鉆錨一體化新型注漿錨桿實驗研究及應用

張振峰

(1.煤炭科學研究總院開采研究分院，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013)

多年的現場實踐與工程試驗研究表明，以煤巖體地質力學測試為基礎和以錨固注漿為核心的巷道支護成套技術[1，2]，已經成為我國煤礦巷道首選的、安全高效的支護技術。對于破碎圍巖巷道，單純采用簡單錨桿錨索支護，并不能解決問題，破碎圍巖與錨固劑的粘結力小，無法保證錨桿與錨索錨固力，使之力學性能不能充分發揮，在這種條件下，采用注漿加固與錨桿錨索支護相結合的方式是控制巷道圍巖變形的有效途徑[3-12]。

普通高強錨桿雖然其破斷力較大，但是由于圍巖松散破碎，可錨性差，錨桿的預緊力低且不能有效擴散，不能完全發揮錨桿的主動支護作用，也不能有效的控制圍巖的變形，尤其在深部軟弱圍巖條件下，鉆孔塌孔嚴重，普通錨桿無法及時安裝。針對松散破碎巷道圍巖加固問題，目前有兩種常用的方法：一種是通過注漿管向圍巖內注漿，改變圍巖的松散結構，使圍巖形成一個整體，然后再錨固；另一種是使用特殊設計的中空錨桿將錨固與注漿技術結合，在恢復圍巖的完整性、提高其整體強度的同時，又能提供錨固作用。其中第二種方法更符合“主動、及時、高預緊力”的支護理念，許多學者對此展開了一些相關的研究工作[13-15]。王四巍[16]研究了在圍巖嚴重破碎的區域內，中空注漿錨桿與普通全長粘結錨桿的極限拉拔力，通過現場試驗測試得出中空注漿錨桿的拉拔力要遠大于全長粘結錨桿；李術才[17]等針對深部煤礦巷道圍巖大變形、支護構件損壞、錨固力不足等問題，設計了一種新型組合注漿錨桿，該錨桿主要由高強錨桿、高強中空注漿管和連接螺母三部分組成，螺母上有漿液出口，利用樹脂藥卷對錨桿進行錨固，然后再利用中空錨桿部分注漿；盧小剛[18]通過模擬計算研究了漲殼式預應力中空錨桿和普通砂漿錨桿的圍巖的塑性區的分布、圍巖位移的變化和錨桿軸向力的分布。上述學者針對松散破碎圍巖的加固問題，開發或者試驗應用了某種新型錨桿，但通過對比可以發現相應的錨桿的應用范圍依然具有一定的局限性，例如中空注漿錨桿、組合注漿錨桿、漲殼式預應力中空錨桿等，在應對松軟圍巖環境會安裝困難，嚴重制約施工質量和速度；自進式中空注漿錨桿雖然可以實現鉆孔、注漿、錨固的一體化，但其與普通中空注漿錨桿一樣，不能實現預應力錨固。針對松散、破碎的圍巖支護問題，本文開發出了一種新型高強鉆錨一體化注漿錨桿，這種預應力錨桿可以實現鉆孔、錨固、注漿的一體化。

1 鉆錨一體化注漿錨桿

1.1 結構設計

鉆錨一體化注漿錨桿主要由鉆頭、楔體、漲殼、桿體、托盤、螺母等組成。其中桿體為中空高強度的無縫鋼管，鋼管外表面為全螺紋結構，鉆頭安裝在錨桿的頂端，與楔體相連，尾部安裝有一個自鎖結構，用來控制楔體與桿體之間的相對運動，實現正轉鉆孔，反轉預緊錨固的過程。桿體的尾部為左旋的螺紋段，在錨桿尾部依次安裝有螺母、托盤封孔膠塞。螺母與錨桿尾部螺紋段之間設置剪切銷，保證錨桿與鉆機的同步運動，并在反轉預緊過程中被螺母剪斷，進而快速實現錨桿的預緊安裝。其結構設計圖如圖1所示。

