锚注支护技术(矿用).doc

锚注支护技术煤矿巷道中的应用济南澳科矿山工程技术有限公司2009年3月29日1.概述目前，随着采矿规模的日益增大，开采深度也越来越大，因此，巷道围岩的压力也越来越大，尤其受采动影响的巷道、软弱岩层和破碎带，巷道位于不稳定岩体中，围岩弱面发育，使得围岩强度和稳定性差，这就给巷道围岩控制和巷道支护及维护带来了非常大的困难。在一些特殊地点往往采用常规的锚杆/锚索进行支护，其效果不尽人意。最近几年发展起来的锚注技术在矿山和岩土工程中得到广泛应用，工程实效也很显著，尤其在软弱岩层支护中发挥了很大的作用。锚注支护实质上是将锚固支护技术和注浆加固技术的结合，利用中空的锚杆/锚索兼做注浆管，在保证全长锚固的前提下，利用注浆材料改变围岩的性质，提高围岩的强度和自承能力，保持巷道的稳定。锚注支护技术主要包括四个方面：锚注理论、注浆材料、锚注锚杆/锚索、施工工艺和设备。1.1 注浆理论注浆理论是借助流体力学、固体力学等理论发展起来的，通过对浆液的流动形式进行实验、模拟分析，建立注浆压力、扩散半径、注浆量、注浆时间之间的关系。实践证明，浆液在地层中的流动复杂多变，浆液性能注浆压力随着地层变化而变化。目前得到公认的注浆理论主要有以下三种理论（1）渗透注浆理论渗透注浆是不破坏地层构造的压力下，把浆液注入到粒状岩土的孔隙内，从而达胶结岩体的目的。国内外学者对渗透注浆进行了广泛的研究，先后提出了球面理论、柱形扩散理论等。国内采用注浆加固十分重视浆液的扩散性。（2) 压密注浆理论压密注浆是利用极稠的浆液(坍落度25mm)，通过钻孔挤向破碎围岩，在注浆处形成球形浆包，浆液扩散靠对周围破碎围岩的压缩。浆液取代注浆范围内的破碎围岩，并不向破碎围岩扩散和渗透，在注浆邻近区存在塑性变形带，较远处破碎围岩发生弹性变形，达到破碎围岩压密、压实的目的。（3） 辟裂注浆理论劈裂注浆是在钻孔内液体施加压力于地层，当液体压力超过岩体辟裂压力，或超过渗透注浆和压密注浆的极限压力，岩体在裂缝处发生尖端效应，产生次级裂缝，进浆量突然增加，并在钻孔附近形成网状浆脉，通过挤压和浆体骨架作用加固岩体。这些成果具有较好的理论指导意义，但在定量应用上受到较大限制。由于注浆介质的复杂性和工程的隐蔽性，注浆理论研究难以开展，其研究水平不仅严重滞后于注浆工程实践和注浆材料的发展要求，而且滞后于一般工程技术研究的发展水平。1.2 注浆材料 注浆材料是锚注支护术中一个不可分割的组成部分，浆液性能是决定注浆加固效果的关键因素之一，浆液的消耗又影响到工程成本，因此国内外都致力于研究新型注浆材料。目前注浆材料品种已达上百种，性能各不相同，只能根据注浆工程的要求和目的选择不同性能的注浆材料。 目前，针对以限制变形为目的的巷道围岩注浆加固材料研究的较少，同时井下巷道多是临时性或半永久性工程，成本受到限制，因此对巷道围岩注浆加固材料有特殊的要求。一般只考虑采用价格低廉的水泥类材料，并通过添加剂来调节其性能，这些性能主要包括三个方面：工艺方面、破裂岩体的渗透性能、与煤岩体的粘结强度和抗变形性能。按照注浆工艺分为单液浆和双液浆。习惯上把浆液中的主剂分为无机和有机材料两大体系，注浆材料的发展方向:传统的水泥和粘土类颗粒材料由于粒度大，可灌性低，难以满足各种注浆工程的不同要求。而水玻璃类注浆材料固结强底低，有些化学注浆材料生成的凝胶产物对环境有一定的污染或带有一定的毒性，并且高分子化学浆材施工成本较高，在经济性及耐久性方面使其难以大量使用。因此，从可持续发展和环保观点看，今后注浆材料的发展方向主要是:新型无机胶凝材料；早强和高强地质聚合体材料；以添加剂或主剂形式出现的化学改性材料；为提高微小裂隙和孔隙注浆效果的微细注浆材料;寻求渗透性强、可注性好、无污染、固结体强度较高、凝胶时间易于控制、价格便宜和施工方便等综合性能指标高、成本较低的绿色新型注浆材料。总之，根据具体工程需要按照一定比例和成分配比，可以适应膨胀、微膨胀、带压堵水、高压渗透等注浆要求。此外，注浆材料的综合性能更趋向于渗透能力强、可注性高、早期和终凝强度高、结石率高、凝聚时间容易控制。1.3 锚注锚杆/锚索随着锚注支护技术推广应用，锚注锚杆/ 锚索最近几年发展迅速。锚杆/锚索在满足注浆的前提下向大直径高强度发展。国内外最近几年进行了大量的试验研究。最有代表性是德国研制的“一步到位”锚杆，并带一次性钻头的自钻进大直径全螺纹超高强锚杆，称为ONE.STEP.ANCKER锚杆（图1.2）。 图1.1 德国锚杆发展历程图1.1 表明了德国锚杆支护发展的20多年的历程，锚杆的破断力从160KN提高到360KN，锚固方式从端锚全长锚固锚注一体；德国的发展历程代表了深井巷道支护发展的趋势和方向。 图1.2 德国开发的带一次性钻头的自钻进大直径全螺纹超高强锚杆（ONE.STEP.ANCKER “一步到位”锚杆） 图1.3 一步到位”锚杆现场使用澳大利亚最近几年也积极开展锚注一体锚杆/锚索的研究。