適用于圍巖大變形的螺紋鋼錨桿設計及工程實踐

韓 軍，王 鑫，馬雙文，張 明，CAO Chen,，REN Ting

(1. 遼寧工程技術大學 礦業學院，遼寧 阜新 123000；2. 遼寧省煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心，遼寧 阜新 123000；3. 澳大利亞伍倫貢大學 土木、采礦與環境學院，新南威爾士 伍倫貢 2522)

隨著淺埋深能源儲量的枯竭，深部地下開采已成為國家能源安全及經濟可持續發展的關鍵。目前國內地下煤炭主采層深度為地下600～800 m，最大開采煤層為地下1 500 m[1-2]。隨著開采煤層向深部發展，地下煤礦巷道圍巖地應力增加，造成巷道圍巖軟化及大變形，甚至誘發冒頂、沖擊地壓等多種井下災害，嚴重威脅工程安全和資源有效開采。

錨桿支護由于巖層控制效果好、成本低等特點已在我國地下煤礦巷道支護大規模應用，是目前巷道圍巖主要的巖石控制手段。據統計，我國煤礦地下巷道每年安裝螺紋鋼錨桿超過1.7億根[1]，是人員和設備安全及整個采礦作業的最終保障。

進入深部開采后，針對高地應力、強采動擾動、巷道圍巖大變形、圍巖軟化破碎等情況，國內外學者研發了多種錨網支護技術和支護材料。在基礎理論研究領域，LI[3-4]提出，在高地應力條件下，應提高錨桿的承載能力，適應圍巖大的變形，在支護結構破壞前盡量吸收較多能量。在支護材料方面，研發了可加長錨桿[5-6]、讓壓錨桿[7]等新深部巷道支護材料；康紅普院士團隊[8]強調在高地應力和深部巷道圍巖大變形支護中，使用高強錨桿、錨索、拱形棚、高強度鋼網和高預緊力；何滿潮院士團隊[9-10]研發了軟巖巷道和復雜地質條件的支護新材料恒阻大變形錨桿，極大地提高了錨固系統的吸能能力。在巷道支護設計方面，多種支護元素聯合支護與耦合技術取得了長足進展，例如錨索/錨桿優化布置加全長注漿加高預緊力的方案[11]及軟巖巷道全斷面可縮性支護方案[12]等。新支護材料的引入也為巷道支護工程提供了更豐富的手段，例如使用泡沫混凝土回填、可伸縮U型鋼棚架、預應力錨索等控制深部軟巖巷道底臌[13],以及采用加長錨桿+剛性螺紋鋼錨桿+噴射混凝土支護圍巖大變形巷道，并在高地應力區域允許圍巖有一定的初始變形[14]。

上述研究為深部巷道新的地質條件下錨桿支護提供了新理論、新材料、新技術等。然而，作為錨網支護最基本的支護元素，即螺紋鋼錨桿本身，鮮有針對深部資源開采巷道圍巖大變形進行優化。錨固力學載荷傳遞基礎理論顯示，螺紋鋼的螺紋是錨桿與周圍介質載荷傳遞的承擔者，它與周圍介質的相互作用是錨固性能的關鍵[15-16]，所以，針對深部巷道圍巖大變形條件下螺紋優化設計具有重要研究意義；而且，螺紋設計優化不增加支護成本，不改變支護設備及工藝，是易推廣、易見成效的技術革新。

針對深部地下煤礦巷道圍巖大變形工礦條件，本項研究回顧螺紋的設計的發展，理論分析螺紋幾何參數在錨固系統中的作用，基于錨固力學的載荷傳遞機理，設計開發適用于圍巖大變形的螺紋鋼錨桿，并進一步通過實驗室實驗和工礦現場試驗進行效果檢驗。

1 螺紋研究現狀

錨桿在礦業大規模應用始于20世紀90年代。目前，國內地下煤礦回采巷道基本使用3種錨桿，如圖1所示。頂板錨桿多采用φ22 mm左旋螺紋鋼錨桿，煤柱幫采用φ17～20 mm右旋螺紋鋼錨桿，部分煤礦在采煤幫采用玻璃鋼錨桿避免火花。

