邵德盛，楊張杰，聶建偉，楊永剛，趙 磊

(安徽省煤炭科學(xué)研究院，安徽 合肥 230001)

在我國，錨索支護(hù)已經(jīng)取代U型鋼支架成為煤礦巷道的第三代支護(hù)技術(shù)并被普遍采用，這主要是因?yàn)殄^索支護(hù)可以提供各種地質(zhì)、采礦條件下巷道支護(hù)設(shè)計(jì)所需要的支護(hù)強(qiáng)度和圍巖變形控制技術(shù)，這種支護(hù)強(qiáng)度和控制技術(shù)是以前其他各種支護(hù)方法所無法達(dá)到的[1-5]。

當(dāng)前，隨著礦井的不斷延深，地質(zhì)條件與采礦條件較淺部發(fā)生較大變化，錨索支護(hù)技術(shù)暴露出越來越多的問題，如：深井高地壓錨索支護(hù)巷道的變形難以有效控制，巷道垮落及巷道支護(hù)事故不斷增多，錨索布置密度已增加到不能再增加的程度，鋼絞線的直徑已經(jīng)增大到22～28mm。錨索支護(hù)的實(shí)際情況也表明，現(xiàn)有的錨索支護(hù)技術(shù)已經(jīng)不能滿足煤礦深部高地壓巷道的支護(hù)要求，急需提出技術(shù)改進(jìn)對策來與其相適應(yīng)，從而保證深井高地壓巷道的安全高效支護(hù)[6-13]。

1 傳統(tǒng)錨索支護(hù)現(xiàn)狀及存在問題

現(xiàn)在煤礦傳統(tǒng)錨索技術(shù)現(xiàn)狀是錨索的錨固結(jié)構(gòu)無法提供與鋼絞線破斷力相匹配的錨固力，或無法提供巷道支護(hù)所需要的錨固力；錨固介質(zhì)也無法提供深井巷道支護(hù)所需要的錨索錨固性能[14]。存在問題主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

1.1 錨索載荷遠(yuǎn)低于其額定工作載荷

對淮南礦區(qū)潘三、新莊孜、張集、顧橋、顧北、潘一、潘二共7對礦井的34條煤巷不同規(guī)格錨索載荷進(jìn)行實(shí)測統(tǒng)計(jì)，見表1。

通過對錨索載荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出以下結(jié)果：

(1)錨索平均載荷120kN左右，遠(yuǎn)低于其理論破斷力，特別是對于φ22mm錨索，錨索的實(shí)際測量載荷僅為其理論破斷力的21%。

(2)隨著所使用的鋼絞線直徑加大，錨索的最大平均載荷增加，但最小平均載荷卻沒有增加，或基本保持不變。

(3)錨索的平均載荷沒有與鋼絞線的直徑成正比，即沒有隨著鋼絞線直徑的增加而增加，即盡管鋼絞線直徑增加，但錨索的平均載荷卻基本上保持不變。

通過對以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析得出以下結(jié)論：

(1)煤礦巷道支護(hù)中錨索的實(shí)際支護(hù)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度。

(2)錨索高承載能力的支護(hù)性能遠(yuǎn)沒有得到利用和發(fā)揮。

(3)一味通過增大鋼絞線直徑來提高巷道支護(hù)強(qiáng)度，或提高巷道支護(hù)的安全性，并不能取得明顯的實(shí)際效果。

1.2 拉力集中型錨索的固有缺陷

拉力集中型錨索錨固的破壞過程：錨固段外端最先達(dá)到最大剪應(yīng)力并發(fā)生剪切破壞；錨索粘結(jié)剪應(yīng)力峰值及整個粘結(jié)剪應(yīng)力分布向孔底方向移動，錨索的錨固長度保持不變，錨索錨固力保持不變，直到其到達(dá)孔底；錨固段外端最大粘結(jié)剪應(yīng)力不斷降低，錨索的錨固長度不斷縮短，錨索的錨固力逐漸降低直至錨固破壞。