图1.4所示为澳大利亚井下使用的一种新型的CT.Bolt 注浆锚杆，它采用机械式端头锚固做为初始锚固机构，图1.5、图1.6所示分别为这种注浆锚杆的结构及其井下安装过程示意图。图1.4 澳大利亚井下使用的CT.Bolt 注浆锚杆图1.5 CT.Bolt 注浆锚杆结构图1.6 CT.Bolt 注浆锚杆井下安装过程示意图国内以往在煤巷中采用的注浆锚杆一般采用带出浆孔的钢管作为杆体，在其端部焊接一个麻花段用来搅拌树脂药卷，如图1.6所示。一般为临时制作而非正规的产图1.7 国内早期使用的注浆锚杆结构品，由于钢管壁厚薄，其承载能力也很低，一般在100KN以下，难以满足深部开采高应力大变形巷道支护要求。 （2）注浆锚索 最初注浆锚索采用钢绞线加工，为了便于与注浆材料结合在锁体上加工成笼形或加箍。 图1.8 注浆锚索的笼型结构 注浆锚索的上部倒刺。这种注浆锚索需要注浆注浆管和排气管，施工钻孔较大。 图1.9 注浆锚索2005年澳大利亚开发中空注浆锚索开始在煤矿中应用。这种新型锚索产品的应用不仅在提高煤巷锚杆支护安全可靠性和总体成巷速度方面带来了显著的效果，而且为解决复杂困难条件下围岩加固问题提供了有效的技术手段。譬如，兖矿集团在澳大利亚投资的澳思达煤矿大量采用澳大利亚Mage.bolt公司的MS7R.TT强力注浆螺纹锁紧锚索，如图1.10，用以支护跨度达8 m的切眼不需要打任何支柱或木垛。从澳大利亚、美国、英国、德国、南非等国的技术发展情况来看，直接采用建筑行业的预应力钢绞线截割成锚索的做法很快将成为历史，而针对矿山企业的实际应用条件采用专门的技术、材料和设备制造全新结构形式的锚索产品已经成为矿用锚索的技术发展趋势。 国外目前已开发出的矿用新型锚杆/锚索产品都力图从以下几个方面实现技术突破：（1） 在保持小孔径的条件下，加大索体直径，提单股承载能力，从而提高钻孔利用率（即通过每个钻孔所能获得的支护承载能力）, 便于现场快速施工施工。（2） 锚索能够和普通锚杆一样，实现搅拌树脂药卷锚固，取消张拉，简化施工工序，同时实现与锚杆同步承载，使二者形成支护整体；（3） 提高锁紧端的可靠性，防止下滑、火花，同时，尽可能减小外露长度，以最大限度地保持巷道的有效高度，便于井下车辆、设备的通行（国外井下车辆和移动设备较多）；（4） 改善锚索索体的延伸特性，提高适应围岩变形的能力；（5） 增加注浆/锚索的表面粗糙度，有利于与注浆材料的结合。（6） 形成不同结构、不同规格的系列产品，以满足不同使用条件。1.4 注浆工艺及参数 注浆工艺是研究在不同的工程地质和水文地质条件下，根据施工巷道技术特征、工程性质和施工要求等，所采取的不同注浆方案和施工方法，以及完成注浆工作全过程的作业程序和操作要领。注浆工艺复杂多变，针对性很强，而注浆参数是影响和确定注浆工艺的最重要因素之一，一直是注浆技术和注浆效果研究的一项主要内容。其注浆参数包括如下几项： (1) 注浆压力注浆压力是浆液在岩土中扩散的动力，受工程地质条件、注浆方法和注浆材料等因素的影响和制约。国内外对确定注浆压力值持两种截然相反的原则：一是尽可能提高注浆压力；二是尽可能用低压注浆。这两种观点各有利弊，对不同的工程有不同的指导意义。一般来说，化学注浆比水泥注浆时压力要小，浅部注浆比深部注浆压力要小，渗透系数大的地层比渗透系数小的地层注浆压力要小。 （2）扩散半径 扩散半径的影响因素甚多，它随着岩层渗透系数、裂隙开度、注浆压力、浆液流动特征、注入时间等因素的变化而不同，它决定着注浆工程量和工程进度，常用一些理论或经验公式估算，但最终往往仍需通过试验确定。 (3)凝胶时间凝胶时间是浆液本身的特征，不同的注浆工程可能要求浆液凝胶时间在几秒到几小时的范围内调节，并能准确控制。几种典型浆液的凝胶时间为：单液水泥浆从几十分钟到十几小时，水泥一水玻璃双液浆从几秒到几十分钟，高水速凝材料从几分钟到几十分钟。2. 锚注支护原理对于松动范围和松动程度都比较大的应力集中区的巷道围岩，单纯采用普通的锚杆支护有很大的局限性，因为巷道围岩松动范围很可能会超过锚杆的长度，这样以来，锚杆的锚固端有随着围岩变形位移一起向外“漂移”的倾向，难以对巷道围岩变形产生很大的约束作用，反映在宏观上就是支护作用不明显，效果不理想。 即使采用全长树脂锚固的锚杆也存在这个问题，因为搅拌式树脂药卷锚固剂向锚杆孔壁裂隙内渗透的能力很低，从井下现场回收的锚杆可以看到，凝固后的锚固剂呈圆柱状仅仅裹覆在锚杆杆体周围。在深部开采高应力区以及断层带附近，巷道围岩松动破碎问题更为突出，围岩松动破碎会造成锚杆锚固力的迅速衰减或丧失，普通锚杆因为难以获得牢固的锚固着力基础，很难发挥出其锚固特性，无法对巷道围岩变形破坏产生足够的控制作用。在这种条件下，单纯采用传统的注浆加固也存在一定问题，这是因为，传统的注浆加固方法施工步骤烦琐、环节多、辅助作业时间长，所产生的加固作用存在明显的滞后性，因此效果往往会大打折扣。此外，对于应力集中区且比较松软破碎的巷道围岩来说，由于松动破碎的范围和程度均比较大，因而传统的注浆加固方法所固有的漏浆、跑浆等问题比较突出，在很大程度上制约了其效果和可操作性。