圖1 我國煤礦常用錨桿

螺紋鋼錨桿的錨固力來自于它的螺紋，沒有螺紋的圓鋼幾乎沒有軸向承載能力。研究證明[16-18]，不同螺紋的錨桿其載荷傳遞能力不同，即螺紋不同錨固性能不同。影響錨固性能的重要螺紋參數包括肋寬w、肋高h、半徑r、肋坡角α、間距L、剪漲滑移破壞時螺紋承載角i及肋在桿體的螺旋上升角(圖2)。

圖2 螺紋重要幾何參數

目前礦用螺紋鋼錨桿的螺紋參數是從土木行業鋼筋螺紋參數引入的。混凝土行業鋼筋螺紋幾何的研究有超過百年的歷史[19]。20世紀40年代文獻[20-22]成為ASTM制定當時鋼混結構中鋼筋螺紋標準的主要依據。20世紀80年代螺紋參數研究趨于完成[23-24]。進入20世紀90年代后，雖然鋼筋螺紋優化研究仍有一些不錯的進展，例如文獻[25-27]，但混凝土行業鋼筋螺紋幾何優化已基本趨向完善。經過1個多世紀的發展，目前混凝土用φ20 mm鋼筋的螺紋幾何參數基本為肋間距約12 mm、肋高1～2 mm、肋坡角45°～70°。該幾何參數亦是目前國內外多個國家和地區建筑用鋼筋螺紋幾何的行業標準，包括美國的ASTM、英聯邦的BS和我國的GB標準。

20世紀90年代,錨桿開始在地下巷道廣泛應用，最初，礦用錨桿就是土木行業的鋼筋。由于錨桿安裝過程中需要攪拌藥卷錨固劑，為了使頂錨桿和幫錨桿都能攪拌均勻，逐漸演化出左旋錨桿和右旋錨桿，并為錨固劑流淌順暢去掉了鋼筋的縱筋；但是，這些變革與載荷傳遞并沒有直接關系，即影響錨固性能的螺紋幾何參數并未改變。

地下巷道錨桿與地面混凝土結構鋼筋在支護要求、應用環境、破壞方式等多個方面存在很大差異。首先，混凝土結構一般只允許彈性變形，而錨桿錨固體塑性變形是常態，甚至部分失效也是允許的；其次，地面土木結構沒有地應力，而地下錨固體受地應力的作用，地應力既影響圍巖變形又影響錨桿產生的錨固應力；最后，地面鋼混結構在鋼筋受軸力時破壞方式一般為混凝土劈裂，而錨桿安裝在的圍巖內，其受軸力的破壞方式只能為拔出破壞。表1總結混凝土鋼筋與礦用錨桿各種差異及對系統載荷傳遞的影響。

表1 地面混凝土鋼筋與井下錨桿差異對比

由于2種支護元素存在多方面差異，因此，歷經百年優化的鋼筋螺紋參數，并不是地下礦用錨桿螺紋的優化設計。例如，地面土木結構一般要求變形量不超過彈性范圍且附加安全系數，因此螺紋設計中重點考慮錨固力峰值；而深部巷道圍巖大變形條件下，錨固段塑性形變不可避免，因此增加錨桿錨固段殘余強度、提高錨固段吸能能力比增加錨固力峰值更重要。

由于錨桿大規模應用較晚，針對礦用錨桿的螺紋優化研究不多。早期較為重要的研究包括澳大利亞學者FABJANCZYK和TARRANT在1992年的試驗研究[28]，通過不同肋高錨桿試樣的拉拔試驗，認為錨固力與鉆孔直徑、錨桿直徑、肋幾何以及錨固劑力學參數有關，也是“三徑”的早期研究。

