部絲扣、螺母絲扣的精度、長度和強度應滿足標準要求。否則當錨桿受力時，特別是當巷道圍巖壓力較大時，錨桿容易損壞、失效，從而引發冒頂、片幫等事故。

錨桿托盤是配套用于錨桿支護的重要部件。若托盤外形不符合要求，螺母與托盤會閉合不嚴，造成錨桿扭矩力下降，預緊力降低。若托盤的規格尺寸、材質不符合要求，當巷道圍巖應力增大時，易造成托盤變形，甚至被抽脫，極大降低錨桿的支護功能。

樹脂錨固劑所使用的原材料、外觀、直徑、長度、樹脂膠泥的稠度、固膠比、抗壓強度、凝膠時間、等待安裝時間、熱穩定性等性能指標，對樹脂錨桿的錨固性能影響很大。

為此，錦豐公司建立了嚴格的支護材料與產品質量檢驗與驗收標準，標準詳細規定了產品的形狀、規格、材質及各項性能指標、允許的偏差等。所有的支護材料與產品必須有出廠合格證、質量鑒定文件等。此外，礦山定期進行支護材料與產品的現場抽檢試驗和材料外檢工作，以確保支護材料與產品的質量。

3.3 錨桿安裝質量

錨桿孔太深則錨桿伸不到孔底，孔底錨固劑得不到攪拌，產生不了錨固效果，同時使錨固長度減小，錨固力降低；孔太淺，會使托盤無法安設，無法施加預應力，起不到主動加固圍巖的作用。為此錦豐公司地壓控制程序規定在穿鑿錨桿孔時，必須在鉆桿上作標記，保證鉆孔深度符合設計要求。

錨桿眼內的粉塵和積水若不清洗干凈，相當于在錨固劑配料中加入了粉塵和水，會削弱錨固劑的強度。為此，錦豐公司地壓控制程序規定錨桿安裝前必須用壓風或水把打好的錨桿孔里面的巖粉、積水或其他雜質吹干凈。

樹脂錨固劑有其特定的凝膠時間和等待安裝時間。安裝樹脂錨桿時，樹脂藥卷的攪拌時間太短，樹脂膠泥與固化劑混合不均勻，將大大降低錨固劑與圍巖及錨固劑與金屬桿體之間的粘結力。攪拌時間太長，超過了凝膠時間，影響樹脂膠泥與固化劑之間的化學反應，錨固劑與金屬桿體、圍巖之間的粘結力大為降低；而如果等待安裝時間不到就上托盤擰緊螺母，錨固劑的強度還未得到充分發展，施加的預應力達不到設計值，也會降低樹脂錨桿的錨固性能。為此，錦豐公司有針對性地制定了樹脂錨桿安裝標準作業程序，該程序規定了臺車司機必須嚴格按照規定的樹脂錨固劑的攪拌時間、等待安裝時間來進行樹脂錨桿的安裝作業。

還有一點要注意的是，當圍巖特別松散、破碎時，要適當增加樹脂錨固劑的數量，讓樹脂錨固劑能夠密實地充滿桿體與孔壁之間的環形空間，保證樹脂錨桿有足夠的錨固力。2015年5月，錦豐露天礦南部邊坡發生滑坡，造成地下礦主斜坡道480～500 m RL段噴射混凝土開裂，圍巖嚴重破壞。在修復該段主斜坡道時使用了大量樹脂錨桿，但每個鉆孔中樹脂錨固劑的數量還是4節。過后對這些樹脂錨桿進行抗拔力抽查時發現它們的錨固力只有16～60 kN。后來重新打孔安裝樹脂錨桿，每個鉆孔中裝入8節樹脂錨固劑，抗拔力達到200 kN以上。

4 技術效果與經濟利益

樹脂錨桿與原使用的管縫式錨桿的技術參數比較見表1。

表1 兩種錨桿的技術參數對比

從技術上分析，樹脂錨桿錨固能力是管縫式錨桿的兩倍以上，而且孔徑比管縫式錨桿小，材料的屈服強度、抗拉強度均優于管縫式錨桿，這對于錦豐金礦巷道的頂板管理以及延長重點井巷工程的服務年限有著非常重要的意義。從經濟上分析，樹脂錨桿(包括錨固劑)的價格比管縫式錨桿高24元/套，按井巷支護消耗樹脂錨桿3.8萬套/a計算，錦豐因使用樹脂錨桿每年增加成本約91.2萬元，但每年節約巷道返修費用約150萬元，經濟效益十分可觀。

與管縫式錨桿相比，樹脂錨桿具有支護及時、防腐能力強、錨固力大、對巖體進行主動支護、安全可靠等優點。樹脂錨桿結合濕噴混凝土有效地控制了巷道頂板變形，減少了頂板冒落事故的發生，提高了地下礦山井巷的穩定性，大大減少了巷道的維修工程量，延長了重點工程的使用壽命，為錦豐地下礦的安全、正常生產提供了有利保證。

[1]李龍水.淺談樹脂錨桿支護在井巷掘進應用應注意的問題[J].能源與環境，2014(5):53-56.

[2]Songül co_ar. Application of Rock Mass Classification Systems Forfuture Support Design of the d_m Tunnel Near Alanya[C]//A Thesis Submitted to the graduate School of Naturaland Applied Sciences of Middle East Technical University,September,2004:24-24.

[3]B.H.G.Brady, E.T.Brown. Rock Mechanics for Underground Mining[R]. Third Edition,2004:333.

[4]楊振茂，馬念杰，官山月，等.錨桿鉆孔、桿體、樹脂卷直徑的合理匹配[J].巖石力學與工程學報，2003(4),659-663.

2017-03-15)

章海象(1970-)，男，江西高安人，高級工程師，主要從事礦山巖石力學相關工作，Email：haixiang.zhang@gzjinfenggold.com。