实践证明，对松动范围和松动程度都比较大的应力集中区巷道围岩进行锚注加固具有很好的效果。锚注加固的原理是将锚杆/锚索的支护作用与注浆加固的作用组合起来，共同作用于巷道围岩，通过注浆锚杆/锚索压注有机或无机浆液，不仅能从根本上保证锚杆/锚索锚固可靠，而且浆液能够渗透到钻孔周围较大范围的煤岩体中，对出现松动的煤岩体产生粘结固化作用，显著改善其整体性，提高煤岩体的自撑能力，从而大大改善巷道支护效果。与单纯采用锚杆支护相比，由于锚注支护既通过注浆加固了围岩，又给锚杆锚索提供了可靠的着力基础；既能有效地提高围岩的自身强度又能改善支护体的支护特性，使围岩承载能力得到显著提高，巷道变形量明显降低，是一种非常好的主动支护形式，它具有强初撑、急增阻、高承载的特性，能够比较好地解决高应力区、断层带附近以及“三软”地层由于巷道围岩松动破碎和大变形引起的锚固力迅速衰减和丧失的难题。初步的试验数据表明，同样条件下其实际锚固力可比普通锚杆/锚索提高13倍，能够有效地控制破碎松动范围和程度都比较大的应力集中区以及“三软”地层巷道围岩的剧烈变形，从而扩大锚杆/锚索支护的适用范围，对于解决应力集中区以及“三软”地层巷道围岩支护问题具有现实意义。浆液的渗透作用、压密作用和浆液的辟裂作用在钻孔附近形成网状浆脉的效应可以显著地提高锚注加固体系中锚杆/锚索的载荷传递能力,而且,压密作用能够在钻孔孔壁与锚杆杆体或锚索索体之间所产生的涨紧效应以及辟裂作用在钻孔周围形成网状浆脉的效应可以显著地放大锚杆/锚索的轴向约束效应和径向约束效应的程度以及所能波及的范围,对此，我们可以形象地理解成: 不注浆时,锚杆/锚索相当于插在土中的木桩；注浆以后则相当于同样粗的树干生根在土里，注浆压力越高锚杆/锚索的轴向约束效应和径向约束效应的放大作用越显著。据此,我们可以得出一个关于锚注加固机理的一个全新的学术观点: 锚注加固体系中，锚杆/锚索所起的作用与浆液所起的作用并不只是简单的叠加关系,二者之间相辅相成, 注浆能够对锚杆/锚索的作用效果起到放大作用,这是锚注加固支护效果优于其它支护方式的根本原因所在。3. 锚注支护与注浆加固技术的对比巷道注浆加固主要采用两种方式：在其他支护的基础上，单独钻孔注浆加固。一个实例是中国矿业大学和徐州权台矿用高水速凝材料滞后注浆加固煤巷，采用可缩梯形金属支架，两帮及顶底角用金属快硬水泥锚杆，在锚杆排距之间另外钻孔注浆加固两帮和底角；再一种。将注浆和锚杆/锚索统一起来的锚注支护技术。济南澳科公司采用该技术分别在淄博岱庄煤矿，兖矿集团东滩煤矿、开滦吕家坨煤矿进行锚注支护，均取得了较好的技术经济效益。注浆多采用水泥注浆加固破碎围岩，也可采用化学浆液进行注浆。其实质是中空锚杆/锚索兼做注浆管。实践和理论都表明锚注联合支护技术具有较大的优越性，是支护技术的发展方向之一。 4.中空锚注锚索4.1 新型树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索的开发研制背景开发的指导思想：（1）采用小孔径的情况下进一步提高锚索的承载能力；（2）将树脂锚固锚索的优点与全长注浆锚索的优点结合在一起；（3）利用现有的锚杆钻机和注浆设备实现锚注。针对国内现有矿用锚索产品存在的缺点和问题，我们在借鉴和吸收国外先进技术的基础上，经过反复试验，在攻克了钢丝快速精确定长下料、绞制后索体钢丝由于自身弹性而破股散开以及螺纹锁紧机构关键零件的高效率加工制造等一系列技术难题后，于2008年5月开发成功了新型的采用螺旋肋预应力钢丝制造的树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索。可以负责任地说，我们开发新型的螺旋肋预应力钢丝树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索，是借鉴和跟踪国外的最新技术发展趋势的产物，这种新型树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索的开发成功，使我国的煤巷锚索技术在短时间内赶上了当今国际同类产品的领先水平，在技术上与国外实现了同步发展。4.2 螺旋肋预应力钢丝树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索简介4.2.1 螺旋肋钢丝加工锚注锚索的原材料主要采用螺旋肋钢丝。高粘结螺旋肋预应力钢丝是一种新型变形钢丝，其主要特征是将压延拉拔工艺处理后的半成品经过最后一次塑性变形拉拔，使钢丝表面形成3至6条连续状的凸起的螺旋肋，螺旋肋同基圆为一体，共同组成同一个截面的钢丝，也就是说无论多长的钢丝在任一点其截面积都相等。因此，无论是外形加工方法、材料性能均有光面钢丝、刻痕钢丝和三股钢绞线不可替代的优良特性。具有强度高、塑性好、松弛值低、伸直性好、与锚固剂的握裹力强等特点。