肋間距優化是錨桿螺紋優化研究的重點。1996年BLUMEL開啟了錨桿肋間距優化研究[29]，通過錨桿拉拔試驗，得到了加大肋間距可以提高錨桿載荷傳遞能力的結論。進入2000年后，AZIZ等[30-31]通過75 mm和115 mm錨固段長度拉拔試驗，發現當錨桿的肋間距為37.5 mm時錨固效果最佳。國內方面，林健等[32-33]通過11,22,33和44 mm肋間距錨桿拉拔試驗，認為肋間距為33 mm時錨固性能最佳；吳濤[34]、趙象卓[35]等分別對左旋和右旋2種國內常用錨桿不同肋間距(12,24,36和48 mm)的拉拔力和吸能能力進行試驗研究，得到肋間距為24 mm時吸能效果最佳。

上述實驗室拉拔試驗結果顯示，提高錨桿螺紋肋間距可以增強錨固段載荷傳遞能力及錨固段吸能能力。但是，上述研究也存在不足，首先是基礎理論研究不足；另外，各試驗研究的結果也不一致。基于載荷傳遞機理，通過破壞方式與破壞過程分析，研發適用于深部開采圍巖大變形條件下的螺紋鋼錨桿是本研究的目標。

2 螺紋鋼錨桿錨固機理

2.1 載荷傳遞機理

錨固結構體由錨桿、錨固劑、圍巖、錨桿-錨固劑交界面以及錨固劑-圍巖交界面5個元素組成。各元素之間通過相互作用，即載荷傳遞，將載荷從不穩定的元素轉移到穩定元素，最終形成穩定錨固結構體，是錨桿支護的目的[36-37]。

錨桿系統內載荷傳遞的能力，即承載能力，決定該錨桿的錨固效果。錨桿的承載能力一般以錨固段應力、應變(或位移)曲線衡量，錨桿錨固性能是錨固力峰值、殘余強度、錨固段吸能能力的綜合表現。綜合近年錨固性能要素研究方面的科研成果，可以認為影響錨桿錨固性能的關鍵要素為錨桿螺紋幾何、三徑、錨固劑和圍巖強度等。例如，康紅普等[38]認為影響錨固力的因素包括錨桿直徑、錨桿外形、錨固劑的力學性能以及圍巖的強度和完整性；AZIZ等[39]報道了影響錨固性能的因素包括鉆孔直徑、錨固劑環厚度、安裝時間、手套效應和超拌(攪拌時間>凝膠時間)等。

2.2 破壞方式、破壞過程分析方法

錨固失效是錨固結構體一個或多個元素破壞失效。錨桿受軸力條件下，錨固結構體5個元素中2個交界面是較為脆弱的部分。錨桿-錨固劑交界面比錨固劑-圍巖交界面面積小，如果2個交界面抗剪強度近似，則錨桿-錨固劑交界面更易發生破壞；圍巖較軟易破碎，則錨固劑-圍巖交界面容易發生破壞。

錨固破壞失效的破壞方式分析和破壞過程分析方法是載荷傳遞機理分析的主要手段。該方法在20世紀70年代被土木界用于鋼混結構承載的本構研究[40]，20世紀90年代被加拿大學者[41]引入到礦用錨索本構關系研究，認為錨索錨固破壞是由于錨固劑環切向應力大于材料抗拉強度，并建立了相應力學模型“黏結強度模型(BSM)”

2.3 錨桿-錨固劑交界面破壞方式

在針對螺紋鋼錨桿載荷傳遞和錨固破壞研究中，CAO等[16,42]通過試驗觀測與理論分析，認為錨桿-錨固劑交界面主要存在2種破壞模式，即平行剪切破壞和剪漲滑移破壞(圖3，其中，R為錨桿外徑，l為嵌入錨固劑長度)。平行剪切破壞是最大肋高組成的圓柱面產生直剪破壞；而剪漲滑移破壞則是錨桿橫肋壓壞部分錨固劑組成一個錐形頭，并在軸力作用下撐漲周圍介質的軸向滑移。

圖3 平行剪切破壞和剪漲滑移破壞[42]

