树脂锚杆支护在沙坝土矿的应用研究

蒙光林，何 涛，万串串，秦二涛

(1．贵州开磷集团， 贵州贵阳 550302;2．中南大学资源与安全工程学院， 湖南长沙 410083)

树脂锚杆支护在沙坝土矿的应用研究

蒙光林1，何 涛2，万串串2，秦二涛2

(1．贵州开磷集团， 贵州贵阳 550302;2．中南大学资源与安全工程学院， 湖南长沙 410083)

随着开磷矿山开采深度的不断增加，巷道围岩表现出的高应力软岩特征越来越明显。通过对深井高应力软岩岩石变形特征和机理的研究，结合现场施工的实际，采用现场试验检验的方法，成功实现了用树脂锚杆取代管缝式锚杆的支护问题。结果表明，树脂锚杆支护方式运用于开磷矿山井巷工程，巷道围岩的稳定性得到大大加强，对于维护安全生产，提高巷道服务年限和服务质量，解决一段时期以来困扰工程施工及维护的难题有着非常重要的意义。本文以沙坝土矿段为试点，结合开拓工程所处红页岩的岩性，综合考虑树脂锚杆的支护原理，通过试验论证和现场检验测试的方法，寻求可行的深井支护方法并加以推广应用。

树脂锚杆;深井支护;试验研究;推广应用

1 工程概述

贵州开磷矿山的开采已经有50多年的历史，随着开采的不断深入，采矿已从露天近地表的开采转入地下开采，目前垂直深度已超过200 m。相对浅地表的开采而言，深部开采时地压明显增大，地质构造更加复杂，井巷的支护难度逐步加大。长期以来，开磷矿山一直使用管缝式锚杆支护。在爆破振动等的影响下，其后期锚固力会有所减弱，当围岩发生显著位移时，管缝式锚杆会逐步失去其支护抗力。尤其是随着深部井巷工程的开拓，巷道围岩变形加剧，使管缝式锚杆暴露出诸多弊端。从750 m中段3#盘区斜坡道调查情况看出，巷道内弯帮普遍开裂剥落，局部片帮;拱部及外弯帮局部开裂剥落，片帮严重;部分地段有冒顶。

根据国内外工程人员与学者的研究成果可知，地质条件的变化是造成锚杆支护失效的主要原因［1～3］。

目前开拓区域矿体顶板围岩为白云岩，底板为砂岩和红页岩，根据矿山的规划及采矿井巷工程的布置，大部分开拓工程均布置在矿体底板红页岩里。红页岩并不是传统意义上的地质软岩，但在高应力条件下会发生明显的脆延转化，发生显著的塑性变形，表现出较明显的工程软岩性质，长期强度降低，流变特征增强。由于其矿物成分中含有粘土类的蒙脱石等成分，遇水时发生明显的膨胀和软化，使其工程力学属性明显劣化。其力学性质见表1。

管缝式锚杆与红页岩间的环向压力也加剧了红页岩的破碎，因此迫切需要寻找另一种可行锚杆支护方案。

表1 红页岩的力学性质

2 树脂锚杆的作用机理

2．1 树脂锚杆支护原理

树脂锚杆支护后，通过锚固及其预应力的作用，使锚杆体与围岩体形成共同体，其支护原理包括:

(1)挤压加固作用，在碎裂结构岩体中，以一定方式布置的预应力锚杆群，各锚杆的预应力在锚杆两端产生1个锥形压缩区，并使其互相连接起来，可使松散围岩形成“自承拱”，提高了围岩的整体性，有效地控制了围岩有害变形的发展，增大了围岩的稳定程度;

(2)组合梁作用，锚杆穿过层状岩体，使岩层层面和层理之间的摩擦力增大，将薄岩层组合成厚梁，阻止岩层间的分离、错动，提高岩层的抗弯刚度和承压能力;

(3)悬吊作用，锚杆把不稳定岩块吊挂在稳定岩体上，限制不稳定岩块的位移，防止其冒落［4～6］。

2．2 支护承载性能分析

目前开磷矿山采用的支护方式有砌碹、锚喷、锚网、锚杆、钢拱架加强支护等几种。从承压性能分析可见，锚喷网混合支护在皮带运输巷或无轨运输巷中由于断面利用率高而被采用;管缝式锚杆因时间长易失效，锚杆的环向压力挤压红页岩，加速了围岩的破坏;砌碹支护作为一种刚性支护，对顶压、侧压较大和底鼓严重的矿井来说，适应性较差［7］。金属支护特别是U型钢拱架可缩支架，虽然适应性很强，返修费用极低，但由于钢材价格高，一次性支护成本较高。砂浆锚杆支护效果较好，但在砂浆没有硬化时，锚杆不能及时承载，而且从目前的施工工艺来看，砂浆锚杆的孔内砂浆充填率只有50% ～60%［8，9］，达不到设计要求。而如果采用抗拉、抗弯、抗压强度和锚固力都较大的树脂锚杆代替管缝式锚杆，能在几分钟内获得较高的初锚力，故可用在各种不同的岩层中，而且没有环向挤压力，对围岩破坏小。综合考虑，树脂锚杆在支护承载性能方面是最优的。