目前，螺旋肋预应力钢丝产品是采用将热轧高碳（0.8%C）盘条（目前牌号82B）经过多道次冷拔，将其横断面积减少约2/3后，将其在回火炉中带张力回火，生产出直径为49mm、抗拉强度1670MPa以上、低松弛性能优良的螺旋肋钢丝。生产工艺流程如下：热轧盘条机械除锈电解酸洗清洗涂层拉拔螺旋肋成型（或三面刻痕）带张力感应加热回火冷却收盘。钢材在制造过程中经有控延伸，金属单晶联接，合理排布，保证了钢丝原始钢材的元素及性能不受破坏。在两次热处理消残余应力的过程中，表面硬化的晶粒回复力学组织，使其延性、韧性指标得到合理发挥。在制造工艺合理的情况下，通常成品的抗拉强度、韧性和延性均比同等条件下制造的光面预应力钢丝有所提高，特别是握裹性能更优越。图4.1图2.2所示为高强螺旋肋预应力钢丝实物以及其外形特写。图4.1 高强螺旋肋预应力钢丝实物 主要数据表述: D1:基圆直径；D :含肋外径；jk :单根肋宽；jg:单根肋高；Lg:螺旋肋程(单根肋围绕基圆环绕一周长度)图4.2 高强螺旋肋预应力钢丝外形特写本产品采用特制高强螺旋肋预应力钢丝，其物理力学参数如下：基园直径： 6.0mm；外园直径： 6.4mm抗拉强度： 1760MPa破断力： 53KN4.2.2 螺旋肋钢丝的特点（1）良好的锚固性能，合理的外形使钢丝与锚固剂间形成连续的凹凸咬合齿，与锚固剂的握裹力大，从而达到理想的锚固效果。螺旋肋钢筋不仅具有较高的锚固强度和刚度，且大滑移时仍具有较大承载力（锚固延性好），有利于承受冲击载荷。螺旋肋钢丝表面凸起的多条螺旋肋与锚固剂咬合齿宽厚且连续不间断，不易破碎、剪断。挤压面积大，相对肋面积大，劈裂力均匀无方向性，因此早期滑移小而后期大变形时又具有较高的锚固延性。而一般带肋钢筋横肋咬合齿分散易挤碎切断，大滑移下即失去锚固力，锚固延性差。关于钢筋外形与锚固性能之间的关系，中国建筑科学研究院对各类钢筋做过详尽的分析研究，并将试验结果绘制成粘结应力.滑移(.S)曲线进行比较(见图2.3)，从图中曲线可以明显看出螺旋肋钢丝的优异特性。 山东省建筑科学研究院和山东省建筑设计研究院也曾对冷拔螺旋肋筋钢丝进行了24组试件锚固性能试验，得出了类似结果。利用螺旋肋加工的钢绞线与光面钢绞线与树脂的锚固力进行对比试验，螺旋肋钢绞线的锚固力提高了2.47倍。见试验报告。图4.3螺旋肋筋钢丝与各类钢筋的.S曲线比较（2）螺旋肋外表比较合理，虽然钢丝经过拉拔而形成凹凸不平的表面外形，但由于采用连续螺旋肋，肋部面积仍可承受拉力，且螺旋肋可随拉力与基体部分同步变形，钢丝通体横截面相等，横截面积几乎没有任何损失。而一般带肋钢筋因横肋不能受力，有效面积要损失6%11%左右。（3） 预应力传递长度明显降低。螺旋肋钢丝因其外形特点具有良好的锚固性，因此预应力传递长度不大于42D，特别适用于施加很高的预应力。与同等重量、同等横截面积的光面预应力钢丝比较，螺旋肋预应力钢丝凹凸的螺旋肋和放大的外轮廓，加大了钢丝与锚固剂的咬合面积，钢丝所受应力能有效、均匀地分解，提高锚固强度和钢丝的承载能力。（4） 松弛值低。螺旋肋预应力钢丝松弛值一直保持在70%应力状态下其应力损失1.2.1.8%/KH之间，低于世界任何一个国家预应力钢丝标准规定的松弛指标。（5）经过特殊加工，内部晶粒组织也发生相应螺旋状变化。螺旋肋钢丝的延性、韧性均优于光面钢丝和刻痕预应力钢丝，抗疲劳性能的多次检验均在应力状态80%正弦波实验次数300万次，疲劳后的钢丝试件仍保持屈强比83%以上，延伸、冷弯指标仍在正常钢丝的标准合格范围内。4.2.3 利用螺旋肋钢丝制造树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索 为什么要用螺旋肋钢丝为原料开发新型的树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索呢？回答这个问题之前，我们要看看锚注支护的优越性在那里。实际情况表明，深部开采全煤巷道特别是沿空掘进的全煤巷道顶、帮煤体的松动范围和松动程度都比浅部开采时明显加大，顶煤松动导致巷道顶板起网兜，锚杆的锚固可靠性会受到影响，顶板下沉量增大，严重时，松动范围会超过锚杆长度，导致失稳冒落；巷帮煤体松动直接造成巷道两帮移近量大增，而且巷帮煤体松动后，对巷道顶板的支撑作用降低，导致顶板的实际跨度增大，进而间接造成顶板下沉量增大，使得整个巷道断面变形严重，巷道不得不进行翻修甚至多次翻修。对于松动范围和松动程度都比较大的顶帮煤体，单纯采用普通的树脂锚杆支护有很大的局限性，因为锚杆的锚固端有随着煤体的松动、挤出向外“漂移”的倾向，即使采用全长锚固也存在这个问题，因为搅拌式树脂药卷锚固剂向锚杆孔壁裂隙内渗透的能力很低，从井下现场回收的锚杆可以看到，凝固后的锚固剂呈圆柱状仅仅裹覆在锚杆杆体周围。在深部开采高应力区、断层带附近，顶帮煤体松动破碎问题更为突出，顶帮煤体强烈变形会造成锚杆锚固力的迅速衰减或丧失，普通锚杆难以找到牢固的锚固着力基础，很难发挥出其锚固特性，无法对巷道围岩产生应有的支护作用。