2種破壞同時發生時，螺紋幾何產生的錨固力峰值最大，錨固段抗破壞效果最好。針對莫爾-庫侖材料，可以推導出單個肋間距錨固段最大錨固力峰值的螺紋幾何參數[42]滿足：

(1)

(2)

其中，參數L，h，r為錨桿外形參數，mm，如圖2所示；φ和c為錨固劑內摩擦角和黏聚力；p為作用于錨桿表面的平均法向應力。可以看到，螺紋參數的優化與錨固劑強度、地應力相關；而剪漲滑移的殘余強度還與圍巖強度有關。

2.4 錐形體剪漲滑移的阻力

式(1)，(2)給出了單位錨固段針對錨固力峰值的最佳螺紋幾何參數表達式。圍巖變形使錨固力超出峰值后，錨固段進入殘余強度階段。在圍巖變形量大情況下，提高錨固力殘余強度是有效的巖層控制手段。

對平行直剪破壞方式，錨固段殘余強度即為破壞圓柱面的殘余抗剪強度，表達為柱面平均法向應力與滑動摩擦因數的乘積，而圓柱面平均法向應力與地應力有關。對剪漲滑移破壞，在錨固力達到峰值后，錨桿螺紋連同殘留錨固劑(圖2深色三角部分)形成錐體，在軸力作用下擠壓和摩擦周邊介質產生的阻力即是錨固段殘余強度，因此，研究錐形頭在巖土介質中的阻力是分析錨固段殘余強度的關鍵。

錐形結構在巖土介質中滑移是巖土力學和錨固力學一個重要研究內容。GAUDREAU等[43]在BRUNSWICK礦山進行了錐形錨桿現場試驗，并將錐形結構的載荷-位移曲線分為彈性階段、屈服點和塑性階段。KILIC等[44]試驗研究圓錐幾何參數對錨固效果的影響，發現錨固強度取決于周邊介質的抗剪強度和抗壓強度。CAI等[45]通過試驗研究錐形結構阻力，設計開發了適用于巖爆礦山支護的錐形錨桿，也是工程實踐中肋間距最大的錨桿。恒阻大變形錨桿的恒阻器也是錐形結構在鋼套筒中擴張-滑移產生恒定阻力[9]。LIANG等[46]采用解析與數值計算方法，開發了錐形結構受軸力的力學模型。在動載條件下，ST-PIERRE等[47]基于錐形錨桿錨固體落錘試驗，采用集中質量方法，建立了一個錐形錨桿動載力學模型。

綜合考慮上述研究成果，錐形結構剪漲滑移阻力可分為2部分：一是滑移面摩擦力；二是錐形結構撐漲周邊介質的阻力，2者疊加即為一個錨桿螺紋剪漲滑移破壞條件下的錨固力殘余強度，如圖4所示。

圖4 錐形結構剪漲滑移阻力[46]

與平行剪切破壞相比，剪漲滑移破壞后的殘余錨固力強度除摩擦阻力外，還有錐形頭擴張周邊介質的阻力；后者造成周邊介質變形，介質變形產生的應力與初始地應力進行疊加，進一步提高了錐形頭的摩擦阻力。因此，一般情況下剪漲滑移破壞的錨固力殘余強度大于平行直剪破壞。因此，通過控制錨固段破壞方式的方法，對礦用錨桿螺紋進行優化設計，增加錨固力殘余強度,提高錨固段在整個破壞過程中的吸能能力，是針對深部資源開采巷道圍巖大變形錨桿螺紋優化研究的理論依據與分析手段。

3 螺紋幾何參數對錨固性能的影響

3.1 桿體直徑

錨桿半徑是桿體承載能力參數，目前礦用錨桿一般為φ18～22 mm。在桿體直徑優化方面，如果桿體屈服強度大于錨固力峰值，進一步提高桿體直徑并不能有效提升錨固效果，且增高了材料成本(錨桿按質量計價)及勞動強度。因此，只有在錨桿桿體破斷較多的礦井，才有必要考慮提高桿體直徑。

