深部硬岩条件下水胀式锚杆锚固性能研究

杨尚欢 刘再涛 朱乾坤 赵兴东

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿,山东 莱州 261442;2.东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819)

随着浅部资源的逐渐枯竭,深部开采已经成为矿业开发领域的必然趋势[1-2]。受深部复杂工程地质环境及开采活动影响,围岩地压灾害日趋严峻,出现诸如层裂、冒顶、片帮、岩爆等破坏形式[3]。矿山围岩支护是有效降低地压灾害的重要措施,也是当前深部开采研究的热点和难点问题。

水胀式锚杆是岩石力学工程常用的支护形式之一,广泛应用于隧道、采矿、水电工程等领域[4-8]。水胀式锚杆通过锚固界面的摩擦和机械自锁作用加固岩体,软岩和硬岩条件均可使用[9-10]。水胀式锚杆杆体是通过钢管折成Ω 形断面制成的,杆体两端均焊接有密封套管,其中外漏套管上有高压水注水孔(图1)。安装时先将锚杆置于锚固孔内,然后注入高压水使杆体膨胀,在高水压作用下锚杆挤压岩体使其外形适应不规则孔壁;安装结束后水压消失,受弹性恢复影响锚杆被卡在锚固孔内并对孔壁产生接触应力和机械自锁(图1)[9]。目前,常见的水胀式锚杆有Swellex 锚杆[11]、Omega 锚 杆[12]、EX300 ERB 锚杆[13]、新型RPE 锚杆[14]等。与传统锚杆相比,水胀式锚杆具有安装便捷、安装速度快、对爆破振动不敏感及抗岩爆等特点[12,15-17],因此在深部高应力巷道支护领域具有良好潜力。

图1 水胀式锚杆结构及其与围岩相互作用示意[9]Fig.1 Schematic of inflatable rock bolt structure and its interaction with surrounding rock

在三山岛金矿西山分矿深部-945 m 水平北巷选取试验点进行支护试验,结合拉拔试验及长周期水胀式锚杆内水压监测,探究深部硬岩条件下水胀式锚杆锚固性能,为深部硬岩巷道支护设计提供依据。

1 硬岩条件下水胀式锚杆接触力分析

对于水胀式锚杆而言,接触应力q是至关重要的参数。Wijk 等[11]给出接触应力的估算式:

式中,Pi为锚杆安装时作用在锚固孔壁的压力;ri为锚固孔半径;t为锚杆壁的厚度;Er为岩体弹性模量;vr为岩体的泊松比;Es为锚杆材料的弹性模量;vs为锚杆材料的泊松比。

式(1)成立的条件是水胀式锚杆能够充分膨胀成圆环且安装时产生的向外的弹性径向位移在水压消失后不会向内回弹[18-19]。

HÅkansson 等[10]推导出适用条件更广的接触应力计算式:

图2所示为硬岩中接触应力与弹性模量的关系,可以看出给定钻孔直径的情况下,接触应力值随着弹性模量的增加呈现先增加后逐渐降低的趋势,峰值接触应力随着钻孔直径的增加而增加。

图2 接触应力与围岩弹性模量的关系[10]Fig.2 The relations between contact stress and the Young's modulus[10]

2 水胀式锚杆试验研究

2.1 工程背景

三山岛金砂矿体主要赋存在三山岛断裂带中,岩性以黄铁绢英岩化碎裂岩、黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩、绢英岩化花岗岩为主。试验地点选择在西山分矿-945 m 北巷1 840 风联和S21184 采联之间,试验段支护长度28 m(图3)。根据工程地质、水文地质条件、节理裂隙调查、矿区地应力分布和岩石力学试验结果,选择Q分级和RMR分级2种方法进行岩体质量分级。根据实测数据,该区域岩体质量为Q=3.81,为Ⅲ级岩体;RMR=45.84,为Ⅲ级岩体,综合确定该区域的岩体质量等级为Ⅲ级。

图3 试验区域位置Fig.3 Location of test area

该区域支护所用锚杆为直径35 mm水胀式锚杆,长度为1 800 mm。钢筋网为ϕ10 mm的钢筋焊接而成。锚杆呈梅花状布置,根据施工区域岩体质量等级及岩石完整程度,支护间排距为1 000 mm×1 000 mm。较破碎区域,采用锚杆+金属网+喷浆支护,初次喷浆厚度5 cm,混凝土强度为C20,达到初凝强度后施工锚网支护,根据现场具体情况决定二次喷浆厚度。锚固孔钻凿、锚杆安装均由锚杆台车完成,应用人工操作设备进行锚杆内注水,共安装200 根水胀式锚杆。支护后效果见图4。安装后选取8～17#锚杆进行水压力监测,1～5#锚杆进行拉拔试验,同时在周边巷道选择4 根管缝式锚杆进行拉拔试验。