这种条件下，传统的注浆加固由于实际操作步骤烦琐、辅助作业时间长，因此很少使用，即使应用，由于存在漏浆、跑浆等问题效果也比较差。实践证明，对松动范围和松动程度都比较大的顶帮煤体进行“锚注”加固具有很好的效果。通过注浆锚索压注有机或无机浆液，不仅能从根本上保证锚索锚固可靠，而且浆液能够渗透到锚杆孔周围较大范围的煤岩体中，对出现松动的煤岩体产生粘结固化作用，从而显著改善其整体性，提高顶帮煤体的自撑能力，改善巷道支护效果。与锚杆支护相比，由于锚注支护既通过注浆加固了围岩，又给锚索提供了可靠的着力基础；既能有效地提高围岩的自身强度又能改善支护体的支护特性，使围岩承载能力得到显著提高，巷道变形量明显降低，是一种非常好的主动支护形式，它具有强初撑、急增阻、高承载的特性，能够比较好地解决高应力区、断层带附近由于顶帮煤体的松动破碎和大变形引起的锚固力迅速衰减和丧失的难题。初步的试验数据表明，其实际锚固力可比普通锚索提高34倍，能够有效地控制破碎松动范围和程度都比较大的全煤巷道顶帮煤体以及软岩巷道和硐室的强烈变形，从而扩大锚杆支护的适用范围，对于解决深部高应力动压条件下的全煤巷道支护问题具有现实意义。 树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索属于锚注支护，其支护效果方面的优越性是不言而愈的，而采用高强度螺旋肋预应力钢丝为原料开发新型的树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索，由于高强度螺旋肋预应力钢丝具有前面所述的突出优点，会使得新型的树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索在支护效果方面的优越性更加显著。 国外开发的新型锚索产品都采用高强度预应力钢丝制造，而螺旋肋钢丝以其优越的性能成为制造锚索的首选钢丝品种。澳大利亚已经批量从中国进口螺旋肋钢丝制造新型的大直径、高强度锚索，不仅在澳大利亚煤矿中应用，而且已经出口到了欧洲的煤矿。采用高强度螺旋肋预应力钢丝制造锚索具有显著的优越性。 最突出的优点就是其锚固强度、载荷传递特性和锚固延性较之用钢绞线截割成的锚索有大幅度的提高。澳大利亚所做的对比试验结果表明，采用高强度螺旋肋预应力钢丝制造锚索的锚固强度比相同直径的用钢绞线截割成的锚索提高15%以上，而锚固延性可提高25%以上，这一结果与前面提到的国内一些研究机构所做的单股螺旋肋钢丝与其它钢丝的对比结果是基本一致的。4.2.4 新型的树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索结构、特点及主要技术参数(一) 树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索结构图4.4所示为本项目开发的新型树脂端锚+后期注浆全锚锚索实物。图4.5 用螺旋肋钢丝制造的新型树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索外形特写 (二) 树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索主要特点新型树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索同以往的注浆锚索相比有以下优点：（1） 采用树脂端锚螺纹锁紧，安装后能立即承载，这一点对于自稳能力差的顶板是非常有利和必要的，也是现有的各种注浆锚索产品均无法作到的；（2） 锚索索体为中空结构，自带芯管，安装时采用反向注浆，不仅消除了产生气穴空洞的可能，保证锚固浆液充满钻孔，而且省去了排气管和注浆管专用接头（直接利用螺纹锁紧机构作为注浆管接头），也无须在现场绑匝注浆管、排气管以及封堵注浆孔，使施工步骤大为简化；（3） 锚索安装后能与锚杆同步承载，形成支护整体，对保证支护效果非常有利；（4） 采用全新索体结构，在保证注浆通径的前提下，使索体直径达到最小化，所需安装孔径小，可实现小孔径、大吨位，索体结构本身满足高压注浆的要求，可以实现锚注结合；（5） 注浆可以安排在迎头后方一定距离将一定范围的锚索一次注完；（6） 外露端锁紧可靠，不打滑，不出现火花且外露长度小，不影响巷道有效高度。树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索主要技术参数 （1）钢丝公称直径：6.0mm （2）锚索索体直径；22（3）长度系列：4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 8000（4）安装孔径：3235 ：（5）强度及破断力：1760MPa 400KN（6）树脂锚固长度：10001500mm（7）中空注浆管规格：内径：7.5mm 外径：10mm（8）注浆压力：不低于5.0MPa4.2.6 新型树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索配套机具（1）钻孔机具 新型树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索井下安装施工所需的打眼钻机、钻杆、钻头等与普通树脂锚索施工所用的机具完全相同，无须增加新设备。