3.2 螺紋上升角

目前在混凝土行業GB標準和礦用錨桿行業標準中，規定螺紋在錨桿桿體的上升角不大于45°，但ASTM和BS中沒有明確規定。有上升角的錨桿軸向承載后，會產生一個使桿體旋轉的扭矩，上升角不同則扭矩的大小不同；但錨桿的軸向轉動剛度非常大，不同上升角產生的軸向扭矩對錨桿軸向應力狀態的影響可以忽略不計。因此，理論上螺紋上升角對錨桿軸向承載沒有影響。

螺紋上升角在錨桿安裝過程中有非常重要的作用。巷道錨桿安裝一般使用樹脂藥卷錨固劑，左旋錨桿在攪拌錨固劑時螺紋逆著錨固劑流淌方向，防止阻礙錨固劑流速過快造成深部錨桿段錨固劑不足。右旋錨桿則相反，其螺紋加速錨固劑流淌，適用于安裝阻力大情況，例如煤幫支護的水平鉆孔等。

螺紋上升角不同也會造成錨桿機的安裝阻力、轉速、扭矩、進速等不同，但其大小和方向只在錨桿安裝過程中發揮作用，一旦錨固劑順利流淌并充滿整個鉆孔，上升角不再影響后續錨固體的載荷傳遞及錨固效果。

3.3 肋寬

錨固力由螺紋承載，因此，螺紋肋寬應與其最大承載量相匹配。為保障螺紋的承載能力，煤炭科學研究院設計了大螺紋寬度的錨桿，降低螺紋承載時的應力集中。但是，增加肋寬的同時也降低了螺紋滑移的位移量，因此，螺紋寬度優化應綜合考慮其承載能力和錨固段的總吸能。

3.4 肋坡角

螺紋的肋坡角是螺紋幾何優化研究的重要內容。20世紀70年代前，學術界普遍認為螺紋肋坡角的法向即為鋼筋對周圍介質作用的最大主應力方向。20世紀70年代鋼混黏聚力基礎理論研究取得了突破性進展[40,48]，認識到螺紋幾何的肋坡角(圖2中α)并非承載角，而包含臨近介質在內的錐形角(圖2，3中i)才是螺紋的承載角，其法向方向是周圍介質最大主應力方向逐漸成為學術界共識。

承載角后續研究[42,44,46]發現，在螺紋肋坡角較小情況下，其角度變化對錨固性能依然有一定影響。綜合相關研究，可以認為：在肋坡角較大情況下，例如>45°，錨固破壞首先是周圍介質的壓破壞，然后螺紋與殘留介質組合生成一個較小的承載角，并參與后續錨固力峰后階段的力學行為；在肋坡角較小情況下，例如<30°，由于鋼-樹脂黏結強度小于樹脂本身的抗剪強度，因此螺紋與周邊介質的破壞面就是鋼-樹脂交界面，此時的螺紋肋坡角等于后續剪漲滑移的承載角。

目前，鋼筋及礦用錨桿行業標準都規定肋坡角>45°，實踐中鋼筋和錨桿螺紋肋坡角都>70°，所以，錨桿螺紋肋坡角不是錨固段峰后階段的承載角。在錨桿螺紋幾何優化中，肋間距與肋高需要相互匹配，在肋高2 mm時，15°肋坡角的肋寬已經>15 mm，因此，螺紋優化中無法選取非常小的肋坡角設計。

3.5 肋高

在固定肋間距條件下，早期錨桿肋高研究[28]結果顯示一定程度增加肋高可提升錨固力。后續研究[16,42]提出了肋高與肋間距匹配的原則。在平行直剪破壞條件下，增加肋高不改變錨固段的破壞方式，錨固力提升僅是破壞圓柱面半徑增加造成的；在剪漲滑移破壞方式下，增大肋高能提高周圍介質的徑向位移量，可以明顯提高錨固段的殘余強度。因此，在肋高和肋間距匹配情況下，增加肋高可以提高錨固段的吸能能力。

