會理鉛鋅礦錨桿支護工藝優化

向陽春，郭豫寧 ，黃聰

(1.四川會理鉛鋅股份有限公司， 四川 會理市 615100；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

會理鉛鋅礦具有上百年的開采歷史，經過多年開采，保有資源日漸減少，目前以殘采為主回收遺留資源。回采過程中，地壓活動頻現，巷道移動變形顯著，支護結構屢遭破壞。錨桿支護是會理鉛鋅礦常用的一種支護方式，但錨桿間距不合理、錨桿失效等問題導致支護效果不達標，對礦井的安全高效生產造成影響。

多年來，國內外實踐經驗表明，錨桿支護是經濟、有效的支護技術。與棚式支架支護相比，錨桿支護顯著提高了巷道支護的效果，降低了支護的成本，減輕了工人的勞動強度。錨桿支護是礦井實現高產高效必不可少的關鍵技術。錨桿支護優化主要是對增加錨桿強度、增加錨桿預緊力、錨桿與注漿等技術進行優化。

相關技術人員在現場開展了大量調研工作，綜合應用理論分析和現場試驗的方法，對錨桿質量進行檢驗，分析影響錨桿強度的因素，提出增加錨桿拉拔力的工藝優化。

1 工程背景

會理鉛鋅礦礦床主要產于 Zbd2-3硅質白云巖中，該巖層構造裂隙發育。礦山巖體分為3個工程地質巖組：輝綠巖、白云巖、礦體。經巖體質量評價，白云巖為III級巖體，輝綠巖與礦體為IⅤ級巖體。

由于巖體條件、使用年限不同，會理鉛鋅礦巷道采用的支護方式也各不相同，其中斜坡道、沿脈巷道的支護方式普遍為錨網支護，但由于錨桿支護效果不佳，巷道斷面收縮，發生較大移動變形的情況時有發生。

2 錨桿抗拔力試驗

為了了解會理鉛鋅礦錨桿支護的實際情況，通過錨桿抗拔力試驗，檢驗了礦山錨桿支護效果，分析了影響錨桿支護質量的因素，并對現有的錨桿支護工藝進行了合理優化。

2.1 試驗方案設計

根據礦山巖體分布狀態、地質構造與圍巖蝕變等情況，結合其巖石的物理力學指標，將礦體及圍巖按其建造和改造特性及組合規律進行分組，每一巖組都能反映其特有的工程地質特性，每個巖組可由一種巖石組成，也可由幾種巖石組成。經現場調查，將礦山巖體劃分為3個工程地質巖組：輝綠巖、白云巖、礦體。據此，在3個不同的工程地質巖組各選取1條巷道，分別設置3個測點對其進行編號，進行錨桿抗拔力試驗。

根據現場實際情況選用YCW60B200穿心式千斤頂。

管縫式錨桿是一種全長錨固、主動加固圍巖的新型錨桿，其立體部分是1根縱向開縫的高強度鋼管，當安裝比管徑稍小的鉆孔時，可立即在全長范圍內對孔壁施加徑向壓力和阻止圍巖下滑的摩擦力，加上錨桿托盤托板的承托力，從而使圍巖處于三向受力狀態，并實現巖層穩固。參照錨桿選型的基本原則，結合礦山目前采用的支護材料，并考慮到工人使用方便、操作熟練等方面，最終選定管縫式錨桿為試驗錨桿,管縫式錨桿主要性能見表1。

2.2 試驗流程

錨桿張拉前對所要張拉的錨桿進行編號，并準備好用于記錄的表格及錨桿的相關數據，包括錨桿長度、孔徑、施工日期等，并嚴格按照如下步驟進行測試。

千斤頂安裝：確定好張拉錨桿后，先在千斤頂底部放置一反力鋼板，并防止錨桿張拉時應力集中對噴砼面的破壞；安裝好反力板后，將千斤頂安裝在錨桿上，并用油管將千斤頂及油泵連接，壓動油泵將千斤頂活塞伸出約5 cm的行程；在錨桿頭部用Φ25 mm鋼筋頭與錨桿焊接，使錨頭大于千斤頂穿心孔徑。焊接時要保證鋼筋頭與千斤頂接觸部位在同一高度，防止千斤頂受力不均；焊接牢固，保證60 kN的張拉力不會破壞焊口，防止在張拉過程中鋼筋頭崩開。

錨桿拉拔：錨桿試驗荷載按照設計荷載的 1.1倍進行，拉拔分級加載，前三級按荷載值的20%增加，后面按10%增加。每級觀測時間5 min，達到試驗荷載后觀測10 min，然后卸載至初始加載值（荷載值的 20%）。張拉至每級后用鋼尺測量錨頭位移量，每級測量3次，并做好記錄。

千斤頂拆卸：拆卸液壓千斤頂之前，應使液壓回路泄壓。按順序拆卸，一般先放掉千斤頂兩腔的油液，然后拆卸缸蓋，最后拆卸活塞與活塞桿。拆卸時應防止損傷活塞桿頂端螺紋、油口螺紋和活塞桿表面、缸套內壁等。