（2）搅拌头济南澳科矿山工程技术有限公司提供与新型树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索配套的搅拌头。 （3）注浆泵新型树脂端锚+后期注浆全锚的笼型锚索采用反向注浆工艺，配套注浆泵需要采用风动高压注浆泵，注浆压力达到7MPa。济南澳科矿山工程技术有限公司可以提供这种便携式风动高压注浆泵。4.新型水泥注浆添加剂采用对松动范围和松动程度都比较大的岩体进行“锚注”加固具有很好的效果。通过注浆泵向锚孔中压注浆液，不仅能从根本上保证锚杆锚固可靠，而且浆液能够渗透到锚杆孔周围较大范围的煤岩体中，对出现松动的煤岩体产生粘结固化作用，从而显著改善其整体性，提高顶帮煤体的自撑能力，改善巷道支护效果。与普通的树脂锚杆支护相比，由于锚注支护既注浆加固了围岩，又给锚杆提供了可靠的着力基础；既能有效地提高围岩的自身强度又能改善支护体的支护特性，使围岩承载能力得到显著提高，巷道变形量明显降低，是一种非常好的主动支护形式，具有强初撑、急增阻、高承载的特性，能够比较好地解决高应力区、断层带附近由于顶帮煤体的松动破碎和大变形引起的锚固力迅速衰减和丧失的难题，初步的试验数据表明，其实际锚固力可比普通锚杆提高34倍，能够有效地控制破碎松动范围和程度都比较大的全煤巷道顶帮煤体以及软岩巷道和硐室的强烈变形，从而扩大锚杆支护的适用范围，对于解决深部高应力动压条件下的全煤巷道支护问题具有现实意义。以中空注浆锚杆/锚索为核心的“锚注”加固体系主要用于深部开采中的高应力区、断层破碎带、变形严重全煤巷道的二次补强加固，在深部开采高应力动压条件下全煤巷道特别是沿空掘进的全煤巷道顶帮支护中具有不可或却的作用。但以往“锚注”加固注浆料普遍采用水泥净浆，虽然具有材料来源广、价格低廉等优点，但从水泥特性和现场应用中发现水泥净浆存在以下问题：（1） 水灰比太高，大大降低了其强度。水泥水化所需的用水量为水泥重量的15%25%，为了便于注浆现场施工时用水量为水泥重量的50%60%，在水泥硬化后多余的水在水泥石中形成大量的孔隙和气泡，导致水泥硬化后强度下降。（2） 水泥硬化过程中具有一定的干缩性，并在内部产生微裂隙，不利于提高加固围岩的整体强度。（3） 流动性和可泵性差，注浆阻力大。（4） 水泥浆液与煤岩体粘结强度以及固结体抗变形能力差。为了克服水泥净浆存在的以上缺陷，提高其加固巷道围岩的效果，济南澳科矿山工程技术有限公司与山东建材设计研究院的合作，针对煤矿井下“锚注”加固使用环境开发了ACZ型水泥注浆无机添加剂和FZ.60型水泥注浆有机机添加剂，提高水泥浆液的性能，满足锚注支护的需要。ACZ型水泥注浆无机添加剂其主要用途对水泥基注浆材料起到减水、增塑、增强、微膨胀作用。FZ.60型水泥注浆有机机添加剂主要用途对水泥基注浆材料提高粘结强度和抗变形能力。将添加剂按一定比例加入到525#水泥中配成“锚注”加固注浆材料可以大大改善“锚注”加固的效果。4.1 ACZ型水泥注浆添加剂研水泥注浆材料外加剂是由多种有机和无机成分复合而成的，包括早强剂、超塑化剂、微膨胀成份等，使水泥基“锚注”加固注浆材料具有较好的早强与高强、自流态、微膨胀和耐久性等优良性能，从而大大改善“锚注”加固的效果。（1） 早强、高强特性为了使“锚注”加固中的中空注浆锚杆或注浆锚索能够尽快地形成锚固力，以便及时对围岩产生加固作用，同时使浆液对破碎围岩尽快起到粘结固化作用，一般希望“锚注”加固注浆材料有较高的早期强度，强度上得越快越好，即希望终凝时间尽可能的短。但是初凝时间又不宜过短，过短时易造成拌合物流动性降低而影响施工操作和压注质量。ACZ型水泥注浆添加剂针对井下使用环境，经过大量的对比试验确定了合理的早强剂含量指标，在保证浆液有良好的流动性的前提下，使得1d强度最高可达25MPa以上，注浆锚杆或锚索安装完毕1d后即可承载。（2） 自流态特性ACZ型水泥注浆添加剂中包含超塑化剂使得水泥浆体具有高流态性能，从而使水泥注浆料具有自密实性能，靠泵注便可填充锚孔全部间隙。其塑化原理是：影响水泥浆体流动性是它浓稠的分散体系，在其中的分散相水泥颗粒具有相当大的比表面积，即具有较大的界面自由能，要降低它，就需从溶液中吸收种种物质。超塑化剂之类的有机化合物一经吸附到水泥颗粒表面，便形成双电层，电位发生变化，颗粒间静电斥力作用，使颗粒趋向分散而难以凝聚，释放出凝聚结构中的水，达到减水或增大流动的作用.但分散体系中的水泥颗粒众多，颗粒之间还受到范德华引力的作用，使水泥颗粒趋向凝聚。因此，两个颗粒之间的总电位V总由静电斥力电位VR和范德华引力电位VA构成。