增加肋高會對錨固工藝產生影響，錨桿直徑不變情況下，增加肋高需增加鉆孔直徑，錨固劑用量及錨桿機的安裝阻力需相應增加。目前，鋼混結構國標及礦用錨桿行業標準規定螺紋鋼肋高為1～2 mm。

3.6 肋間距

錨桿螺紋肋間距優化是螺紋幾何的重點研究內容，國內外學者采用實驗室拉拔試驗方法對肋間距進行參數優化研究，但優化結果并不一致，文獻[29-35]試驗研究得到的最佳肋間距分別是54.8,37.5,33.0,48.0和24.0 mm。后續研究發現[49]，實驗室拉拔試樣不同，則錨固力也不同。上述各個肋間距研究結果的差異，是由于研究者使用的錨桿、錨固劑、套筒、三徑等不同造成的。

實驗室拉拔試樣使用的套筒是對現場圍巖的模擬，因此在實驗室拉拔試驗中應選用與現場圍巖徑向剛度相同的套筒，以增加試驗結果的可靠性。對于工礦現場來說，由于各工礦現場地質條件差異較大，而錨固力與地應力、圍巖條件、圍巖力學屬性等相關，即使選用相同錨桿、錨固劑和三徑，錨固力也不同。因此，并不存在一個適合所有礦井的最佳肋間距，而只有某個特點地質條件下的最佳肋間距。

增加螺紋肋間距可以增加錨固段殘余強度及系統吸能能力。在肋間距12 mm情況下，橫肋產生錨固力的最大位移量是12 mm，增大肋間距可以增加殘余錨固力的位移量。值得注意的是，理論上，2個相鄰橫肋之間是沒有錨固力的，因此，肋間距優化應綜合考慮承載點的密集程度與峰后殘余強度持續的位移量，前者控制圍巖的初始變形，后者控制圍巖的持續變形。

4 巷道圍巖大變形錨桿螺紋設計

基于前期研究成果，考慮螺紋幾何對錨固性能的影響，采用增加錨固段殘余強度的方法，本項研究開發出一種適合深部資源開采巷道圍巖大變形條件的螺紋鋼錨桿，如圖5所示，螺紋參數見表2。

表2 圍巖大變形錨桿外形參數

圖5 圍巖大變形錨桿示意

桿體直徑設計為20 mm，與目前礦用錨桿類似。在錨桿桿體破斷較多的礦井應選用更大直徑錨桿或其他支護措施。由于在拉拔試驗中未觀測到橫肋破壞的現象，故新錨桿肋寬設計為1.5 mm，與左旋錨桿類似。新錨桿肋坡角設計為60°，符合目前礦用錨桿螺紋參數標準，且由于破壞方式為剪漲滑移，該角度大小不影響錨固段的殘余強度。為增加錨固段峰后殘余強度的大小，螺紋肋高設計為2 mm，是目前礦用錨桿螺紋設計行業標準的最大值。

圍巖大變形錨桿的關鍵特征是肋間距50 mm，與肋間距12 mm錨桿相比，顯著增加了殘余錨固力的位移量。大肋間距錨桿的錨固性能在多項研究中得到了驗證[29-35]，是極為可靠的設計。具體數字50 mm并無特殊意義，即與40～60 mm具有相同意義，只是由于前期肋間距研究范圍都是12～50 mm。進一步明顯增大肋間距，例如100 mm以上，理論上，可以進一步增加錨固段的吸能能力，但是，橫肋減少導致整根錨桿產生錨固力的節點變少，對早期圍巖控制及離層控制不利。在離層區域，采用全長錨固并增密錨桿應力點，是離層控制的有效手段，故50 mm肋間距是提高錨固段吸能能力與兼顧離層控制的折中設計。

