Flowcable 全長錨固技術的試驗研究

王君宇

（霍州煤電集團河津騰暉煤業有限責任公司調度室，山西 霍州 031412）

1 工程概況

霍州煤電集團河津騰暉煤業2#煤底板以粗砂巖、泥巖為主，具有膨脹性，巷道開掘后底鼓嚴重，有效斷面較小，井下巷道運輸轉載環節多，不適宜引入掘錨機等大型設備，多采用錨桿鉆機（煤電鉆）人工操作安裝錨桿（索），使用樹脂藥卷對錨桿（索）進行端頭或加長錨固。礦井已經進入600 m 水平，軟巖巷道支護形勢更加嚴峻。對于端錨（加長錨）錨桿，在使用中未錨固部分容易與桿體脫離，進而引發圍巖淺部離層，圍巖一旦離層，錨桿支護即迅速失效，巷道變形加劇。對于全長錨固的錨桿，錨固劑可將錨桿桿體與鉆孔孔壁黏結在一起，使錨桿隨著巖層移動承受拉力，當巖層發生錯動時，與桿體共同起抗剪作用，阻止巖層發生滑動。

該礦從2015 年開始探索注漿加固技術，但未能達到預期效果：一是漿液往往采用單一的水泥漿，不但強度較低，而且水泥硬化后具有一定的收縮性，使得看似注漿豐滿的圍巖體在漿液徹底硬化后會出現充填不實的現象，影響注漿效果；二是傳統的注漿工藝煩瑣，屬于二次加強支護，需要重新打眼和安裝注漿錨桿，增加生產成本和勞動強度并影響掘進效率。為了實現對錨桿和錨索的全長錨固，加強巷道弱面關鍵部位的支護強度，提高錨桿（索）支護系統整體支護效果，通過改進傳統注漿工藝，采用了基于水泥基的Flowcable 材料，設計并試驗應用了一種全長錨固技術。

2 方案設計與試驗

2.1 注漿材料及裝備

Flowcable 是一種多種特殊成分復配而成的用于水泥基灌漿材料的粉狀添加劑，以設定的比例添加，可減少拌和水的用量，產生可流動的、可泵送的、不泌水的，同時又具有收縮補償性和觸變性的灌漿材料。

（1）材料特點：① 收縮補償性，錨固效果佳，無收縮；② 觸變性，漿液不會流出孔洞外；③ 流動性好，適合很深的孔或管道灌漿；④ 微結構密實性，防止水侵蝕，保護鋼筋或錨桿；⑤ 早期、后期強度高；⑥ 可操作時間長，有足夠的時間使漿液流入復雜的孔內。

（2）技術指標表（見表1）

表1 材料技術指標表

圖1 測試結果圖

（3）制漿和注漿設備

制漿和注漿設備為一體式設備，采用氣動馬達，供氣壓力0.4～0.5 MPa。制漿設備是強制式攪拌機，每次可制漿15 L，注漿設備為螺桿泵。

技術參數如下：

最大出口壓力：2 MPa；泵送速度：≤15 L/min；最遠泵送距離：水平20 m，垂直15 m；馬達減速比：螺桿泵15:1，攪拌機20:1；設備外形尺寸：長×寬×高=1400 mm×620 mm×1120 mm。

2.2 方案設計

在110206 工作面皮帶巷進行了Flowcable 全長錨固技術試驗。110206 工作面皮帶巷原設計為錨網索噴聯合支護方式，巷道凈寬5.4 m，凈高3.4 m，圓弧拱形斷面。采用18 mm×2100 mm 圓鋼端頭錨桿支護巷幫，充填2 節MSK35/35 樹脂藥卷，孔徑43 mm；錨索采用Φ17.8 mm 鋼絞線，孔徑28 mm，每排布置5 根，其中頂板3 根（7.3 m 長），充填5節MSK23/70 樹脂藥卷，上幫2 根（5.4 m 長），充填4 節MSK23/70 樹脂藥卷。

