玻璃钢锚杆在金属矿巷道中的应用

玻璃钢锚杆在金属矿巷道中的应用

在金属矿床地下采区，矿岩性质和地压活动是影响道路稳定性的重要因素。合理的道路维护可以有效预防或减少围岩变形，确保道路的稳定性。从AlfredBusch于1912年在Friedens煤矿使用锚杆支护顶板开始,锚杆支护已经过了百年实践,锚杆支护理论也得到了深入研究和发展,有LouisA.Panek提出的悬吊理论、德国科学家Jacobio等人提出的组合梁作用理论、T.L.V.Rabcewicz提出的拱形压缩带作用等。此外,我国研究人员也取得了大量研究成果,如孙钧和宋德彰的理论分析模型、孙学毅的全长锚固无托板锚杆力学模型、王明恕的中性点理论、董方庭的松动圈理论等。锚杆支护理论的发展不但解释了锚杆与岩体的相互作用,而且为锚杆支护设计提供了理论依据和方法。因此,锚杆支护已经成为金属矿山最普遍的支护形式。但是金属矿山开采条件复杂,且矿岩中硫化物遇水后形成的酸性成分对金属锚杆有较大腐蚀作用,导致金属锚杆因腐蚀而大量失效,从而降低了巷道稳定性,增加了生产安全隐患。此外,采用金属锚杆支护的巷道破坏后,进行二次支护的成本和难度都较高。20世纪90年代以来,国外开始采用纤维塑料筋非金属锚杆来替代传统的钢锚杆进行支护,并在边坡、基坑、矿井、隧道、地下工程、坝体、航道、机场、港口以及抗倾、抗浮结构等工程建设中得到应用。纤维增强塑料锚杆在日本和欧美的应用实例表明,该技术已经成熟,安装在工程中的锚杆性能符合预期要求,与钢锚杆相比,具有一定的经济性和不可替代性。国内学者研究认为,纤维增强塑料锚杆具有抗腐蚀、抗拉强度高、自重轻等特点,因此,用纤维增强塑料锚杆代替钢锚杆,具有不需要防腐保护、结构简单、质量轻、易于制造、易于运输和安装、预应力损失小等优点。玻璃钢锚杆是一种由玻璃纤维和树脂组成的复合材料锚杆,其抗拉强度相对较大,但其抗剪、抗扭、抗弯强度相对较低,目前已成为非金属塑料纤维锚杆中最常用的锚杆类型,在岩土、水利工程中已经有着较广泛应用。中国矿业大学、煤炭科学总院、辽宁工程技术大学等单位近年来对非金属锚杆在煤矿巷道支护中的应用进行了研究,取得了一定成功并获得了良好的经济效益和社会效益。但是金属矿山开采技术条件及开采方式与煤矿截然不同,非金属锚杆在金属矿山的支护应用缺少理论研究和工程实践,因此,研究金属矿山玻璃钢锚杆支护技术对于改善金属矿山巷道支护现状具有重要意义。1支护方式采用喷锚网支护金山店铁矿是典型的矽卡岩型铁矿床,矿岩松软破碎,巷道垮冒严重。矿山目前采用的支护方式众多,主要支护形式有喷锚支护,喷锚网支护,以及钢支架联合支护等。在各种支护形式中,锚杆支护方式占主导地位,而使用最为普遍的锚杆是直径16mm,长度2000mm的螺纹钢砂浆锚杆。金山店铁矿采用掘支一体化的掘进技术,掘进超前支护3～5m。巷道掘进之后,采用喷锚网进行支护,锚杆排距1m,每排11根,钢筋网采用250mm×250mm的网度,喷层厚度100mm。金山店铁矿通过锚网支护有效保证了回采巷道稳定性,但是在含硫量较高且矿岩破碎、受采动压力影响严重的区域,支护的金属锚杆失效严重,巷道变形较大,并以垂向变形为主,在局部区域也发生较大侧向挤压变形,但没有出现巷道底鼓现象。