1—鉆頭；2—楔體；3—漲殼；4—彈簧卡；5—自鎖結構；6—注漿錨桿桿體；7—封孔膠塞；8—托盤；9—調心球型墊圈；10—桿尾螺母；11—剪切銷；12—逆止閥組件圖1 鉆錨一體化注漿錨桿結構設計

1.2 工作原理

鉆錨一體化注漿錨桿能實現鉆孔、錨固、注漿的一體化作業，尤其是在圍巖破碎區域，能夠快速鉆進及時安裝，而不用擔心鉆孔塌孔問題，然后通過注漿及時恢復圍巖的完整性，實現錨桿的全長預應力錨固，提高支護結構的承載能力，達到控制巷道圍巖變形的目的。鉆錨一體化注漿錨桿的工作原理為：

1)鉆孔。錨桿首先作為鉆桿使用，自鉆錨桿鉆進后，不抽拔出桿體，解決了鉆孔塌陷給施工造成的不利。

2)錨固。在錨桿鉆進完成后，使鉆機反轉，利用漲殼結構實現錨桿的端部機械錨固，同時旋緊螺母完成機械錨固與預緊安裝。

3)注漿。將錨桿尾部與注漿泵相連，對巷道圍巖進行注漿，端部機械錨固錨桿完成預應力全長錨固。

2 鉆錨一體化注漿錨桿實驗研究

2.1 力學性能測試

為了驗證鉆錨一體化注漿錨桿桿體的力學特性，利用伺服電液拉力試驗機對錨桿的桿體和其不同規格螺紋段進行了拉伸試驗。錨桿桿體(空心管)試件，外徑 25.2mm，長度500mm，平行長度 300mm，標距 125mm；滾軋螺紋段試件，外徑 26mm，長度 140mm，平行長度 60mm，標距 60mm。兩種材料孔徑均為 8mm，拉伸試驗結果見表1。

表1 拉伸試驗結果

從表1可知，空心桿體的拉斷載荷分別為285.8kN、286.38kN、286.04kN，其平均值為286.07kN，普通的中空注漿錨桿的拉斷載荷僅為56.7kN，前者約為后者的5倍，同時也要略高于文中提到的高強中空錨桿264kN的拉斷載荷。而錨桿尾部螺紋段的拉斷分別為270.61kN、272.92kN、275.03kN，其平均值為272.85kN，要略低于空心桿體，而錨桿桿體的最大力延伸率平均為10%，空心管體軋制螺紋后，力學性能稍有損失。通過實驗室實測和對比可知，鉆錨注一體化注漿錨桿桿體還有螺紋段都符合高強錨桿的要求，錨桿材料能夠承受較高的拉力，同時桿體的延伸率也較大。

2.2 錨固結構優化

采用有限元軟件ANSYS，模擬錨桿的受力，通過實驗室試驗對比，設計確定最優的漲殼外形。鉆錨一體化中空注漿錨桿構件模型如圖2所示。

圖2 錨桿構件模型

通過實驗室鉆錨拉拔試驗對比，模擬結果與實際情況基本一致，經比較分析，當楔形體角度8°時，既能保證楔形體進入漲片順利，又不會造成楔形體滑脫漲片。錨桿安裝后，初始扭矩300N·m，錨桿軸向受力5t，此時傳遞到桿體扭矩約為120N·m。桿體采用深、淺螺紋軋制，在不影響桿體強度下，深螺紋方便鉆孔排渣。錨固段受力情況模擬結果如圖3所示，漲片上部與楔形體頸部，出現應力集中，漲片是錨固段核心部件，需要硬化加強處理。

圖3 錨固段受力分析

2.3 鉆錨實驗

為了評價其鉆孔的性能及機械錨固可靠性，在實驗室進行鉆錨一體化注漿錨桿的鉆孔和錨固實驗，在內徑100mm、長度1500mm的對開鋼管內注滿水泥，用以模擬圍巖，在錨桿鉆進、錨固完成后，可以將鋼管拆開，來觀察錨固情況。材料的配比為：水泥∶細沙∶水玻璃∶水=5∶150∶4∶40。本次鉆孔試驗分兩組：一組為濕式鉆孔試驗，一組為干式鉆孔試驗(檢驗水壓不足或者供水不暢條件下排渣性能)，每組試驗各3根錨桿，錨桿長度1317mm，鉆頭?30mm。