錨索錨固力大小取決于錨固介質(zhì)的粘結(jié)強(qiáng)度、錨索粘結(jié)剪應(yīng)力分布及錨固長度等。采用拉力集中型錨固結(jié)構(gòu)，由于現(xiàn)用的樹脂錨固劑的粘結(jié)強(qiáng)度較低，錨索粘結(jié)剪應(yīng)力峰值集中度高，錨索有效錨固長度短等，這些錨固性能本身決定了這種錨固結(jié)構(gòu)在較低的錨固力水平下就會發(fā)生破壞。在需要提供較高支護(hù)強(qiáng)度的深井巷道支護(hù)中，采用拉力集中型錨索進(jìn)行支護(hù)，顯然是不適當(dāng)?shù)?；而?yīng)該重新研究和選擇適合于煤礦巷道支護(hù)需要的具有較高錨固力的錨索。

1.3 錨索外錨結(jié)構(gòu)與高強(qiáng)度鋼絞線不匹配

目前，煤礦在采用組合錨索支護(hù)巷道時，多數(shù)采用槽鋼梁作為錨索的組合梁。盡管槽鋼梁的使用型號有增大的趨勢，但計(jì)算表明，煤礦巷道支護(hù)中使用的槽鋼梁的抗彎強(qiáng)度一般僅為10～20kN。這與錨索的錨固強(qiáng)度不匹配。錨索承載，甚至在安裝時預(yù)緊張拉，槽鋼梁也會屈服，進(jìn)而發(fā)生彎曲。錨索梁彎曲，錨索載荷上不去，錨索的高支護(hù)強(qiáng)度性能得不到利用和發(fā)揮。當(dāng)錨索的實(shí)際支護(hù)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度時，頂板壓力必然通過圍巖的嚴(yán)重變形與破壞無限制地釋放；而圍巖的變形與破壞將會使錨索的外錨功能進(jìn)一步降低，從而形成惡性循環(huán)?？梢?，即使錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)沒有破壞，但巷道照樣可能會發(fā)生嚴(yán)重的變形破壞；即使增加錨索支護(hù)密度，加大錨索鋼絞線直徑，如果錨索梁的強(qiáng)度和剛度不提高，并不能提高錨索支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)能力。巷道支護(hù)中常常出現(xiàn)這樣的情況，即錨索工作狀況看上去完好，但巷道頂板卻發(fā)生整體沉降，或發(fā)生嚴(yán)重變形破碎，特別是在圍巖比較松軟破碎的巷道，情況更是如此，有的甚至出現(xiàn)巷道大面積垮塌。

2 錨索錨固結(jié)構(gòu)與錨固技術(shù)改進(jìn)

現(xiàn)在的錨索支護(hù)技術(shù)即錨索的布置、錨索的支護(hù)參數(shù)、錨索的組合結(jié)構(gòu)、錨索的安裝機(jī)具等，不能滿足深井巷道圍巖控制與支護(hù)的技術(shù)要求。因此，需要就錨索的錨固結(jié)構(gòu)、錨固工藝、組合結(jié)構(gòu)等進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)[15-16]。

2.1 孔壁注漿錨索

目前我國煤礦大量使用的小孔徑樹脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索存在錨固劑深部無法充分?jǐn)嚢琛㈠^固長度受巷高限制等問題，從而導(dǎo)致錨固性能與錨固力的不確定性。

為了解決現(xiàn)有煤礦錨索錨固技術(shù)中存在的問題，國內(nèi)近年來研制出了中空注漿錨索，雖然在一定程度上克服了現(xiàn)有錨索的上述缺點(diǎn)，但也存在索體破斷力低、注漿孔易堵塞、成本高等缺點(diǎn)。

孔壁注漿錨索可以避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷，其桿體仍采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，通過合理設(shè)置注漿孔對鋼絞線與孔壁之間的環(huán)狀間隔進(jìn)行注漿，保證注漿通道暢通，以便能夠壓注較高粘度、較低水灰比的砂漿，漿液析水率低，結(jié)石體強(qiáng)度較高，注漿堵塞可能性低，可以提高錨索的錨固強(qiáng)度，并降低錨索制造成本。