V总=VR+VA，胶体粒子周围的双电层斥力电位，由于Ka1，即从电层的厚度1/K与颗粒半径r相比可以忽略不计。当粒子间距较大或较小时，粒子以相互吸引为主，范德华引力占主导.在中间状态时，则要考虑斥力和吸力的共同作用.在总的电位能曲线上有两个极小值，较深的一个称作第一极小值，较浅的称作第二极小值，表明了粒子间距较大或较小时，范德华引力占优势.在总的电位能曲线上，还有一个极大值Vb称作位能势垒。粒子布朗运动平均位能为1.5kT，溶胶粒子热运动能量与位能曲线上两个极小值和位能势垒的大小相比较，如果位能势垒比热运动能小，即Vb1.5kT，或者由于固体表面电位比较低，或电解质浓度比较小，或哈马克常数H比较大等各种原因，而使总电位能曲线上没有位能势垒，由于吸引力，胶粒就要互相粘结，直到第一极小值，此时发生胶结聚结。加入表面活性物质的超塑化剂后，由于超塑化剂含有可电离的基团，水泥颗粒间双电位斥力增加；超塑化剂含有吸附层使哈马克常数大大地减小，导致水泥颗粒间范德华引力减弱；超塑化剂大分子物质吸附在水泥颗粒表面，高分子链伸入到介质中，引起这些键之间的相互作用，同时伴随着熵的减少，则斥力位能VR增加，总的位能V总升高，因而位能势垒也增加，使水泥颗粒间要达到凝聚，必须克服更高的位能势垒，因而在相当长的时间内保持稳定的分散状态，从而使得水泥浆体具有流动性能。（3） 微膨胀性ACZ型水泥注浆添加剂中包含有微膨胀成份，可以补偿收缩，将ACZ型水泥注浆添加剂加入到水泥中，加水拌和后生成大量膨胀性结晶水化物，即钙矾石，使水泥基注浆浆料产生适度膨胀，在整个锚固体系中建立0.20.7MPa预应力，这一预应力可抵消注浆浆料在硬化过程中产生的收缩拉应力，以保证注浆材料固化后与锚孔孔壁以及锚杆或锚索之间产生主动结合，从而防止注浆浆料收缩开裂，使水泥注浆材料机体内部结构更加致密，改善了注浆浆料机体的孔结构，大孔数量降低，总孔隙率减少，注浆材料固化后的机体抗渗性大大提高。（4） ACZ型水泥注浆添加剂主要技术指标ACZ型水泥注浆添加剂外观为砖红色粉末，为便于井下搬运操作，每包20kg，采用防潮包装（如图1所示），其主要技术指标如下：（1） 膨胀率：0.50.8（2） 1d抗压强度：25MPa（3） 28d抗压强度：72MPa（4） 添加量占水泥量8（5） 对锚杆金属杆体（钢筋）无锈蚀，无毒，无污染。（6） 重量：20kg/袋图4.1 ACZ型水泥注浆添加剂（5）ACZ型水泥注浆添加剂性能试验水泥注浆添加剂的主要作用是减水、增塑、增强、微膨胀,克服目前水泥浆水灰比高、强度低、硬化收缩、泵送阻力大等问题。现场试验表明，加入ACZ型水泥注浆添加剂后，按水灰比0.5：1，在锚固长度仅为300mm的情况下，拉拔力可达到110kN，比净浆提高了2倍多。山东大学工程力学测试中心的检验检测结果见附件1、2。目前，ACZ型水泥注浆添加剂实际使用量已经达到100吨。除兖矿集团外，在鹤岗、开滦、淮北、等矿区以及一些地方矿得到实际应用。图4.2 FZ.60 型水泥注浆有机添加剂4.2 FZ.60 型水泥注浆有机添加剂 济南澳科矿山工程技术有限公司开发的FZ.60型水泥有机添加剂主要采用树脂、乳胶等有机材料配制而成，主要目的是提高与岩石的粘结强度和抗变形能力。在水泥浆中加入8%的添加剂其与煤的粘结强度提高1.92倍，抗折强度提高2倍。技术指标参数 项目粘结强度MPa抗压强度MPa抗折强度MPa加入添加剂0.7945.56.2不加添加剂0.4133.03.15.中空注浆锚杆/锚索施工工艺 5.1 中空注浆锚索施工工艺 （一）中空注浆锚索运输要求 根据结构和用途在中空注浆锚索运输过程中，应满足以下要求；（1） 在装卸车过程中，应小心轻放，以免损坏锚索尾部螺纹。（2） 在运输过程中应保持锚索表面清洁，避免锚索粘满泥、灰、煤粉、油和水影响锚索与树脂和注浆液体的粘结效果。（3） 锚索可以适当弯曲，但弯曲半径不能小于500mm，弯曲半径太小容易造成锚索注浆管折曲、变形，在注浆过程中形成大的阻力。（二） 钻注浆锚索孔（1） 使用单体顶板锚杆钻机或者支腿式帮锚杆钻机按设计位置钻顶板和帮锚索孔。（2） 钻顶板岩石孔应采用32金刚石钻头、钻两帮锚索孔应采用32合金钻头。钻孔按打树脂锚索孔施工技术要求进行。钻孔深度小于注浆锚索长度5cm。（3） 钻孔时应注意：帮或顶较破碎的地方，要将碎体放下来，清理出打孔位置，同时也便于封孔和控制打孔深度。（三） 安装注浆锚索及封孔（1） 锚索安装前，应先安装止浆塞到锚索尾部，当孔口破碎成喇叭口形状时应适当地缠绕棉纱。（2） 用中空注浆锚索把1卷CK2860树脂锚固剂推入钻孔，边推进边搅拌，按兖矿煤巷锚杆支护技术规范安装树脂锚索的技术要求进行安装。（3） 检查封孔质量，如果止浆塞周围存在空隙，用棉纱塞紧，根据封孔位置距巷道面的距离选用 合适长度的505的钢管，用锚索托盘压住，上紧锚索螺母，施加不低于120kN的预紧力矩。（4） 最后检查锚索托盘是否紧贴岩面，如果锚索螺纹紧固到底但托盘仍没有紧贴岩面须在托盘内加垫木托盘。