錨注一體化錨桿的鉆孔實驗結果見表2，當鉆進深度為1150mm時，濕式鉆孔時錨桿的鉆進時間分別為87s、80s和62s，平均為76.3s，而干式鉆孔鉆進時間分別為186s、196s和166s，平均值為182s，后者鉆進時間慢，但錨桿排渣結構工作順暢，濕式鉆孔的鉆進時間更短，效率更高，能滿足快速安裝錨桿的需要。

表2 錨注一體化錨桿的鉆孔試驗結果

在錨桿鉆孔完成后，通過使用液壓扳手來錨固錨桿，然后再用扭矩扳手擰緊螺母來施加預緊力。同時，為了測試漲殼式錨桿的最大錨固力，將采用液壓張拉泵對錨桿進行張拉實驗，錨桿的最大拉拔力以及不同扭矩所對應的錨桿預緊力見表3。由實驗結果可知，3根錨桿的最大拉拔力分別為117.30kN、132.00kN、127.00kN，平均值為125.33kN，接近錨桿桿體屈服強度的50%，當扭矩為300N·m時，3根錨桿的預緊力分別為56.80kN、57.30kN、57.70kN，平均預緊力為57.27kN，在300Nm的預緊力下，3根錨桿的扭矩和預緊力轉換系數基本相近。

表3 鉆錨一體化注漿錨桿錨固試驗結果 kN

3 鉆錨一體化注漿錨桿現場試驗

試驗地點選在潞安集團漳村煤礦東軌道運輸巷(全煤巷道)，采用錨網支護，混凝土噴漿，巷表噴漿層較硬，內部為軟弱煤巖。使用改制的MTY160/320液壓頂(正反轉)、幫錨桿鉆機分別在巷道頂板及兩幫打設新型錨桿，錨桿的安裝過程如圖4所示。

圖4 鉆錨一體化注漿錨桿安裝過程

通過井下的錨桿安裝試驗可知，錨桿排渣順暢、鉆進順利。當封孔膠塞到達孔口處時，停止鉆進，然后使錨桿鉆機反轉，錨桿托盤推動膠塞進入鉆孔，漲殼張開壓緊孔壁，直至螺母剪斷銷釘，帶動托盤壓緊孔壁，機械錨固結束，完成錨桿安裝。機械錨固完成后經扭矩扳手檢測，試驗錨桿的安裝扭矩均大于250N·m，滿足井下高預應力錨固錨桿的預緊要求，同時提高掘進速度30%。

現場采用氣動雙液注漿泵進行注漿，漿液為A、B雙組份(體積比1∶1)化學漿，該漿液具有粘度低、滲透性好、固結強度高的特點，固化速度3min。鉆錨一體化注漿錨桿現場注漿過程如圖5所示。注漿實驗可知，錨桿尾部止漿塞、逆止閥封閉效果較好，可以實現帶壓注漿，基本保證鉆孔內漿液密實，滿足錨桿的全長高預應力錨固要求，通過對比注漿量和鉆孔體積差值可以發現，漿液已經滲透擴散到圍巖內部，這對恢復巷道圍巖的完整性和其自身的承載能力有著重要作用，同時也利于錨桿支護應力場的有效擴散。

圖5 鉆錨注一體化錨桿的注漿過程

4 結 論

1)設計開發了一種新型高強鉆錨一體化注漿錨桿，錨桿桿體的拉斷載荷平均值為286.07kN，桿尾螺紋段的拉斷載荷平均值為272.85kN，桿體的最大力延伸率平均為10%，符合高強錨桿的要求。

2)實驗室開展錨桿結構優化與力學性能測試，確定了錨桿的外形參數，并通過鉆錨試驗驗證了錨桿的可靠性。

3)井下工藝性試驗表明，該錨桿可以滿足高預應力全長錨固的支護要求，使用與之配套的化學注漿材料完成注漿后，可最大程度上發揮鉆錨注一體化錨桿的支護作用。