软弱煤岩体巷道围岩锚固力衰减特性研究*

张　辉 ,李国盛，程利兴

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000; 2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院, 北京 100013;3.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454000)

0　引言

软弱煤岩体是软岩巷道的主要表现形式，其特性主要体现在煤岩体的“软”和“弱”2种属性，“软”表现出岩石强度低、塑性大、黏土矿物易膨胀；而“弱”表现出煤岩体受地质构造的作用破坏了原有煤岩体的强度，形成较多的弱面，易破碎、易滑移冒落[1-5]。对于此类岩体，锚杆锚固后其锚固性能表现出2大特征：“软”的岩体在锚杆孔采用湿式打孔，孔壁出现泥化膨胀，树脂锚固剂与孔壁粘结性差，表现出边锚边脱落的现象；“弱”的岩体结构较发育，锚杆锚固后锚固剂与孔壁粘结性虽然较强、初期具有较强的锚固力，但随着锚杆受力增大，孔壁周围破碎岩体发生松动滑移，锚固力快速衰减失效。

目前，提高软弱煤岩体锚固力的方法主要有加长锚固法、注浆加固法[6-8]等。康红普、林建等[9-11]采用注浆与强力锚杆、锚索联合加固松软破碎井筒，取得了较好的效果；张农、李贵臣[12-14]等对泥质巷道锚网索匹配注浆加固的方法，一定程度上控制了围岩变形破坏；孟庆彬等[15-16]分析了泥质弱胶结软岩巷道变形破坏特征与机理，采用联合支护技术方案有效地控制了泥质弱胶结软岩巷道的大变形与底鼓。但软弱煤岩体全长锚固力虽然有所提高，但提高效果往往较低，锚固力衰减较快。而注浆加固一方面提高了巷道支护的工艺要求，另一方面增大了巷道支护成本。鉴于此，利用自行研发的倒楔形扩孔装置，对软弱煤岩体进行孔底扩孔锚固相似材料模拟试验，研究软弱煤岩体锚固孔底扩孔状态下锚固力的衰减特性，为软弱煤岩体巷道锚网支护提供重要借鉴。

1　试验原理

试验采用实验室相似材料模拟的方法进行,将相似材料装填到模具内。在模具两端正常钻打相同深度的锚杆孔，为进行对比试验，在其中的一端进行孔底倒楔形扩孔，并进行树脂锚固剂锚固；在另一端正常锚固，制作成如图1所示的测试试件。

图1　试件制作原理Fig.1　Specimen production schematic

试件制作好后，利用锚杆拉拔计进行2种锚固状态下的力学试验；采用锚杆测力计和光栅位移计记录锚固力与位移的关系，如图2所示。其中，光栅位移计的光栅尺安装在模具的壁上，光栅尺磁头与托盘固定，锚杆在不断拉伸过程中，托盘带动光栅尺磁头移动，通过光栅尺数显表记录数据。

图2　软弱岩体锚固特性试验原理Fig.2　Schematic diagram of anchorage characteristics of weak rock mass

2　试验设计

2.1　试验模型材料选取

2.1.1相似材料的确定

模型的相似材料为沙子、水泥、石膏、碳酸钙等，结合相似材料不同配比号条件下的力学特性，配比号尽量选取最大限度的接近软弱岩体(1 MPa左右)的强度。实验室分别选取4种不同强度的相似模拟材料进行试件的制作，相似模拟材料的配比选用配比号分别为573(沙子、水泥、石膏)、555(沙子、水泥、石灰)、737(沙子、石膏、碳酸钙)和637(沙子、石膏、碳酸钙)4种，其单轴抗压强度分别为0.761，0.851，1.261和1.531 MPa，分别制作模型1～4。4种配比号的强度均符合软弱岩体的强度要求，且强度呈逐渐增大趋势，有利于对比分析。

2.1.2制作试件模具的尺寸

模具采用内径φ160 mm，长度2 000 mm，壁厚15 mm带耳朵的半圆形，磨具耳朵上每个300 mm有直径15 mm的圆孔，试件制作时，将梁半圆对扣，利用螺栓在耳朵处固定作为试件制作的磨具。

2.1.3锚杆及锚固剂的选取

锚杆为HRB335左旋螺纹钢，直径20 mm，长度1 200 mm；锚固剂型号为K2335树脂锚固剂。

2.2　模型制作

将4种相似模拟材料按水灰比1∶0.3拌合均匀后分别填入4套两端开口的模具内，利用直径150 mm重力5 kg的圆形落锤捣实，相似材料在模具内养护28 d。其强度达到设计要求后，在模具两端分别钻打直径为28 mm，深度为800 mm锚杆钻孔。为保证在2侧钻孔进行锚固和拉拔不受干扰，模型内中间留有400 mm的间距。其后，在模具一端进行模型锚杆孔孔底倒楔形扩孔，采用的扩孔刀具如图3(a)所示，扩孔效果如图3(b)所示。扩孔段直径明显比正常钻孔直径大，扩孔段最大直径处为5 mm，扩孔段轮廓线与钻孔轴心的夹角为7°左右。在进行锚固时，使用的左旋螺纹钢锚杆在旋转推进时将锚固剂挤入扩孔空间，保证了扩孔段形成锚固剂倒楔体、增强锚杆锚固力。