3 树脂锚杆的的工业性试验

3．1 树脂锚杆的构成

图1 树脂锚杆支护设计

树脂锚杆由杆体、托盘和树脂药卷组成。目前采用的锚杆体材料为直径20 mm螺纹钢，杆体长2．0～2．5 m，插入孔底的一端做成反麻花状;托盘为150 mm×150 mm×6 mm的拱形金属托盘，根据需要配用调心垫圈，保证其与围岩的紧密接触;树脂药卷由树脂固化剂、加速剂和填料等材料配制而成，规格型号为MSCK2550。

3．2 树脂锚杆的施工工艺

根据生产工作面的特殊环境，针对开拓巷道锚网喷支护的工艺特点，结合台车打眼、装药放炮、锚网喷浆、出碴等生产组织的工艺要求，以及在班组实施的难易程度，制定出开拓工程中树脂锚杆的施工试验方案。

(1)根据设计要求确定锚杆孔位，用MQT－130/2．8－C锚杆机打孔;

(2)用压风管伸入孔底，吹净岩粉或采用钻孔水清洗钻孔，保证眼孔干净清洁;

(3)装锚固剂，将锚固剂装入孔底，用锚杆顶住开始搅拌，搅拌的时间按照锚固剂型号和生产厂商规定的时间执行，搅拌完毕，卸下搅拌机具，达到凝固等待时间后，卸下搅拌联接头，装上垫圈、锚盘、拧紧螺母，或者将装上锚盘、垫圈、螺母的锚杆插入眼孔中进行搅拌，达到凝固等待时间后即可。

树脂锚杆巷道支护设计如图1所示。

3．3 试验数据检测

检测的温度条件为22℃，井下的常温环境为18～22℃，符合测定标准。锚固力测定按照锚杆直径的15倍锚固长度测定，根据锚杆直径计算本试验的锚固长度为37．5 cm，有关参数及测试结果见表2、表3。其中表3的锚固力是采用SW－300锚杆拉拔仪进行拉拔试验后得出的平均数据。

表2 测试地点及操作参数

表3 两种类型树脂锚杆的参数

3．4 树脂锚杆与管缝式锚杆对比

试验的树脂锚杆与原使用的管缝式锚杆的技术参数比较见表4。

表4 两种锚杆的技术参数对比

从技术上分析，树脂锚杆锚固能力是管缝式锚杆的2倍以上，而且孔径要求小，材质质量高，对要求服务年限长、支护质量高的井巷工程有着非常重要的意义。从经济上分析，开磷矿山每年要新增近20000 m巷道，老巷道的维护和整改费每年不低于百万元以上，而且逐年在增加，采用新工艺树脂锚杆支护，可以节约维护成本。具体而言，树脂锚杆含施工费每套44元，比管缝式锚杆含施工安装费每套39元增加成本5元/套，按开拓工程6000 m/a计算，每年成本增加33万元，但是每年巷道的净整改维修费就超过100万元以上，在成本节约上具有经济价值。从安全上分析，树脂锚杆支护方式大大增加了巷道的安全可靠性，提高巷道的服务年限，改善了工作环境。

3．5 树脂锚杆使用及效果评价

树脂锚杆的试验运用首先在沙坝土矿2#盘区石门，后在主水仓、640中段大巷工程等处实施，井下支护效果明显，从树脂锚杆支护锚喷的巷道来看，巷道变形破坏明显减小，稳定性大大增强。从树脂锚杆的试用情况和锚杆的整体受力分析来看，此锚杆是一种性能较好的锚杆，锚固力大、锚固及时、成本低、供货方便，对开磷来说是一种较好的锚杆换代产品。树脂锚杆能适应开磷矿山的地质条件，在井巷施工中有较大的推广意义，并具有很好的经济社会效益。

3．6 树脂锚杆的推广

通过近两年的不断探索，在开拓巷道工程中试验论证，再试验再论证，总结出了适应磷矿山井巷工程树脂锚杆支护的施工工艺、支护参数，培养出了一支掌握该技术及操作方法的施工队伍。树脂锚杆支护工艺目前已全部推广应用到公司的开拓工程中，已取得了明显的支护效果，今后还要不断的总结经验，将该种方法应用到更多的工程和领域中去。

［1］ 李 凝，杨玉华．软岩巷道支护技术调研［J］．煤炭工程，2003，(8)．

［2］ 余 岚．锚杆支护失效原因分析及控制［J］．中国西部科技，2005，(6)．

［3］ 何满潮．软岩的概念、分类及支护对策［J］．煤矿开采，1994，(2)．

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

［5］ 江 波．锚杆支护理论发展与现状［J］．山西建筑，2007，(21)．

［6］ 杨双锁，康立勋．煤矿巷道锚杆支护研究的总结与展望［J］．太原理工大学学报，2002，(4)．

［7］ 钱鸣高，刘听成．矿山压力及控制［M］．北京:煤炭工业出版社，1984．

［8］ 李树清，冯 涛，王从陆，等．葛泉矿软岩大巷底鼓机理及控制研究［J］．岩石力学与工程学报，2005，24(8)．

［9］ 程立朝，陆庭侃．膨胀特性对软岩巷道围岩变形规律的影响研究［J］．河南理工大学学报(自然科学版)，2006，(6)．

2010－11－16)

蒙光林(1971－)，男，贵州贵阳人，硕士，工程师，主要从事地下矿山井巷支护、地压控制等方面的研究工作，Email:menggl120@sina．com。