孔壁注漿錨索由鋼絞線與錨索注漿墊板、孔口管、密封圈組成。錨索注漿墊板上鉆錨索孔，用以安裝鋼絞線。同時，錨索注漿墊板上還鉆有注漿孔，注漿孔為一直角彎孔，其一端與錨索孔墊板中間的錨索孔相連通，另一端安裝注漿管，對錨索孔進(jìn)行注漿?？卓诠芘c錨索墊板焊接在一起?？卓诠苌宪囉袦喜?，可以安裝密封圈，用以封堵孔壁間隙，阻止注漿液從孔口管與孔壁之間的間隙泄漏。錨索墊板上的鋼絞線安裝孔車有臺階，里面安裝有特制的鋼絞線密封圈，用以堵塞鋼絞線與墊板錨索孔之間的漿液泄漏。

孔壁注漿錨索試樣見圖1。

圖1 孔壁注漿錨索試樣

孔壁注漿錨索采用樹脂錨固劑與水泥漿液混合錨固，安裝工藝如下：

(1)安裝時，先向孔內(nèi)推送錨固劑，用鋼絞線將錨固劑推至孔底，攪拌錨固劑，實(shí)現(xiàn)錨索的部分長度錨固。

(2)安裝錨索注漿墊板及錨具，對錨索進(jìn)行預(yù)緊張拉。

(3)樹脂錨固劑錨固后，將注漿管擰入錨索注漿墊板上的注漿孔，對錨索進(jìn)行孔壁注漿，實(shí)現(xiàn)錨索的水泥漿液錨固。

孔壁注漿錨索是在現(xiàn)有的錨索安裝技術(shù)及安裝工藝基本不變的情況下，在錨索完成部分長度的樹脂錨固以后，通過安裝兼有封孔、注漿、墊板三重功用的錨索注漿墊板，實(shí)現(xiàn)通過錨索孔注漿的錨索全長錨固。與已有技術(shù)相比，孔壁注漿錨索具有以下創(chuàng)新性和先進(jìn)性：

(1)通過采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為錨索桿體，保留了煤礦巷道支護(hù)錨索的優(yōu)良的機(jī)械性能和錨固性能，提高了錨索的支護(hù)強(qiáng)度和破斷力。

(2)采用孔壁注漿錨索，錨索的錨固深度和錨固長度不受限制；可有效提高錨索的錨固強(qiáng)度。

(3)錨索的錨固介質(zhì)的粘結(jié)性能及錨索的錨固質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

(4)通過錨索孔內(nèi)鋼絞線與孔壁之間的環(huán)狀通道進(jìn)行注漿，注漿通道暢通，提高錨索的注漿效率。

(5)孔壁注漿錨索制造成本較低。

2.2脹殼式機(jī)械錨固錨索

目前煤礦井巷支護(hù)中采用的樹脂錨固錨索存在如下問題：一是錨固劑安裝困難，有的錨固劑不能全部順利地到達(dá)錨固位置，造成錨索部分失錨；二是受到巷高限制，錨索的錨固長度受到限制，進(jìn)而限制了錨索錨固力的提高；三是錨固劑包裝袋不能全部攪拌碎，影響和降低錨索粘結(jié)力。

脹殼式錨索屬于端頭式機(jī)械錨固錨索，可以避免樹脂錨固錨索在實(shí)際使用中所遇到的上述問題。脹殼式錨索由鋼絞線、錨頭、鋼絲套、錐形壓套、錐形瓣殼、彈簧卡等構(gòu)成。鋼絲套套裝在鋼絞線上，在鋼絲套外面安裝錐形壓套。錐形壓套通過相應(yīng)模具的高壓碾壓，將錐形壓套通過鋼絲套與鋼絞線緊密地咬合在一起。脹殼式機(jī)械錨固錨索結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 脹殼式機(jī)械錨固錨索結(jié)構(gòu)示意

脹殼式機(jī)械錨索的工作原理：利用錨索錨頭上的彈簧卡將錨固結(jié)構(gòu)固定在鉆孔底部，采用端頭固定錨技術(shù)在錨索端頭固定帶有倒錐的錨頭——錐形壓套。當(dāng)張拉設(shè)備張拉鋼絞線時，錐形瓣殼與錐形壓套產(chǎn)生相互錯動。由于其錐度方向相反，錐形瓣殼在倒錐形的錐形壓套的擴(kuò)張下被撐開，并產(chǎn)生形變脹擴(kuò)，與孔壁緊緊擠壓。瓣殼與孔壁的緊密擠壓所產(chǎn)生的摩擦力和擠壓力使錨索錨固。