调查显示,受巷道较大变形影响,其拱顶以及拱角部位首先发生破坏,此后巷道两帮和帮脚也发生片帮脱落破坏,进而导致整个巷道发生破坏。针对金山店铁矿目前巷道支护中存在的问题,分析认为在地质条件及开采环境恶化的情况下,现有支护方式采用的金属锚杆容易受到矿岩中硫化物的腐蚀而过早失效,且现用的无托盘金属锚杆无法施加预紧力,因而无法提供对岩体的挤压作用,岩体容易发生离层破坏。因此,研究采用尾部带托盘和螺母的全螺纹玻璃钢锚杆进行支护,分析其在金山店铁矿支护条件下的支护效果,并进行工程实践对改善金山店铁矿锚杆支护中存的问题具有重要意义。2应锚杆参数分析金山店铁矿采用无底柱分段崩落法开采,回采巷道布置在矿体中,将巷道支护数值计算模型中岩体类型全部简化为磁铁矿。根据对金山店铁矿岩体力学参数,计算出相应的岩体体积模量K和剪切模量G。计算中对于模型的开挖以及开挖后的空区选用FLAC3D内置的零模型(Null),而对于开挖前以及开挖后的非空区部分都采用摩尔-库仑塑性模型。选择的岩体力学参数见表1。根据拉拔试验获得的锚杆锚固力,计算出相应锚杆参数见表2。锚杆支护数值计算中,对全螺纹玻璃钢锚杆在尾部托盘螺母处施加20kN的预紧力,2种类型锚杆均采用全长锚固方式计算。计算后将不支护以及采用螺纹钢锚杆和玻璃钢锚杆支护分析结果进行整理,结果见表3。从表3中不同计算方案的主要计算结果可以看出,采用螺纹钢锚杆支护后,锚杆所受的最大轴力为58.9kN,最大轴向应力为231.8MPa,而螺纹钢锚杆水泥浆所受的最大应力只有0.938MPa,且在拱顶部位锚杆发生水泥浆滑移现象;采用玻璃钢锚杆支护后,锚杆所受的最大轴力为57.7kN,最大轴向应力为227.3MPa,锚杆水泥浆所受的最大应力则达到4.577MPa,没有发生锚杆水泥浆滑移现象。分析发现玻璃钢锚杆中性点基本靠近孔口以及托盘部位,这说明阻止岩体向巷道壁面变形的主要是孔口部位小段锚杆以及锚杆托盘,发生向壁面方向变形的巷道岩体深度较小;而螺纹钢锚杆中性点靠近锚杆中部,主要是中心点到孔口部位的锚杆以及水泥浆来阻止岩体向巷道壁面变形,发生向壁面变形的岩体深度较大。这表明,全长锚固预应力玻璃钢锚杆相比螺纹钢锚杆可以有效改变锚杆中性点位置,改善水泥浆应力分布特征,提高锚杆及水泥浆抵抗围岩向壁面变形的能力,且玻璃钢锚杆在螺母、托盘以及锚杆联合作用下抵抗巷道岩体离层破坏的能力远大于螺纹钢锚杆抵抗巷道岩体离层破坏的能力。3钢链固定安装在现场进行3.1巷道工程地质概况试验巷道选在金山店铁矿余华寺采区-228m水平505矿块中的16号、17号、18号、19号回采进路中,试验巷道长度分别为44、41、41、45m,设计巷道断面高3.3m,宽3.8m。4条巷道围岩等级为Ⅲ级,均为粉矿和矽卡岩破碎带,其中粉矿为粉砂状纯粉矿石,强度较低,巷道自稳时间短;矽卡岩带为矿岩接触破碎带,强度低且水理性强,遇水即发生强烈膨胀变形和强度迅速下降。该区段是金山店铁矿典型的难维护矿岩,已开采分段与其对应部位的巷道均发生过大面积的垮冒和破坏现象,支护返修率达70%以上。因而,试验选择的4条巷道工程地质环境复杂且具有典型性。