图4 试验段巷道支护效果Fig.4 Drift support of study area

2.2 拉拔试验分析

从图5 可以看出,硬岩条件下水胀式锚杆的拉拔力普遍高于管缝式锚杆。1～5#水胀式锚杆拉拔力的平均值为100.10 kN,1～4#管缝式锚杆拉拔力的平均值为27.51 kN,水胀式锚杆的平均拉拔力约为管缝式锚杆的3.64 倍。水胀式锚杆拉拔力比较大的根本原因是水胀式锚杆在高水压作用下,锚杆外壳能够适应钻孔壁的起伏变化并与其实现良好的贴合,能够有效增加与锚固孔壁的接触应力和机械咬合力,而管缝式锚杆难以达到该效果。

图5 锚杆拉拔试验结果对比Fig.5 Comparison of rock bolt pull-out test results

2.3 水胀式锚杆内水压变化规律

图6所示为典型的水胀式锚杆安装过程泵压—时间曲线。可以看出初始阶段高压水进入水胀式锚杆内部,逐渐充满管内直至注满,此时泵压显著升高,至A点锚杆开始膨胀,至B点时水胀式锚杆已得到充分膨胀。泵压值大小取决于水胀式锚杆的膨胀程度,水胀式锚杆在空气中完全膨胀所需水压为Pp0,传递到锚固孔壁的压力为Pi,其值等于最大泵压Ppmax与膨胀泵压Pp0之差。

图6 典型水胀式锚杆安装过程泵压—时间曲线[10]Fig.6 Typical pump pressure versus time curve of inflatable rock bolt installation [10]

水胀式锚杆内水压监测从2022年1月15日开始,结束于2022年2月22日。从图7 可以看出大多数水胀式锚杆能够稳定工作,水压能够基本保持稳定,说明水胀式锚杆在硬岩条件下工作状态较为稳定、可靠性比较强。8#锚杆在1月22日6点22分和17点22分2个孤立时间点压力突增至11.10 MPa和11.11 MPa,而其他时间变化均无跳跃式变化,其可能原因为传感器异常。15#锚杆由于密封不严,安装后杆内水压快速降低,发现该问题后及时处理,而后杆内水压基本保持不变。2月15日21点20分15#锚杆内水压力值瞬间降为0,其原因是杆体发生破坏,推测是钻孔内发生较大变形导致岩块压穿管壁或内部剪切错动剪坏杆体。2月15日22点05分16#锚杆内水压快速降低,其可能原因是该处围岩发生变形,杆体被拉伸导致水压降低,等变形稳定后该锚杆内水压基本保持不变。此外,从图7 也可以看出,除15#、16#锚杆外其余锚杆内水压变化趋势保持一致,压力的升高可以表明巷道围岩受采动应力影响导致钻孔发生弹性变形挤压杆体,这也为采动应力变化的监测提供一定程度的参考。

3 讨 论

从水胀式锚杆拉拔试验和杆体内水压监测数据可以看出,水胀式锚杆能够应用于深部硬岩巷道支护,锚杆工作性能稳定且可靠,具有大规模推广的潜力。但是仍存在一些问题亟待解决。

(1)抵抗岩爆等动载的性能。试验过程中巷道没有经受岩爆等动载作用,其抵抗岩爆的能力不得而知,下一步计划应用爆破模拟岩爆检验水胀式锚杆的工作性能。

(2)杆体的抗剪性能。通过判读杆体水压—时间曲线,15#锚杆极大可能是被剪坏,因此有必要开展硬岩结构面条件下水胀式锚杆抗剪性能研究。

(3)防腐蚀问题。三山岛金矿是我国第一个海底开采金属矿山,矿山内涌水(古海水)具有氯离子含量极高,此外西山矿区深部温度和湿度均较高,环境因素对铁质金属腐蚀性极强,导致杆体力学性能降低甚至被锈穿而出现锚固失效,所以在井下安装时要在水胀式锚杆外部喷涂防腐材料。另外,近年来也发展有耐腐蚀性材质的水胀式锚杆,例如PRE 水胀式锚杆材质为高强耐腐蚀性ZAM 钢板,该锚杆具有较高的刚度同时耐腐蚀性极强[14]。

4 结 论

(1)探讨了水胀式锚杆作用机制,即通过锚固界面的摩擦和机械自锁作用加固岩体;同时结合已有研究成果可以看出接触应力值随着弹性模量的增加呈现先增加后逐渐降低的趋势。

(2)通过拉拔试验发现硬岩条件下水胀式锚杆的拉拔力普遍高于管缝式锚杆。研究区域水胀式锚杆拉拔力的平均值为100.10 kN,而管缝式锚杆拉拔力的平均值为27.51 kN。水胀式锚杆拉拔力比较大的根本原因是水胀式锚杆在高水压作用下,锚杆外壳能够适应钻孔壁的起伏变化并与其实现良好的贴合,能够有效增加与锚固孔壁的接触应力和机械咬合力。

(3)通过水胀式锚杆杆体内水压变化发现水胀式锚杆在硬岩条件下工作性能稳定且可靠;压力—时间曲线的升高可以表明巷道围岩受采动应力影响导致钻孔发生弹性变形挤压杆体,可为采动应力变化的监测提供一定程度的参考。

(4)分析了试验区使用的水胀式锚杆亟待解决的抵抗动载、抗剪和防腐问题,为下一步展开实验室和现场研究指明方向。