（四） 设备安装（1） 注浆设备到最远处注浆锚索的位置应在10米以内。（2） 将注浆泵和搅拌器装配起来，连接风、水管路和注浆器。用清水将搅拌桶冲洗干净，严禁桶内有杂物、硬块等。（3） 油壶内加满油，向搅拌桶内加入少量水，并慢慢开风，对搅拌器和注浆泵进行试运转。（4） 在确保搅拌器和注浆泵正常运行，注浆泵注出的水有足够的压力，且各种管路和开关连接无误的情况下，可以进行搅拌注浆液。（五）配料（1） 向搅拌桶内注入清水，根据一次注浆孔的数量确定水量，水灰比为1:3加入水泥，同时加水泥8%的ACZI注浆添加剂。（2） 开动搅拌机，开始时速度较慢，向桶内加入525#水泥，边加入边搅拌。水泥须慢慢加入，并不断搅拌，避免大量水泥到入桶内，影响搅拌质量和效果。（3） 若出现搅拌机搅不动的情况，此时可关闭搅拌机，把大的水泥块破碎，然后再开搅拌机。注意：搅拌机工作期间，不得将手伸入桶内，以免受伤。（4） 按规定的水灰比配好浆液，搅拌均匀，使水泥水化后即可注浆。（5） 根据现场实际情况配料，避免出现注浆孔还未注满就没料或者配料过多而用不完等情况发生。 （六） 注浆（1） 卸下锚索尾部的丝堵，连接注浆器到锚索尾部内螺纹上，慢慢扭紧注浆器，检查与注浆泵连接的注浆管是否畅通。（2） 启动注浆泵进行注浆，开始速度要慢些，并边搅拌边注浆，注浆时搅拌速度可慢一些。（3） 在注浆过程中，当听到注浆泵发出一种沉闷声音时，表明注浆泵压力已达到最大（7MPa）,可关闭注浆泵，等待23分钟再注浆。（4） 当锚索托盘周围出浆或锚索周围的裂隙、锚杆孔出浆时，表明已注满，停止注浆。（5） 注浆过程中每个钻孔应一次性注满，若中途停滞时间超过2分钟，将会堵塞注浆管。（6） 卸下注浆器，拧紧锚索尾部丝堵。连接下一锚索，重复以上过程。（7） 注浆时，锚索下方和两侧45内严禁站人，以免出现意外。（七）清洗设备（1） 注浆结束后，应及时彻底地清洗设备是非常重要的。很多情况下注浆出现的问题和设备出现的损坏都是因为清洗不好设备造成的。（2） 注浆结束后，用清水和钢丝刷将搅拌桶内清洗干净，。（3） 向桶内加入清水，开动注浆泵，将泵内残留浆液冲洗出来。（4） 关闭风源，以免误操作使设备空载运行。（5） 注浆一段时间后，应将注浆泵吸浆管卸下，冲洗干净并抹上油，再重新装好，防止吸将管堵塞。（八） 注意事项新型锚注锚索井下安装施工时应注意以下几点：（1）注意掌握好钻孔深度；（2）注意浆液的粘稠度；（3）注意随时观察注浆压力；（4）注意随时观察是否有漏浆跑浆现象；（5）伸开盘起的锚索时，注意控制其弹性，以避免突然弹开受伤。6 实例开滦吕家坨煤矿5383工作面轨道集中巷锚注支护6.1 5383轨道集中巷地质及生产技术条件6.1.1 概述5383集中轨道巷设计施工长度212m，加固段为轨道集中巷上端25m长的巷道。巷道服务年限为两年。轨道集中巷资料采用5383工作面掘进作业规程及现场观测情况。83783720016175里轨道巷6175外轨道巷5370.1工作面采空区皮带机头硐室设备列车硐室10度集中轨道巷 208米掘进回风眼60米5325运输横川溜煤井深度 约33米外轨道巷 75米3908003910003912009160091800加固地点图6.1 巷道平面布置图5383工作面位于.800水平三采，与5375相邻且在其倾斜下方。5383工作面东以设计切眼为界，西以设计集中轨道巷为界，上以设计轨道巷为界，下以设计皮带巷为界。5383工作面位于5375和5373工作面倾斜上方，两工作面均为7、8煤层合区且于2001年、2002年回采完毕。工作面倾斜下方的6171工作面里部的部分8煤层已同七煤层联合采出；上覆5377工作面于2005年回采完毕。5383工作面外部为单八煤层，里部为七、八煤层合区。下覆9煤层的5393工作面和12煤层的5321、5323工作面已于2004、2005、2006年回采完毕，5325工作面正在回采。6.1.2煤层赋存情况及顶底板情况5383工作面八煤层为较稳定中厚煤层，煤厚在1.6.2.2米之间，平均为1.92米，黑色，半亮型，中硬。7、8煤层间距在0.4.4.1米之间，平均2.8米，由外向里逐渐变小，7煤层平均厚度3.9米，与7S.1的平均间距3.4米。8煤层倾角1216，平均14。8s7s煤层间距为2.8米，8s9s煤层间距为8.3米。煤层顶底板情况顶底板名称岩石名称厚度（M）抗压强度（KPa）抗拉强度（KPa）7煤层老顶中砂岩8.077.093.2413直接顶粉砂岩3.277.093.2413伪顶泥岩0.2直接底泥岩中砂岩2.859.452.20868煤层直接顶泥岩中砂岩2.859.452.2086直接底细砂岩或中砂岩2.382.823.6360老底粉砂岩658.482.78526.1.3现有支护情况图6.2 10.4平方拱形支架巷道联合支护图采用金属拱型支架为永久支护，支护材料为25U10.4金属拱型支架，棚间距600mm。顶部铺设8m*0