锚杆全长锚固支护研究与实践

1、大淑村矿锚杆全长锚固支护研究与实践王 争（冀中能源峰峰集团有限责任公司 大淑村矿，河北 武安056300 ）摘要：为解决传统锚杆支护在巷道复杂条件下存在的问题，从理论上分析了不同锚固方式支护对巷道的影响，得出了全长锚固在巷道实际应用中的优点，即能够增强锚杆对围岩错动及离层的控制。通过在大淑村矿的井下实践，证明了锚杆全长锚固支护方式优于传统端锚支护，能有效控制围岩变形，支护效果良好。关键词：锚杆支护；全长锚固；强力支护。目前锚杆支护技术在软岩巷道支护方面是关键技术之一，该技术可实现巷道安全、高效掘进。近几年来，在国内外锚杆支护技术已得到普遍应用。目前大淑村矿主要采用高强度螺纹钢锚杆端头锚固做为主

2、要的支护方式。但是，对于一些复杂困难条件巷道，端头锚固支护效果差，且不能满足巷道支护要求。近几年来，随着大淑村矿的采深越来越大，地质条件也越来越复杂，巷道支护日益困难，原有的支护工艺难以保证巷道围岩稳定，因此在172106运料石门、新东正巷等地区采用了锚杆全长锚固方案，有效的解决了这一难题。1、锚固方式对巷道支护的影响 根据锚杆的锚固长度，可将锚固方式分为端锚、加长锚和全长锚3种2。对于端锚是由锚固剂在锚杆端头提供锚固力，锚杆的轴向受力除锚固端外，均匀分布在沿锚杆长度方向内，只有当岩层发生较大错动时，锚杆杆体的抗剪能力才能发挥作用。对于锚杆杆体的全长锚固，锚固剂将锚杆杆体全部锚固在岩体内，与围

3、岩形成一个统一的整体，该锚固方式不但给锚杆提供较强的锚固力，而且在岩层发生错动时，能够与杆体共同起到抗剪切作用，阻止岩层发生节理位移。对于全长锚固及端头锚固，很多专家及学者对其进行过专项研究4-5，得到以下共识:对于端头锚固方式，应力及应变沿锚杆长度方向上相等。在锚固范围内，岩层的离层沿整个杆体的长度均匀分散，杆体受力对围岩的离层及变形并不敏感，支护刚度相对较低。对于全长锚固，应力及应变沿锚杆长度方向分布，对岩层滑动大及不均匀离层的杆体部位受力很大，杆体的受力对围岩离层及变形都很敏感，能及时抑制围岩相对位移与离层，其支护刚度相对较高，如图1所示。这是全长锚固与端头锚固的根本区别。 图1端锚与全

4、长锚支护作用的区别近年来预应力在锚杆支护中所起的关键作用已被得到重视。全长预应力锚固不同于传统的全长锚固6，其主要是通过锚固剂的凝胶时间差来实现的，具有端部锚固和全长锚固的优点，预紧力矩能够在较长的杆体上施加，具有较好的锚杆预应力扩散效果，同时增加了对围岩错动及离层的敏感度。锚杆支护技术规范规定，全长锚固是指锚杆的锚固长度不小于钻孔长度的90%。但有研究表明7锚杆常在锚固段与自由段的交界面发生破坏，钻孔内最容易发生破坏的位置是为锚固的位置是。因此，在大淑村矿应用的全长预应力锚固是锚固长度等于钻孔长度，即全钻孔充满锚固剂。2、全长锚固锚杆支护机理一般从结构观点出发认为，锚杆支护机理是组合梁和悬吊

5、作用。该理论可防止危岩和剪裂区局部坍塌。但却难以解释在软岩层内锚杆支护设计的问题。因此，从围岩与锚杆共同作用的观点出发，才能较全面地分析锚杆支护机理；全长锚固锚杆和巷道塑性区围岩之所以能够共同作用，主要是靠锚杆和围岩之间的粘结力(或摩擦力)，约束塑性区围岩变形，提高围岩残余强度，即提高了塑性区的平均粘结力c1，锚固区压紧后，岩体节理面间的咬合更紧，因此塑性区内摩擦角1也稍有提高，形成承载拱共同支护体系。从锚杆支护与围岩共同作用形成承载拱支护机理出发，需满足以下条件， (1)锚杆为连续、均质、各向同性弹性体;锚杆与围岩之间有足够的粘结力(或摩擦力),不产生相对滑动。 (2)锚杆支护的巷道为无限长

6、圆形巷道(平面应变问题)，锚杆均匀地分布在巷道周边。(3)围岩在一定范围内为弹塑性变形。侧压力系数为=1。在上述条件下，围岩应力及变形的弹塑性分析给出的围岩塑性区半径和塑性区径向位移表达式为：r0-巷道围岩塑性区半径，mro -巷道开挖半径，mr -距巷道中心点径向距离，mp0-原岩应力，mpapi-锚杆对巷道周边支护抗力，mpaur-塑性区径向位移，mc1-塑性区加锚杆后粘结力（等于原岩粘结力c），mpa1-塑性区加锚杆后内摩擦角（等于原岩内摩擦角），0g -围岩剪切模量，mpa。锚杆直径分析：由于锚杆通过粘结剂与孔壁(围岩)紧密粘结,不产生相对滑动，因此得出：d-锚杆直径，me-锚杆弹摸，

