巷道高預(yù)緊力全長錨固錨桿支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

宮 耀侯俊領(lǐng)袁 琳,3,4杜承航,3,4李垂宇,3,4謝 濤,3,4鄧金山,3,4

(1、淮河能源控股集團(tuán)有限責(zé)任公司煤業(yè)分公司,安徽 淮南232171 2、攀枝花學(xué)院,四川 攀枝花617000 3、四川巖土智測科技有限公司,四川 攀枝花617000 4、四川鈦星工程科技有限責(zé)任公司,四川 攀枝花617000)

1 概述

煤礦巷道支護(hù)中,錨桿預(yù)緊力對深井巷道圍巖錨固效果具有重要作用,只有施加高預(yù)緊力,并實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散,才能真正發(fā)揮錨桿的主動支護(hù)作用,對于控制圍巖的變形具有重要的意義。通過對淮南、淮北、平頂山等二十幾個煤礦巷道錨桿預(yù)緊力現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),錨桿預(yù)緊力普遍小于20KN,主要原因有:(1)煤礦井下錨桿高預(yù)緊力施加困難,施工的錨桿鉆機(jī)扭矩小(120N·m左右)。(2)螺母與托盤之間為平面摩擦,導(dǎo)致螺母扭矩轉(zhuǎn)化效率較低。(3)對螺母施加較高扭矩會對錨桿尾部形成一定損害,錨桿尾部容易發(fā)生破斷,降低了錨桿整體強(qiáng)度。以下為現(xiàn)場測力錨桿實測錨桿軸力分布。

圖1 錨桿軸力分布

建立長10m,寬5m,高5m混泥土臺,中部布置1根直徑22mm長2.5 m錨桿,錨桿分加長錨固和全錨兩種方式,其中加長錨固錨固段1.25 m長,分別施加3噸、6噸、9噸和12噸拉拔力,研究錨桿載荷傳遞情況。如圖2所示加長錨固和全長錨固兩種錨固方式拉拔力在錨固段內(nèi)均成負(fù)指數(shù)衰減趨勢,且全長錨固錨桿拉拔力衰減幅度較大。

圖2 全錨和加長錨固錨桿預(yù)緊力衰減規(guī)律

2 錨桿預(yù)緊力作用

錨桿支護(hù)系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力的有效發(fā)揮是圍巖控制的重要因素。確定合理的錨桿預(yù)緊力并實現(xiàn)有效擴(kuò)散是支護(hù)設(shè)計關(guān)鍵,托板附件及其組合構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)發(fā)揮極其重要的作用。復(fù)雜困難巷道支護(hù)中,高預(yù)緊力作用不可低估,主要體現(xiàn)在兩個方面:一是將錨桿形成承載結(jié)構(gòu)和深部圍巖相連,提高承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,同時充分調(diào)動深部圍巖的承載能力,使更大范圍內(nèi)的巖體共同承載;二是錨桿施加較大預(yù)緊力,給圍巖提供壓應(yīng)力,使支護(hù)形成的壓應(yīng)力區(qū)組合成骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),主動支護(hù)圍巖,保證其完整度,如圖2所示。圖3為采用FLAC3D數(shù)值計算軟件,模擬錨桿施加12t預(yù)緊力后,預(yù)緊力在頂板擴(kuò)散情況,如圖所示在頂板錨固范圍內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力區(qū)。

圖3 高預(yù)緊力擴(kuò)散圖圖

圖4 減摩墊片及其與錨桿裝配圖

將原有的滑動摩擦方式改變?yōu)闈L動摩擦方式,提高扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化效率,研發(fā)了建模墊片,墊片及與錨桿裝配圖5所示。

根據(jù)實驗室及現(xiàn)場使用實測,錨桿螺母扭矩轉(zhuǎn)化率提高1倍以上,采用錨桿預(yù)緊力放大器后大幅降低了工人的勞動強(qiáng)度,減少了錨桿尾部螺紋的損傷。圖5為扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化監(jiān)測工裝,圖6為扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)換規(guī)律曲線。

