樹脂錨桿支護在沙壩土礦的應用研究

蒙光林，何 濤，萬串串，秦二濤

(1．貴州開磷集團， 貴州貴陽 550302;2．中南大學資源與安全工程學院， 湖南長沙 410083)

樹脂錨桿支護在沙壩土礦的應用研究

蒙光林1，何 濤2，萬串串2，秦二濤2

(1．貴州開磷集團， 貴州貴陽 550302;2．中南大學資源與安全工程學院， 湖南長沙 410083)

隨著開磷礦山開采深度的不斷增加，巷道圍巖表現出的高應力軟巖特征越來越明顯。通過對深井高應力軟巖巖石變形特征和機理的研究，結合現場施工的實際，采用現場試驗檢驗的方法，成功實現了用樹脂錨桿取代管縫式錨桿的支護問題。結果表明，樹脂錨桿支護方式運用于開磷礦山井巷工程，巷道圍巖的穩定性得到大大加強，對于維護安全生產，提高巷道服務年限和服務質量，解決一段時期以來困擾工程施工及維護的難題有著非常重要的意義。本文以沙壩土礦段為試點，結合開拓工程所處紅頁巖的巖性，綜合考慮樹脂錨桿的支護原理，通過試驗論證和現場檢驗測試的方法，尋求可行的深井支護方法并加以推廣應用。

樹脂錨桿;深井支護;試驗研究;推廣應用

1 工程概述

貴州開磷礦山的開采已經有50多年的歷史，隨著開采的不斷深入，采礦已從露天近地表的開采轉入地下開采，目前垂直深度已超過200 m。相對淺地表的開采而言，深部開采時地壓明顯增大，地質構造更加復雜，井巷的支護難度逐步加大。長期以來，開磷礦山一直使用管縫式錨桿支護。在爆破振動等的影響下，其后期錨固力會有所減弱，當圍巖發生顯著位移時，管縫式錨桿會逐步失去其支護抗力。尤其是隨著深部井巷工程的開拓，巷道圍巖變形加劇，使管縫式錨桿暴露出諸多弊端。從750 m中段3#盤區斜坡道調查情況看出，巷道內彎幫普遍開裂剝落，局部片幫;拱部及外彎幫局部開裂剝落，片幫嚴重;部分地段有冒頂。

根據國內外工程人員與學者的研究成果可知，地質條件的變化是造成錨桿支護失效的主要原因［1～3］。

目前開拓區域礦體頂板圍巖為白云巖，底板為砂巖和紅頁巖，根據礦山的規劃及采礦井巷工程的布置，大部分開拓工程均布置在礦體底板紅頁巖里。紅頁巖并不是傳統意義上的地質軟巖，但在高應力條件下會發生明顯的脆延轉化，發生顯著的塑性變形，表現出較明顯的工程軟巖性質，長期強度降低，流變特征增強。由于其礦物成分中含有粘土類的蒙脫石等成分，遇水時發生明顯的膨脹和軟化，使其工程力學屬性明顯劣化。其力學性質見表1。

管縫式錨桿與紅頁巖間的環向壓力也加劇了紅頁巖的破碎，因此迫切需要尋找另一種可行錨桿支護方案。

表1 紅頁巖的力學性質

2 樹脂錨桿的作用機理

2．1 樹脂錨桿支護原理

樹脂錨桿支護后，通過錨固及其預應力的作用，使錨桿體與圍巖體形成共同體，其支護原理包括:

(1)擠壓加固作用，在碎裂結構巖體中，以一定方式布置的預應力錨桿群，各錨桿的預應力在錨桿兩端產生1個錐形壓縮區，并使其互相連接起來，可使松散圍巖形成“自承拱”，提高了圍巖的整體性，有效地控制了圍巖有害變形的發展，增大了圍巖的穩定程度;

(2)組合梁作用，錨桿穿過層狀巖體，使巖層層面和層理之間的摩擦力增大，將薄巖層組合成厚梁，阻止巖層間的分離、錯動，提高巖層的抗彎剛度和承壓能力;

(3)懸吊作用，錨桿把不穩定巖塊吊掛在穩定巖體上，限制不穩定巖塊的位移，防止其冒落［4～6］。

2．2 支護承載性能分析

目前開磷礦山采用的支護方式有砌碹、錨噴、錨網、錨桿、鋼拱架加強支護等幾種。從承壓性能分析可見，錨噴網混合支護在皮帶運輸巷或無軌運輸巷中由于斷面利用率高而被采用;管縫式錨桿因時間長易失效，錨桿的環向壓力擠壓紅頁巖，加速了圍巖的破壞;砌碹支護作為一種剛性支護，對頂壓、側壓較大和底鼓嚴重的礦井來說，適應性較差［7］。金屬支護特別是U型鋼拱架可縮支架，雖然適應性很強，返修費用極低，但由于鋼材價格高，一次性支護成本較高。砂漿錨桿支護效果較好，但在砂漿沒有硬化時，錨桿不能及時承載，而且從目前的施工工藝來看，砂漿錨桿的孔內砂漿充填率只有50% ～60%［8，9］，達不到設計要求。而如果采用抗拉、抗彎、抗壓強度和錨固力都較大的樹脂錨桿代替管縫式錨桿，能在幾分鐘內獲得較高的初錨力，故可用在各種不同的巖層中，而且沒有環向擠壓力，對圍巖破壞小。綜合考慮，樹脂錨桿在支護承載性能方面是最優的。