图3　扩大倒楔形扩孔Fig.3　Expanded wedge-shaped reaming

2.3　试验测试仪器

2.3.1锚杆施加应力设备

锚杆施加应力采用锚杆拉拔计，为矿用锚杆锚固力检测设备。其中中空千斤顶的量程为200 kN，油缸最大伸缩量150 mm，采用手摇泵缓慢加压，数显表实时显示千斤顶油压。

2.3.2锚杆位移过程监测

锚杆位移采用JCS900—2AC光栅监测仪进行监测，包括光栅尺和数据接收处理器。光栅尺测量精度为0.01 mm，测量范围为0～400 mm，数据接收处理器实时记录在某一时刻的位移量，可实时显示位移与时间的关系曲线，记录数据实现以表格形式导入计算机。

2.3.3锚杆受力过程监测

锚杆受力采用KJ327-F型智能数字锚杆测力仪进行测量，实现了无纸化、智能化，测试精度达到0.1%，测量范围为0～200 kN。

2.4　试验过程

首先将制作好的4种不同材料的试验模型两端钻打锚杆孔，将模型其中的一端进行孔底扩孔；其次，利用帮锚杆钻机分别进行锚杆树脂锚固剂锚固，为保证锚固剂固化效果，0.5 h后进行锚固特性试验。然后将试验设备和监测仪器按试验要求安装、调试。调试完毕后分别对4种材料模型正常锚固和扩孔锚固状态下力学特征试验，如图4所示。

图4　软弱煤岩体锚杆锚固特性实验室试验Fig.4　Laboratory test of anchor anchorage characteristics of soft coal and rock mass

3　试验结果分析

3.1　不同锚固状态下锚杆锚固力衰减规律分析

图5为4种低强度模型不同锚固状态下锚杆锚固力与位移的关系曲线。从图中可以看出：

1)锚杆锚固力随位移变化的过程中，均出现“突变点”，且在“突变点”前后锚杆锚固力变化趋势出现2个阶段。“突变点”前锚杆随位移增大锚固力迅速增加；“突变点”后锚杆锚固力急剧降低，之后随锚杆位移增加锚固力增加趋势变缓。

2)“突变点”处扩孔锚固的最大锚固力显著大于未扩孔锚固状态。且其峰值处模型1扩孔锚固力是正常锚固状态的3.5倍，模型2、模型3和模型4扩孔锚固力分别为1.5倍、3.0倍、3.1倍，在相似材料强度降低时，随着相似材料强度的增加并未变现出扩孔锚固与正常锚固状态锚固力增加的倍数，但显著提高了锚固力的绝对值。

3)“突变点”前阶段扩孔锚固与正常锚固力与位移曲线没有显著区别，随着位移增加，锚固力迅速升高，表明锚杆均处于锚固状态。“突变点”后阶段，锚固力出现跳跃式变化，表明锚固剂与孔壁脱离，锚杆处于脱锚状态，锚杆受力为残余锚固力。

4)锚杆处于脱锚后正常锚固状态下残余锚固力瞬间衰减，衰减到几乎为0；而扩孔锚固状态下残余锚固力衰减力度较小，并且可能出现残余锚固力大于脱锚力的情况。

5)扩孔锚固与正常锚固残余锚固力将趋于平稳，但扩孔锚固的残余锚固力远高于正常锚固状态下的残余锚固力。

图5　不同锚固状态下锚杆锚固力与位移的关系曲线Fig.5　Curve of anchoring force and displacement of anchor under different anchoring states

3.2　不同锚固状态下锚杆树脂锚固效果分析

图6为模型不同锚固状态下锚杆树脂锚固后锚固段锚固效果锚固力试验后剖开图。由图6(a)可知，正常锚固状态下，锚固剂与锚杆附着状态完好，表明锚固剂与孔壁产生脱锚而发生位移。

图6(b)扩孔后进行的树脂锚固效果较好，受扩孔装置的影响，扩孔锚固分为孔底锚固段、扩孔锚固段和正常锚固段3部分，孔底锚固段与正常锚固段作用效果一致，扩孔锚固段为倒楔形锚固体，3段与锚杆附着状态较好，表明扩孔锚固状态下锚固剂与孔壁也发生脱离而发生位移。

图6(b)中扩孔锚固段出现弧形挤压破坏区，表明扩孔锚固状态下，锚固剂与孔壁发生脱锚后，扩孔段较高强调的锚固剂与孔壁产生剪应力，锚固剂挤压孔壁产生的破坏，进一步表明扩孔锚固状态下锚杆脱锚后锚固力衰减较低的原因及一定程度上高于“突变点”处的锚固力。

图6　不同锚固状态下树脂锚固效果Fig.6　Resin anchoring effect in different anchoring states

4　结论

1)试验得出锚杆扩孔锚固状态下“突变点”处扩孔锚固的最大锚固力显著大于未扩孔锚固状态，其扩孔锚固是正常锚固状态下平均提高2.8倍。

2)试验发现锚杆发生脱锚后(突变点后阶段)，正常锚固状态下残余锚固力瞬间衰减，衰减到几乎为0；而扩孔锚固状态下残余锚固力衰减力度较小，并且出现残余锚固力大于脱锚力的情况。

3)通过锚固效果发现软弱煤岩体锚固段发生脱锚界面为锚固剂与孔壁的交界面，脱锚后扩孔段锚固剂对倒楔形孔壁产生挤压破坏，从而提高软弱煤岩体残余锚固力，为解决软弱煤岩体巷道锚网支护技术难题提供了新思路。

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