试验中4条巷道同时掘进和支护,其中在16号、18号进路安装玻璃钢锚杆支护,在17号和19号进路采用螺纹钢锚杆支护,从而形成玻璃钢锚杆支护与螺纹钢锚杆支护在相同支护条件下的直观对比。试验巷道采用掘支一体化施工工艺,即在掘进出渣后马上采用喷锚网支护技术进行支护,支护采用ϕ16mm×1800mm的螺纹钢锚杆和ϕ18mm×1800mm的玻璃钢锚杆。锚杆排距1000mm,锚杆间距根据不同部位采用不同间距参数,即拱顶间距700mm,两帮间距900mm;两种类型锚杆均采用快硬水泥药卷全长锚固,锚固长度1700mm;玻璃钢锚杆在安装托盘和螺母时通过风动扳手施加约20kN预应力;锚网支护后喷射强度20MPa,厚度80～100mm的混凝土喷射层。试验巷道支护后立即在巷道中每隔10m间距布置1排位移监测点并及时监测巷道收敛变形情况。3.2试验巷道变形量金山店铁矿试验巷道收敛变形量如图1和图2所示。从图1中巷道两帮变形监测量看,金山店铁矿不管是采用玻璃钢锚杆还是螺纹钢锚杆支护,试验巷道两帮均发生持续性收缩变形,而没有出现明显的两帮变形减缓或稳定现象,其中18号试验巷道变形量最大,达到304.73mm。从图2中巷道顶板变形量看,金山店铁矿采用玻璃钢锚杆支护或采用螺纹钢锚杆支护后,其顶板都发生较大变形,其中18号回采巷道监测位置发生的顶板变形量达到111.95mm。从4条试验巷道变形量看,其变形量相对值大小依次是18号、19号、17号、16号。可见,在锚杆长度、间排距等支护参数相同的情况下,玻璃钢锚杆和螺纹钢锚杆在控制巷道整体变形方面没有明显的优劣,可以取得相同的巷道变形控制效果。但是,由于玻璃钢锚杆尾部托盘及螺母施加了预紧力,有效防止了巷道岩体的离层破坏及片帮现象,改善了巷道整体稳定性程度。3.3试验中存在的问题金山店铁矿试验巷道采用全螺纹玻璃钢锚杆支护,并由托盘螺母施加一定预紧力后,巷道整体稳定性较好,没有出现大范围岩体冒落、坍塌以及离层破坏现象,也没有发生玻璃钢杆体被拉断或剪切破坏现象,整体支护效果良好。但是玻璃钢锚杆在支护中仍存在一定问题和不足之处。首先,试验用玻璃钢锚杆螺母承载力不足,难以承载巷道较大变形。螺母较低的承载力导致现场试验中出现一定程度的螺母和托盘滑动脱落现象,即螺母托盘在岩体挤压作用下沿杆体螺纹发生滑丝直至完全脱落。由于托盘螺母的脱落而使玻璃钢锚杆失去对金属网及部分离层岩体的挤压和承载能力,从而导致部分由螺母托盘固定的金属网、水泥浆喷层及少量岩体发生离层脱落破坏。其次,裸露于锚杆孔外的玻璃钢锚杆尾部及托盘螺母在回采大爆破中易受爆破冲击波损坏而发生回采巷道眉线部位金属网及部分岩体垮冒现象。因此,在采用玻璃钢锚杆支护时,裸露于岩体外的杆体长度只需满足挂网、安装托盘和螺母即可,而在安装后进行喷浆时应将托盘及螺母完全覆盖,从而减少爆破冲击波及飞石对玻璃钢锚杆尾部的破坏。4金属矿山巷道离层片帮变形治理中第一大钢锚杆支护方案玻璃钢锚杆支护数值计算和现场试验表明,在相同地质及开采技术条件下,玻璃钢锚杆在控制巷道变形方面可以取得与螺纹钢锚杆相同的维护效果,但是玻璃钢锚杆施加托盘预紧力后可以有效改变锚杆中性点位置,并改善锚固水泥砂浆的受力特征,提高了锚杆及水泥浆共同抵抗围岩向壁面变形的能力,从而有效防止了巷道离层片帮破坏。工业实践表明,玻