與12 mm螺紋鋼錨桿相比，新設計錨桿橫肋數量較少，在錨桿安裝過程中錨固劑流速變快，因此，新錨桿螺紋設計為左旋，使螺紋在錨固劑攪拌過程中阻礙錨固劑流淌；且在橫肋重疊區域設計了1個10 mm的開口，進一步降低錨固劑流速。該開口設計并不改變錨桿的錨固性能，僅為配合目前國內常用錨桿機及錨固劑。新設計錨桿配套錨固劑為細料石粉填充劑樹脂藥卷錨固劑，錨固方式為全長錨固；在使用粗料填充劑的礦井應進行現場測試確定新錨桿的安裝設備和工藝。

新設計錨桿對制造材料無要求，可使用礦井常用500或600號鋼材，也可由高延展鋼、或高吸能鋼制造。新錨桿也可以與其他錨桿技術并行使用，例如加長錨桿、可伸長錨桿等；新錨桿也不影響聯合支護設計，例如錨網與注漿、棚架等聯合支護。

5 圍巖大變形錨桿測試

為研究圍巖大變形錨桿的承載能力，對圍巖大變形錨桿和常規左旋螺紋鋼錨桿做了對比測試，左旋錨桿螺紋參數見表3。

表3 左旋錨桿外形參數

錨固試樣的錨固劑采用礦用樹脂錨固劑(CKa2335)。針對典型深部軟巖回采巷道，巷道頂板彈性模量設為20.0 GP，泊松比0.20的砂巖，平均水平地應力設為16 MPa，計算得到該地質條件的錨固段徑向剛度與鋁套筒類似；故選用內徑為32 mm(模擬鉆孔直徑)和壁厚5.8 mm的6061鋁管制作套筒，盡量保證錨固試樣在錨桿受軸力作用下的徑向形變與在該類頂板中一致。測試結果如圖6(a)所示。

同時，在錢家營煤礦2822工作面回風巷頂板進行了現場拉拔試驗。該工作面埋深約700 m，地應力σ1，σ2和σ3分別為32.2,19.3和16.7 MPa。巷道主要支護形式為錨桿(索)網支護，但由于巷道收斂量較大，又采用了U型棚作為2次補強支護。鉆孔平均直徑31.8 mm，試驗錨桿錨固長度200 mm。試驗結果如圖6(b)所示。

實驗室和現場數據分析可知，圍巖大變形錨桿拉拔力平均峰值分別為113.0 kN和118.0 kN，比左旋錨桿提高了13%和16%。從能量吸收的角度看，新錨桿在實驗室和現場的平均吸能為3 169 J和3 351 J，較左旋錨桿提高了15%和55%。結果表明，在試驗條件下，圍巖大變形錨桿的錨固性能優于礦用的左旋錨桿。

6 圍巖大變形錨桿支護工業試驗

6.1 現場概況

新設計錨桿錨固性能現場測試地點選取在開灤(集團)有限責任公司錢家營礦業分公司(簡稱錢家營礦，下同)。近年礦井年產量約6.0 Mt，第1生產水平為-600 m水平，第2生產水平為-850 m水平，均屬復合結構中厚煤層。地應力測試結果顯示，錢家營地應力是以水平應力為主導，-850 m水平最大主應力36.04～36.85 MPa，高于其他煤礦區一般水平。平均主應力與垂直應力比值為1.61～1.68，最大主應力與最小主應力比值1.93～2.64，即最大水平主應力與最小水平主應力相差較大，最大主應力方位129°。

回采巷道采用金屬拱型支架支護或錨桿支護，錨桿支護采用錨網、鋼帶、錨索聯合支護，錨桿包括φ20 mm右旋錨桿和21.7 mm左旋錨桿，間排距700～1 000 mm，補強支護使用φ17.8 mm錨索，長度8 000 mm，錨桿(索)預緊力無具體要求，支護參數如圖7所示。

圖7 錨桿支護參數示意

隨著開采深度的不斷增加，錢家營礦巷道支護帶來諸多難題。棚架支護在巷道掘進較短時間即可能出現U型鋼棚子大變形，在井下變形量大的位置測得兩幫收斂量達1.7 m，頂底板移近量為0.7 m；錨桿支護出現部分錨桿破斷失效情況，補強支護與巷道返修工作量日益增大，嚴重影響安全生產和經濟效益，亟需針對圍巖大變形的支護新材料、新技術。