任意選取一段巷道兩幫錨桿、錨索進行試驗。其中對幫錨桿采取先錨后注的方式，具體做法是：當班每掘進一個循環，按照正規作業流程進行幫部錨網支護，將樹脂藥卷數量由原設計兩節縮減至一節，提高了支護進度，對巷幫起到臨時支護效果，待完成錨桿支護即進入下一循環掘進作業，滯后工作面迎頭一定距離再實施注漿；錨索采取先注后錨形式，即鉆孔后先注Flowcable 漿液，再將錨索插入孔中，以漿液取代樹脂藥卷達到錨索全錨目的。

2.3 試驗過程

試驗前對錨桿鋼護板及鐵托板孔口進行加工，在原設計基礎上把孔口由圓形加工成對口環形，即在托盤中心孔向一個方向外擴，長度30～40 mm，以便于注漿管插入。

（1）錨桿：先錨后注

先將錨桿和細小排氣軟管通過20#鉛絲分段綁扎好，排氣管距離錨桿里端頭預留一節藥卷錨固距離，在煤電鉆打眼后先裝入1 節藥卷實施端頭錨固，然后把特制的鋼護板和鐵托板按照孔口對應的方式進行配套安裝，接著上緊螺母，在螺母一側預留出足夠空間以利于注漿鋼管順利插入。注漿時，通過外擴的孔口插入注漿管（進入鉆孔200 mm 即可），孔口用棉紗或專用鍥子封堵完好，料漿通過注漿管注入已安裝錨桿的孔中，由外往里灌漿。灌漿過程中，孔內空氣通過排氣軟管排出，直到水泥漿從排氣管口溢出，說明孔內已灌滿，完成該孔的灌漿。

（2）錨索：先注后錨

用錨桿鉆機鉆孔至設計深度，插入注漿管至孔底進行注漿，通過預先計算控制注漿至2/3 孔深后再將錨索插入孔中，以漿液替代樹脂藥卷實現錨索全長錨固，然后再安裝錨索件。

2.4 效果檢驗

110206 工作面皮帶巷采用由Q235 鋼材加工而成的中8 mm×2100 mm 圓鋼端頭錨桿，其屈服強度為240 MPa（屈服載荷61 kN），抗拉強度為380 MPa（拉斷載荷96.7 kN）。從表2 數據可知，注漿完成3 d 后對幫錨桿進行隨機抽檢，拉拔力平均55 kN（達到桿體材質屈服強度的90%），7 d 后平均65 kN（超出桿體材質屈服強度6%），15 d后平均73 kN（達到桿體材質拉斷載荷的75%），均大于原設計端頭錨固的平均抗拔力50 kN。注漿完成2 d 后對錨索張緊力進行檢測，張緊力可達到200 kN，與原設計5 節樹脂藥卷錨固力一致。隨著 Flowcable、水泥混合漿液硬化強度逐步發展，預計28 d 后錨桿（索）的錨固力將會達到峰值，能夠大大補強支護效果，控制巷道變形。

表2 錨桿荷載檢測結果表

3 結語

（1）Flowcable 全長錨固技術能夠實現軟巖巷道對錨桿（索）全長錨固的要求。當圍巖破碎時，灌漿不僅會灌滿錨桿（索）孔，部分漿液還會滲透到孔四周裂隙中，改善圍巖結構，提高圍巖整體穩定性，進而大大提高錨桿、錨索的支護效果，最大限度地避免工程返修。

（2）支護成本顯著下降，不必投入專用注漿錨桿，Flowcable 材料價格也相對低廉。就幫部錨桿計算：單孔用量不足1 kg，可以取代1 節35/35 樹脂藥卷；就頂部錨索計算：單孔用量不足4 kg，可以取代5 節23/70 樹脂藥卷；就幫部錨索計算：單孔用量約3 kg，可以取代4 節23/70 樹脂藥卷。綜合計算后，110206 工作面皮帶巷采用Flowcable 材料配合P.O42.5 水泥漿液作為錨固劑的生產成本延米單價較原樹脂錨固設計成本減少50%。按照巷道設計長度2700 m 計算，全部采用注漿支護預計節省材料成本10 萬元左右。

（3）Flowcable 全長錨固技術滿足了當前安全高效的要求。采用Flowcable 材料，自行設計加工托板，改進傳統注漿工藝，在已形成的錨桿支護體系中直接注漿，不再另外打眼。該技術操作方便快捷，保障了單進水平，為實現軟巖巷道錨桿全長錨固提供了一種新思路。