脹殼式機(jī)械錨固錨索的安裝工藝如下：

(1)在地面裝配好錨索。

(2)將裝有錨固頭的一端向上，將錨索直接推送到鉆孔底部。

(3)裝上墊板和錨具，利用張拉設(shè)備張拉鋼絞線，直至其到達(dá)設(shè)計(jì)預(yù)緊力。

2.3 錨索組合箱形梁及其聯(lián)接

單體錨索的外錨結(jié)構(gòu)主要是指錨索的托板和錨具等，組合錨索的外錨結(jié)構(gòu)則包括鋼梁或鋼帶、托板、錨具等。通過組合錨索對頂板形成整體式、組合式支護(hù)，可以較好地保證錨索錨固力得以有效發(fā)揮和利用。

采用箱形梁結(jié)構(gòu)作為錨索的組合梁，可以大幅度提高錨索組合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。為此，將現(xiàn)在的槽鋼梁改為箱形梁。箱形梁可用7號π型鋼梁與扁鋼組合焊接而成，也可采用其他型鋼焊接組合而成。這種箱形梁，如果采用間距為1m的三點(diǎn)式加壓試驗(yàn)，其抗彎強(qiáng)度可達(dá)到100kN左右，比普通槽鋼梁的抗彎強(qiáng)度提高5～10倍。目前組合錨索的結(jié)構(gòu)主要是槽鋼梁與錨索組成錨索桁架：一梁二索或一梁三索。這在工程力學(xué)分析上可以稱之為兩跨梁結(jié)構(gòu)。如果假設(shè)巷道頂板壓力是均勻地作用于錨索梁上，則這種組合錨索結(jié)構(gòu)可以簡化為承受均布載荷的兩跨梁。

錨索箱形組合梁結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 錨索箱形組合梁結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)計(jì)算，當(dāng)采用兩跨錨索梁即一梁三索支護(hù)時，各錨索的承載是不均勻的，最大承載是最小承載的2倍以上。而隨著錨索梁的加長，即采用一梁四索或一梁五索時，各錨索的承載逐漸趨于均勻。因此，在巷道支護(hù)中，按照錨索等載荷強(qiáng)度設(shè)計(jì)，顯然是不正確的，也是無法實(shí)現(xiàn)的。在組合錨索設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量采用一梁四索以上的錨索梁，或者可以形成錨索梁的縱向連續(xù)聯(lián)接，這樣可使各錨索的載荷趨于平均。為此，將上述的箱形梁研究設(shè)計(jì)為可以連續(xù)接長的箱形長梁。每兩根梁之間可以采用絞接結(jié)構(gòu)，以增加錨索梁支護(hù)的剛性，提高錨索承載的均衡性，同時，減輕錨索梁的安裝重量，便于安裝操作。

3 結(jié)束語

通過對錨索錨固機(jī)理、錨固結(jié)構(gòu)及錨固工藝等進(jìn)行基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)研究，提出了以孔壁注漿錨索技術(shù)為核心的煤礦深部高地壓巷道錨索支護(hù)技術(shù)改進(jìn)對策，包括：孔壁注漿錨索及其錨固技術(shù)；脹殼式端頭機(jī)械錨固錨索及其安裝技術(shù)；鉸接箱形梁組合錨索支護(hù)技術(shù)。

采用脹殼式端頭機(jī)械錨索及與其配套的孔壁注漿錨固技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)錨索的全長錨固，提高錨索內(nèi)錨固的可靠性和錨索的內(nèi)錨力；采用箱形梁錨索組合結(jié)構(gòu)，可提高錨索支護(hù)外錨結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和整體性，能有效地將巷道圍巖表面壓力絕大部分轉(zhuǎn)移到圍巖深部。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)圍巖地質(zhì)條件與巷道支護(hù)難易程度，將上述3種技術(shù)對策優(yōu)化組合使用，在保證巷道支護(hù)安全的前提下降低巷道支護(hù)成本。綜上，采用煤礦深部高地壓巷道錨索支護(hù)技術(shù)改進(jìn)對策可基本解決目前煤礦深部巷道的支護(hù)難題，將有效提升我國煤礦巷道錨索支護(hù)技術(shù)水平。