3 樹脂錨桿的的工業性試驗

3．1 樹脂錨桿的構成

圖1 樹脂錨桿支護設計

樹脂錨桿由桿體、托盤和樹脂藥卷組成。目前采用的錨桿體材料為直徑20 mm螺紋鋼，桿體長2．0～2．5 m，插入孔底的一端做成反麻花狀;托盤為150 mm×150 mm×6 mm的拱形金屬托盤，根據需要配用調心墊圈，保證其與圍巖的緊密接觸;樹脂藥卷由樹脂固化劑、加速劑和填料等材料配制而成，規格型號為MSCK2550。

3．2 樹脂錨桿的施工工藝

根據生產工作面的特殊環境，針對開拓巷道錨網噴支護的工藝特點，結合臺車打眼、裝藥放炮、錨網噴漿、出碴等生產組織的工藝要求，以及在班組實施的難易程度，制定出開拓工程中樹脂錨桿的施工試驗方案。

(1)根據設計要求確定錨桿孔位，用MQT－130/2．8－C錨桿機打孔;

(2)用壓風管伸入孔底，吹凈巖粉或采用鉆孔水清洗鉆孔，保證眼孔干凈清潔;

(3)裝錨固劑，將錨固劑裝入孔底，用錨桿頂住開始攪拌，攪拌的時間按照錨固劑型號和生產廠商規定的時間執行，攪拌完畢，卸下攪拌機具，達到凝固等待時間后，卸下攪拌聯接頭，裝上墊圈、錨盤、擰緊螺母，或者將裝上錨盤、墊圈、螺母的錨桿插入眼孔中進行攪拌，達到凝固等待時間后即可。

樹脂錨桿巷道支護設計如圖1所示。

3．3 試驗數據檢測

檢測的溫度條件為22℃，井下的常溫環境為18～22℃，符合測定標準。錨固力測定按照錨桿直徑的15倍錨固長度測定，根據錨桿直徑計算本試驗的錨固長度為37．5 cm，有關參數及測試結果見表2、表3。其中表3的錨固力是采用SW－300錨桿拉拔儀進行拉拔試驗后得出的平均數據。

表2 測試地點及操作參數

表3 兩種類型樹脂錨桿的參數

3．4 樹脂錨桿與管縫式錨桿對比

試驗的樹脂錨桿與原使用的管縫式錨桿的技術參數比較見表4。

表4 兩種錨桿的技術參數對比

從技術上分析，樹脂錨桿錨固能力是管縫式錨桿的2倍以上，而且孔徑要求小，材質質量高，對要求服務年限長、支護質量高的井巷工程有著非常重要的意義。從經濟上分析，開磷礦山每年要新增近20000 m巷道，老巷道的維護和整改費每年不低于百萬元以上，而且逐年在增加，采用新工藝樹脂錨桿支護，可以節約維護成本。具體而言，樹脂錨桿含施工費每套44元，比管縫式錨桿含施工安裝費每套39元增加成本5元/套，按開拓工程6000 m/a計算，每年成本增加33萬元，但是每年巷道的凈整改維修費就超過100萬元以上，在成本節約上具有經濟價值。從安全上分析，樹脂錨桿支護方式大大增加了巷道的安全可靠性，提高巷道的服務年限，改善了工作環境。

3．5 樹脂錨桿使用及效果評價

樹脂錨桿的試驗運用首先在沙壩土礦2#盤區石門，后在主水倉、640中段大巷工程等處實施，井下支護效果明顯，從樹脂錨桿支護錨噴的巷道來看，巷道變形破壞明顯減小，穩定性大大增強。從樹脂錨桿的試用情況和錨桿的整體受力分析來看，此錨桿是一種性能較好的錨桿，錨固力大、錨固及時、成本低、供貨方便，對開磷來說是一種較好的錨桿換代產品。樹脂錨桿能適應開磷礦山的地質條件，在井巷施工中有較大的推廣意義，并具有很好的經濟社會效益。

3．6 樹脂錨桿的推廣

通過近兩年的不斷探索，在開拓巷道工程中試驗論證，再試驗再論證，總結出了適應磷礦山井巷工程樹脂錨桿支護的施工工藝、支護參數，培養出了一支掌握該技術及操作方法的施工隊伍。樹脂錨桿支護工藝目前已全部推廣應用到公司的開拓工程中，已取得了明顯的支護效果，今后還要不斷的總結經驗，將該種方法應用到更多的工程和領域中去。

［1］ 李 凝，楊玉華．軟巖巷道支護技術調研［J］．煤炭工程，2003，(8)．

［2］ 余 嵐．錨桿支護失效原因分析及控制［J］．中國西部科技，2005，(6)．

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［4］ Lang．T．A．Theory and practice of rock bolting［J］．Trans．AIME．Society of Mining Engineers，1961，220:333 －348．

［5］ 江 波．錨桿支護理論發展與現狀［J］．山西建筑，2007，(21)．

［6］ 楊雙鎖，康立勛．煤礦巷道錨桿支護研究的總結與展望［J］．太原理工大學學報，2002，(4)．

［7］ 錢鳴高，劉聽成．礦山壓力及控制［M］．北京:煤炭工業出版社，1984．

［8］ 李樹清，馮 濤，王從陸，等．葛泉礦軟巖大巷底鼓機理及控制研究［J］．巖石力學與工程學報，2005，24(8)．

［9］ 程立朝，陸庭侃．膨脹特性對軟巖巷道圍巖變形規律的影響研究［J］．河南理工大學學報(自然科學版)，2006，(6)．

2010－11－16)

蒙光林(1971－)，男，貴州貴陽人，碩士，工程師，主要從事地下礦山井巷支護、地壓控制等方面的研究工作，Email:menggl120@sina．com。