張拉完成后，匯總整理現場錨桿抗拔力測試數據，整理成果報表。錨桿抗拔力試驗現場測試流程如圖1所示。

圖1 錨桿抗拔力試驗現場

2.3 試驗結果及分析

本次試驗儀器采用YL-BPI型錨桿拉拔儀，試驗對象為MF43/1600與MF43/1800型管縫式錨桿，

對鉛鋅礦體、輝綠巖及白云巖內的管縫式錨桿分別進行了錨桿拉拔力檢測試驗，試驗結果見表2。

表2 管縫式錨桿主要性能

由表2可知，本次檢測的9根錨桿中，達到設計強度23.4 kN的錨桿只有G8為合格錨桿，其余8根錨桿均未達到設計強度，其中第一組平均抗拔力為設計強度的44%，第二組平均抗拔力為設計強度的32%，第三組平均抗拔力為設計強度的91%，第一組和第二組因采用直徑42 mm的鉆頭（一字形），鉆孔過大，拉拔力小，錨桿抗拉力未達到設計要求，均屬于不合格錨桿，總體錨桿拉拔力檢測的合格率僅有11.1%。錨桿支護效果差，處于失效狀態，不能滿足礦井安全生產的要求。

表2 管縫式錨桿拉拔力測試結果

3 支護工藝優化

3.1 支護工藝優化的相關措施

分析試驗結果可知，錨桿的拉拔力達不到預期的使用要求，針對目前原巖區域的巖層情況，依據錨桿支護理論及現場施工經驗，對試驗方案進行如下改進措施。

（1）針對原巖區域的巖層情況，采用合適的鉆頭以及1.8 m長錨桿，以提高錨桿抗拉力。巖層強度較高的地段，較完整的白云巖采用直徑40 mm標準鉆頭。巖層強度低的地段，礦體和輝綠巖采用直徑38 mm標準鉆頭。

（2）將現有的一字形鉆頭全部更換為梅花形，以起到穩定鉆桿的作用。

（3）因礦體、輝綠巖完整性較差，巷道圍巖塑性區大多超過1.5 m，而MF43/1600型管縫式錨桿長度有限，無法完全穿透塑性區，導致錨桿失效，推薦采用長度1.8 m的MF43/1800型管縫式錨桿。

（4）按照相關安全規程及規范施工。管縫式錨桿鉆孔前，應檢查鉆頭規格，確保孔徑符合設計要求。向鉆孔內推入錨桿桿體可使用風動鑿巖機和專用連接器，錨桿桿體被推進過程中應使鑿巖機錨桿桿體和鉆孔中心線在同一軸線上。

3.2 工藝優化后的檢測結果及分析

在試驗巷道附近選取情況相近的測點，使用工藝優化，再進行改進后的錨桿抗拔力對比試驗，改進后的管縫式錨桿拉拔力測試結果見表3。

表3 改進后的管縫式錨桿拉拔力測試結果

由表3可知，經過管縫式錨桿支護工藝優化后，錨桿的抗拔力顯著增強。重新測試的9根錨桿中，除G11錨桿外，其余8根檢測錨桿均達到了設計強度。其中位于礦體內的第一組錨桿平均抗拔力達到設計強度的 100%，是改進之前錨桿抗拔力的 2.27倍。位于輝綠巖中的第二組錨桿平均抗拔力達到設計所需強度的104%，是改進之前錨桿抗拔力的3.26倍。第三組采用直徑40.5 mm的鉆頭（梅花形），鉆孔較合適，拉拔力皆大于 23.4 kN，錨桿抗拉力達到設計要求，第三組錨桿平均抗拔力達到設計強度的112%。

實施工藝優化后的錨桿拉拔力檢測合格率達到88.8%。對比前后兩次的錨桿抗拔力試驗可以發現：在實施工藝優化后，在工程地質情況幾乎相同的測試點，檢測所得錨桿抗拔力顯著提高，錨桿拉拔力檢測的合格率比改進之前提高了77.7%。礦體與輝綠巖中的錨桿抗拔力提升尤為明顯，是優化之前的2～3倍。

通過對會理鉛鋅礦管縫式錨桿支護工藝的優化，大大提升了錨桿的支護效果，使得錨桿能夠滿足礦井正常安全生產的要求。

4 結論

本文針對會理鉛鋅礦生產中段礦體、圍巖內錨桿進行了抗拔力檢測，并對錨桿施工工藝進行了改進，得到以下結論。

（1）錨桿抗拔力試驗表明優化支護工藝前，大部分管縫式錨桿抗拔力未達到設計強度，處于失效狀態。

（2）針對不同圍巖條件選用適當尺寸的鉆頭可以大幅提高管縫式錨桿的支護效果。例如較為完整的白云巖，宜采用直徑40 mm標準鉆頭，巖體強度較低的礦體和輝綠巖宜采用直徑38 mm標準鉆頭。

（3）梅花形鉆頭打鉆時穩定性較好，能有效遏制擴孔現象的發生，可以較大幅度地提高錨桿抗拔力。

（4）巷道圍巖塑性區超過1.5 m的位置，推薦采用長度1.8 m的MF43/1800型管縫式錨桿。