圖5 扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化監(jiān)測工裝

圖6 扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)換規(guī)律曲線

3 全長先張后錨固工法

目前錨桿支護(hù)技術(shù)成為煤礦巷道首選的、安全高效的主要支護(hù)方式,很多礦區(qū)的錨桿支護(hù)率已超過90%。按照錨固長度將錨桿錨固方式分為三類:第一類,錨固的長度為錨桿全長的1/3稱為端頭錨固(端錨);第二類,錨固的長度超過錨桿全長的90%稱為全長錨固;錨固的長度介于錨桿全長的1/3-90%之間稱為加長錨固。由于受機(jī)具限制,全長錨固錨桿施工工藝復(fù)雜,特別是全長樹脂錨固錨桿施工十分困難。淮南礦業(yè)集團(tuán)進(jìn)行了大量研究,通過調(diào)整錨固劑參數(shù),包括直徑、膠泥稠度、凝膠時間以及錨桿螺帽扭矩等,實現(xiàn)了全長錨固,研發(fā)的新型全長樹脂錨固劑,其膠泥稠度為50-60mm,凝膠時間150～180S,錨固抗拉拔力大于200KN。頂部采用3根Z2860,稠度50mm,錨桿破帽扭矩由90-110Nm提高到130Nm-160Nm,頂部錨桿采用MQT-120風(fēng)動錨桿鉆機(jī)。幫部采用4卷Z2560,稠度60mm,采用MQS-35風(fēng)動錨桿鉆機(jī)。利用新型樹脂錨固劑全部將錨桿桿體與鉆孔孔壁粘結(jié)在一起,當(dāng)巖層發(fā)生離層、錯動時,巖層與桿體共同抗剪切作用,及時抑制圍巖離層與錯動,充分發(fā)揮錨固巖體的自承能力。但是存在全長錨固錨桿預(yù)緊力無法施加的問題。為保證預(yù)緊力在巖層內(nèi)較好擴(kuò)散,將錨桿錨固段分為快速錨固區(qū)和滯后錨固區(qū),如圖7所示,采用超快速和慢速兩種規(guī)格樹脂藥卷,錨桿安裝時錨頭迅速形成快速錨固區(qū)(500mm),錨桿預(yù)緊過程中慢速藥卷不凝膠(大于180s),實現(xiàn)先張拉后錨固,保證預(yù)緊力在錨桿內(nèi)沿程傳遞不衰減。開始施工采用測力錨桿檢測兩個指標(biāo):(1)測力錨桿沿程所有測點預(yù)緊力F相等且達(dá)到設(shè)計值。(2)測力錨桿沿程所有測點彎矩M=0。如果符合按既定的機(jī)具和材料繼續(xù)施工,若不符合要重新調(diào)整機(jī)具、優(yōu)化托盤大小、調(diào)配錨固劑等錨固參數(shù)。

圖7 錨固段分區(qū)示意圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

在潘三17102(3)軌道順槽支護(hù)設(shè)計中應(yīng)用,應(yīng)用預(yù)緊力放大裝置及后錨固技術(shù)等成果,實現(xiàn)了高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低密度為技術(shù)特點的“三高一低”支護(hù),經(jīng)濟(jì)效益、社會效益顯著,試驗巷道綜合單進(jìn)提高10%以上,支護(hù)成本降低20%左右。高預(yù)緊力全長錨固錨桿實現(xiàn)了深井強(qiáng)支護(hù),錨桿剛度大,工阻大,控制圍巖能力顯著增加。

5 結(jié)論

本文采現(xiàn)場實測和理論分析綜合研究方法,開展了巷道高預(yù)緊力全長錨固錨桿支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究,得出以下成果:

5.1 通過實驗室試驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測綜合研究方法,得出了全長錨固、加長錨固不同錨固方式錨桿軸力特征以及錨桿預(yù)緊力對圍巖主動控制作用。

5.2 發(fā)明了預(yù)緊力放大裝置,將原有錨桿螺母與托盤間的滑動摩擦方式改變?yōu)闈L動摩擦方式,在機(jī)具不變情況下錨桿預(yù)緊力提高一倍左右;通過對傳統(tǒng)扭矩倍增器結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提高了錨桿預(yù)緊力施加的可靠性、安全性和便捷性。

5.3 創(chuàng)建了全長先張后錨固技術(shù)工法,給出全長錨固錨桿施加高預(yù)緊力新途徑,首次定義了全長先張后錨固技術(shù)兩個錨固參數(shù)合理性判據(jù):測力錨桿沿程所有測點預(yù)緊力F相等且達(dá)到設(shè)計值。測力錨桿沿程所有測點彎矩M=0。