煤矿巷道锚索锚固力井下试验研究

2019-01-17张剑

采矿与岩层控制工程学报 2018年6期

张剑

(1.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

预应力树脂锚索加固技术已广泛应用到治理矿山等复杂地质工程中，成为必不可少的关键核心技术[1]。因我国矿山工程地质条件差异性悬殊，影响锚索加固围岩效果的因素众多且复杂，但锚索在围岩内的锚固效果直接影响其加固效果。有关预应力树脂锚索锚固效果的影响因素方面的研究，国内学者已开展了大量工作，并取得了丰硕的研究成果。康红普等[2]实测顶板含水状态下锚索的拉拔力，试验表明当围岩含水量增加锚索拉拔力不断降低；薛亚东和黄宏伟[3]分析研究了锚索锚固长度、孔径、树脂药卷包装膜和水等对锚固力的影响规律；王清标等[4]对坚硬岩体、软弱岩体、破碎岩体以及土体所造成的预应力锚索锚固力损失规律进行了研究；唐孟雄[5]开展了基坑工程预应力锚索锚固力试验研究。本文选择塔然高勒煤矿井下巷道复合顶板岩层条件，开展了不同岩层层位锚索锚固力现场试验，分析了影响树脂锚索锚固力大小的因素，为类似工程地质条件锚索锚固力确定提供参考依据。

1 试验设计

1.1 试验巷道围岩分布特征

试验地点选择在塔然高勒煤矿回风大巷探放水钻场，巷道沿3-1煤层顶板掘进，采用钻孔窥视的方法[6]，探明了顶板岩层分布特征，岩层岩性分布见图1，煤层直接顶由2.0m厚灰色砂质泥岩组成，中间夹炭质泥岩和煤线，胶结较为疏松；之上约厚1.5m的2-2煤层，其完整性较好；2-2煤层之上分布约0.5m厚的泥岩，呈灰黑色或黑色，胶结疏松；再往上由厚超过40m的砾岩构成，层间充填大量卵石，卵石间为钙质胶结。再采用钻孔触探法[7]测量出对应岩层的强度，砂质泥岩强度为22.77MPa，2-2煤层强度为14.85MPa，2号煤层顶板泥岩强度为27.24MPa，砾岩层强度超过100MPa。钻孔窥视结果表明，试验巷道围岩由砂质泥岩、煤层、泥岩及砾岩组成的复合岩层，而围岩强度测量表明砾岩强度最大，其次泥岩和砂质泥岩，最小为煤层。

图1 顶板岩层分布

1.2 试验方案

试验选用1860MPa强度等级钢绞线，捻制方式为1×19股，直径22mm的高强度锚索，其理论极限破断载荷约为580kN[8]。采用Z2360型中速树脂锚固剂，开展3组锚索长度不同，锚固长度相同井下现场锚固力试验，方案详见表1，各组锚索编号及布置形式见图2。

表1 试验方案

图2 锚索布置

1.3 试验结果

采用普通锚索钻机钻孔，距3-1煤层顶板约4.0m进入到砾岩层，钻进速度极速减慢，钻孔进度非常缓慢，2.0m砾岩层钻孔耗时约60min，窥视显示砾岩层卵石胶结致密，岩层坚硬，耗损4个金刚石钻头，见图3。考虑到砾岩层打孔费时费力，第2组长度7.0m编号B2锚索钻孔实际孔深为6.1m，编号B1和B3两根长度7.0m锚索钻孔实际深度均为5.2m。

图3 金刚石钻头

原本开展3组9根锚索锚固力井下试验，但因第1组编号A1长度5.5m锚索和第2组编号B1和B3两根长度7.0m锚索因安装过程树脂锚固剂搅拌失效，张拉设备表头压力仅30kN时即被拉出，导致试验失败；而第3组编号C1和C3两根长度4.3m锚索因钻孔超深，锚索外露长度过短，造成张拉千斤顶无法夹住锚索索体，导致试验无法进行。锚索锚固力试验数据详见表2。锚索锚固层位见图4。

表2 试验结果

图4 锚索锚固层位

2 结果分析

2.1 初步结论

参照文献[9]，锚索直径22mm，锚固剂长度600mm，则理论锚固长度700mm，试验用张拉千斤顶油缸承载面积为5.89×10-4m2，根据锚索锚固力井下试验结果，对照表2和图4，得到以下结论：