6.2 支護方案

選取錢家營煤礦2173回風巷進行井工試驗，為類似地質條件回采巷道錨桿支護方案優化提供現場應用依據。試驗巷道分3段，試驗段1采用錢家營礦原有的端頭錨固支護方式作為對照試驗段；試驗段2使用原有錨桿但采用全長錨固方式，錨固劑型號換用MSZ2850中速錨固劑；試驗段3使用新型錨桿全長錨固支護，錨固劑為MSZ2850中速錨固劑。主要測試全長錨固方式及新型錨桿與原支護方案的差異，其他支護材料例如鋼網、錨索、托盤、及間排距等參數,包括錨桿安裝設備及操作工藝等與原支護相同。

試驗檢測量包括巷道兩幫及頂底板收斂量(十字交叉方法)、錨桿破斷或失效(現場統計)頂板離層及錨桿內力檢測，測試時段從掘進工作面推進50 m至回采工作面超前支護抵達，約7個月，監測方案布置如圖8所示。

圖8 監測斷面位置示意

6.3 工業試驗結果

通過十字交叉測得3個監測斷面的最大兩幫收斂量和頂底板移近量見表4。結果顯示，錢家營現有錨桿將端頭錨固方式更改為全長錨固方式可以減少巷道變形，采用新型錨桿全長錨固方式后則可明顯降低巷道圍巖變形量。

表4 巷道變形監測結果

現場統計獲得錨桿破斷或失效數據見表5，結果顯示新錨桿全長錨固可減少錨桿破斷失效。

表5 試驗巷道錨桿(索)失效統計

頂板下沉量如圖9所示，整體下沉量變化大小依次為：試驗巷道1>試驗巷道2>試驗巷道3，且試驗巷道1距頂板1.5 m處出現離層。因此，全錨錨固方式更有利于對頂板離層的控制，且圍巖大變形錨桿支護方式頂板下沉量最小，進一步說明圍巖大變形錨桿相對現有的錨桿支護方式效果較好。

圖9 頂板下沉量變化曲線

頂板和巷幫錨桿受力如圖10所示，頂錨桿受力受采動影響較明顯，而巷幫無明顯規律。從頂板錨桿受力曲線可以看出，試驗巷道1,2受力無明顯區別，都表現出較大的承載力，而試驗巷道3受力依然處于錨桿的彈性階段，具有較好的持久支護能力。

圖10 頂板和巷幫錨桿受力變化曲線

通過對比3種錨桿支護方案的巷道變形、錨桿破斷、頂板離層和錨桿內力，綜合分析，可以得出圍巖大變形錨桿支護更有利于深部巷道圍巖的控制這一結論。

7 結 論

(1)通過分析螺紋各參數對錨固性能的影響，明確了錨桿肋間距對提升錨桿錨固性能有重要作用；通過提高錨桿肋間距可控制錨固段發生剪漲滑移破壞，進而提高系統殘余強度和吸能能力，并以此為依據，設計了一種適用于巷道圍巖大變形的新型大肋間距錨桿。

(2)通過在實驗室使用鋁套筒模擬現場頂板圍巖條件開展拉拔測試，結果表明，新型大肋間距錨桿錨固力可達113 kN，吸能能力為3169 J，較傳統左旋錨桿分別提高了13%和15%；現場頂板拉拔測試表明，新型大肋間距錨桿錨固力為118 kN，吸能能力為3 351 J，較傳統左旋錨桿分別提高了16%和55%。

(3)現場深部回采巷道支護工程應用表明，與傳統礦用常規支護方式相比，使用全長錨固新型大肋間距錨桿支護有效減少了錨桿(索)破斷失效現象；頂底板和兩幫表面變形量減小了33.3%和29.1%；錨桿受力也依然處于彈性階段，具有強的承載性能。