7、mpa通过研究得知，锚杆直径选择与巷道开挖半径，锚杆弹模e、粘结剂、围岩力学参数(剪切模量g、粘结力c、内摩擦角)和原岩应力p0有关。一般巷道开挖半径越大，需要安装的锚杆直径就越粗。粘结剂剪切强度要与锚杆和围岩力学参数相匹配，才能充分发挥三者能力，形成共同支护体系。3、大淑村矿全长锚固加固方案工程地质条件大淑村矿地质构造单元位于太行山背斜东翼南段的鼓山背斜以东，是一个被一系列北东东向断裂所破坏的东倾伏的不甚明显的平缓背斜。井田内有包括薛村穹窿在内的大向（背）斜构造6处，断层为该地区的主要地质构造，地质勘探及实际揭露的大小断层有数百条，形成构造复杂的地质条件。全长锚固加固方案172106运料石门

8、位于2#煤层底板，岩性为泥质粉砂岩，巷道矿压显现明显，岩石破碎；岩巷采用锚网喷索，半圆拱断面，规格净宽4.2m，净高3.3m。锚杆为左旋无纵筋钢筋树脂锚杆，托板为锻压件，螺母为m22的标准厚螺母。锚杆直径为22mm，长度2.0m，成三角形布置，间排距700*700mm，扭距150n*m以上。每孔注4支树脂药卷全锚支护，孔端使用一支k2850型药卷随后使用3支m2850型树脂药卷。锚杆锚固力要达到100kn以上，该巷道采取了锚索补强支护方案，采用21.6mm，长度5.0m的钢绞线，托盘采用300*300*16mm钢托盘，每排布置3根，间排距1.4m，预紧力不小于130kn。全断面铺金属网，网与网

9、间搭接长度为150mm、联网长度为200mm一道。金属网材质为6mm钢筋盘条，网孔规格150×140mm。锚杆与巷道围岩角度应尽量垂直岩面或巷道轮廓线，与岩面夹角不得小于75°，锚杆托盘与岩面要接触严实，不得留有孔隙。水泥标号为不低于425号硅酸盐水泥。石子为粒径为68mm的中细碎石，水泥、砂、石子配比为1:2:2或1:1.8:2.2，水灰比0.45。速凝剂参量为3左右。混凝土强度为c20。4、矿压观测情况在巷道正规支护后，进行了矿压观测站布设，共布4个测站。每个测站的矿压观测内容包括巷道围岩表面收敛变形观测、顶板离层观测。巷道表面位移观测巷道表面围岩收敛变形观测采用“十字

10、法”进行观测。从两个测站的表面位移观测分析可知，矿压监测数据显示，巷道两帮移近量最大为96 mm，顶板最大下沉量为60 mm，顶底板最大移近量为115mm。巷道掘进至35m位置后，巷道两帮移近量和顶板下沉量基本趋于稳定。锚杆初始受力基本为5885 kn，此后，由于掘进扰动的影响，锚杆受力逐渐增加，当距掘进工作面22 m左右时，锚杆受力基本稳定，最大受力为125 kn。锚索受力达到了321 kn，锚杆锚索受力有一个较为明显的增加过程，这说明锚杆初期较好地控制了围岩变形。巷道顶板离层观测巷道顶板离层采用lx-2型顶板离层指示仪进行观测，顶板离层指示仪浅部基点3m，深部基点8m。从观测结果来看，距掘

11、进迎头15m范围内，顶板离层速度较快，在距迎头大于35m后，巷道顶板离层基本趋于稳定，在整个观测期间，巷道顶板深部离层值最大为35mm，浅部离层最大值为25mm。结语全长锚固不同于传统的锚固，其主要通过锚固剂的凝胶时间差来实现，具有端部锚固和全长锚固的优点，能够在较长的锚杆杆体上施加预紧扭矩，锚杆预应力扩散效果比较好，同时增加了对围岩滑动及离层的敏感度。与其它传统高强度端锚及加长锚相比，该支护系统对围岩变形及错动的控制能力更强，具有更大的优越性。通过该支护形式在大淑村矿的应用表明，该支护形式具有很高的使用价值，但仍存在一些问题，如巷道底鼓控制上有待进一步加强，下一步对高应力区掘进巷道，可采用底板锚索全锚支护方法来解决这一问题。参考文献：1 康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术m北京:煤炭工业出版社，20072 王金华，我国煤巷锚杆支护技术的新发展j煤炭学报，2007，32(2):1131183 吴拥政，全长预应力锚固强力支护系统的应用研究a煤炭科学技术，20114 康红普，王金华，林健.高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用j煤炭学报，2007，32(12):1233-12385 吴拥政，锚杆杆体的受力状态及支护作用研究d北京:煤炭科学研究总院，200