(1)第1组5.5m长锚索，其中编号A2锚索钻孔外露长度0.8m，伸入钻孔岩层长度4.7m，0.7m锚固长度有0.6m位于砾岩层，剩余0.1m位于泥岩层，张拉油泵压力达到30MPa时，锚固段松动发生20mm位移，表明锚索锚固体损坏，锚固段既位于砾岩层又位于泥岩层A2锚索锚固力为176.92kN。编号A3锚索钻孔外长度0.5m，安装于岩层中长度为5.0m，0.7m长锚固段全部伸入砾岩层，张拉油泵压力达32MPa时，锚索锚固段发生松动出现10mm移动，则显示锚固体被拉坏，锚固段全部位于砾岩层A3锚索锚固力为188.48kN。

(2)第2组编号B2长7m锚索外露长度0.9m，实际伸入顶板岩层长度为6.1m，0.7m长锚固段都位于砾岩层，张拉油泵压力达到28MPa时，锚固段出现松动且发生32mm的显著位移，说明锚索锚固体被破坏，锚固段全部位于砾岩层B2锚索锚固力为164.92kN。

(3)第3组编号C2长4.3m锚索钻孔外露长度为0.3m，锚索伸入钻孔深度为4.0m，0.7m长锚固段有0.42m位于泥岩层，剩余有0.28m位于2-2煤层，张拉千斤顶压力上升到22MPa时，锚索锚固段即出现松动破坏，锚索迅速被拉出50mm，说明锚索锚固体被拉坏，锚固段既锚固在泥岩又锚固在煤层C2锚索锚固力仅为129.58kN。

2.2 综合分析

钻孔孔径、树脂锚固剂质量及顶板岩层含水量等都对锚索锚固力有很大影响[3]。本次试验锚索直径22mm，锚固剂直径23mm，钻孔钻头直径30mm，对照文献[9]其三径匹配合理。而树脂锚固剂的抽检表明其为合格产品，且试验巷道顶板钻孔无淋水。一般井下安装要求锚索外露长度不超过300mm，按此规定试验锚索实际有效长度分别为4.3m，5.0m，5.3m，6.4m，对应锚固力见图5。

图5 锚索锚固力

(1)5.3m和6.4m长度锚索锚固段都位于砾岩层，较短5.3m锚索锚固力为188.48kN，较长6.4m锚索锚固力为164.94kN，在岩性相同岩层后者相比前者的锚固力降低23.54kN，降幅约12.5%。主要由于锚索长度增加，锚索钻机搅拌树脂锚固剂效果差，造成锚索锚固力下降。何饼银等[10]进行锚索锚固试验研究也发现，锚索锚固力低的主要原因是由于锚索安装过程中树脂锚固剂搅拌不充分导致其两种化学成分无法充分混合均匀造成的，试验结果与其研究相吻合。

(2)5.0m长锚索锚固段86%位于砾岩，14%位于泥岩，其锚固力大小为176.92kN，而锚固段全部在砾岩层5.3m长锚索其锚固力大小为188.48kN，锚索锚固段位于同一岩性岩层相比位于两种不同岩性岩层其锚固力增大11.56kN，增幅达到6.5%。王清标等[4]的研究表明岩土体性质不同，引起的预应力锚索锚固力损失也不相同；岩土体质量越好，在相同初始锚固力条件下其锚固力损失就越小。而现场围岩强度测量结果也表明，砾岩强度显著高于泥岩强度，表明砾岩层锚索锚固质量明显优于泥岩层。

(3)4.3m长锚索锚固段有280mm位于煤层，有420mm位于泥岩层，其锚固力仅仅129.58kN，相比锚固段都位于砾岩层长度为5.3m和6.4m的其他两根锚索，其锚固力分别减少58.90kN和47.34kN，降幅分别达到31.3%和26.8%，张发明等[11]研究认为锚索锚固力损失与岩体的强度及结构特性有关，更加证实煤岩体强度质量对其锚固性能有显著影响。

塔然高勒煤矿3-1煤层顶板属于复合岩层，至坚硬砾岩层间距约4.0m左右，砾岩硬度大钻孔钻进速度缓慢，耗费时间过长，严重制约锚索施工速度，故锚索长度不宜太长；另外结合王金华等[12]的研究，锚索适宜长度应选择4.0～6.0m。为保证锚索达到足够锚固力，应适当把锚索锚固到稳定的砾岩层，又尽可能避开软弱的泥岩和煤层，同时考虑锚索施工速度等因素，综合确定回风大巷顶板锚索长度5.3m。