改进型中长锚杆在山东小官庄铁矿软弱围岩中的支护工艺研究

马 聪，周 喻

(北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083)

软弱围岩通常可以分为地质软岩和工程软岩。地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层；工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体[1][2]。

软弱破碎围岩巷道的支护,是国内外地下工程支护的难题之一，以其大变形、大地压、难支护的显著破坏特征，一直受到岩石力学及地下工程界的普遍关注，探索有效的软岩支护方式势在必行。随着“新奥法”施工理念的发展，锚喷加固技术、注浆加固技术等在世界范围内的广泛推广，人们对软岩的变形规律和压力特征有了新的认识，出现了与软岩变形规律和压力特征相适应的许多支护措施，锚注加固技术就是其中最成功和最典型的技术手段之一。

随着小官庄铁矿开采范围的扩大和开采深度的增加，区间地压增高，各采区相互间的采动影响也日趋加深，再加上深部矿岩性质普遍变差，高应力采场巷道的维护问题将变得更加突出。解决这类巷道的维护，是小官庄铁矿保证稳产和效率提高的最关键，也是最迫切的采矿技术问题之一。本文拟通过对高应力区软弱破碎围岩巷道变形破坏机理，以及适用于该类复杂难采矿体承压区采场巷道的支护理论与关键技术进行研究，对现行支护巷道围岩稳定性定量评价和优化设计，降低巷道支护费用，改善巷道安全环境，提高采矿效率。

1 工程概况

小官庄铁矿是鲁中冶金矿业集团的主要矿山之一，位于山东省莱芜市城北，直距8km。该矿床埋藏深、地压大、围岩软弱破碎、矿体形态复杂，为我国有名的难采铁矿床之一。据应力测试，最大主应力方向与矿体走向近似垂直，水平主应力与竖向主应力之比为1.3。而开采引起的二次应力且远大于此值，集中系数K达2～4，特殊情况下甚至可高达7～8以上。

目前，影响小官庄铁矿采矿生产最大的问题就是巷道的掘支问题。已掘出巷道的维护，由于地压大，围岩软破，巷道变形速度快，开挖过程中就有多处冒顶，巷道成形差，稳定时间最长不超过2～3个月。大量巷道掘支后，就需进行补强支护，而且现有支护强度低，又长期受到干湿空气交变的影响，部分区段底板还经常受水的浸泡，巷道收敛变形大，底鼓尤为明显，最严重区段的巷道断面，由掘进时4m×3.6m缩至3m×3.2m，轨道多次返修。

2 原有支护形式破坏分析

鲁中井下巷道采用的锚喷支护形式有素喷、单锚、锚喷、锚喷网及其它联合支护结构，其中以锚喷支护结构最多。近些年来，由于采深的加大和岩质变差，锚喷网支护比例提高，已占到总支护量的90%以上。锚喷支护采用的结构及参数为：锚杆多采用缝管摩擦锚杆和螺纹钢筋砂浆锚杆，锚杆长度一般1.8m，锚杆布置网度0.8m×0.8m，金属网筋网度200mm×200mm，喷层厚50～70mm。经过对大量锚喷支护巷道稳定效果的调查和分析，原有支护形式问题如下：

(1) 支护强度低

根据现场巷道深部围岩位移量测，掘进支护三个月后的巷道，围岩的松动圈厚度大多都超过2m，如图1所示。小官庄铁矿原设计采用的锚杆长度及锚杆密度都偏小，并很少采用中长锚杆支护，不能有效抑制围岩的过度变形。另外，原有支护强度低，对破碎岩体变形的约束能力低，巷道易产生破坏变形。

图1 巷道围岩深部变形曲线图

(2) 支护施工质量差

原锚喷支护巷道采用的锚杆多为全胶结式砂浆锚杆，普遍存在注浆不饱满的问题，孔底部位常出现空腔，达不到设计所要求的锚固深度。采用超声无损检测仪对16根顶板锚杆的注浆质量的测定，1.8m长的锚杆锚固长度平均只有1.50m，而且无浆段都集中在孔底位置，孔底无砂浆长度最长达340mm。如此短的锚固深度，使锚杆的作用效果降低。

(3) 整体强度低

锚、喷、网三者间的黏结强度低，也是影响支护强度的重要原因[3]。以前，小官庄铁矿采用的锚杆多为直杆钢筋砂浆锚杆，当围岩有变形时，锚网间的连接首先发生破坏，从而导致锚喷网支护整体失效。后虽然有一定的技术改进，如弯钩锚杆、缝管摩擦锚杆，但是锚网仍难形成牢固粘结。另外，由于锚杆的锚固强度和锚网粘结强度存在差异，整个支护系统中各材料受力不同步，局部锚杆或喷层因应力集中而提前破坏，从而引起整个支护系统失效。

(4) 巷道成型差

在掘进过程中，由于矿岩破碎或支护不及时，引起巷道垮冒，使得巷道成型差。采用锚喷支护后，在巷道周边形不成完整而稳定的承载拱结构，且存在多处应力集中点，一旦来压，这类成型差的巷道就会过早发生破坏变形。小官庄铁矿许多位于矽卡岩体中的巷道，掘进过程中，巷道经常发生片冒，冒高一般1～2m，最高达4m。这些易片垮的巷道，一般成型差，支护受力不均匀，掘支成巷不久就会出现喷层开裂和围岩片垮现象。

(5) 补强支护不及时

补强支护是巷道合理支护系统的一个组成部分，对采矿巷道是必要的，补强支护应及时合适才能有效[4]。但在小官庄铁矿实际生产中，补强支护实施时间普遍较迟，一般要等巷道破坏或原有的支护完全失效后再进行。此时围岩松动范围大，都超出了补强锚杆的约束范围，有些围岩体已达到碎裂解体的程度，此时进行补强和返修，都难以阻止巷道的快速变形。

综上所述，小官庄铁矿矿岩比较软破，地层压力也较大，同其它支护形式相比，锚喷支护更适合小官庄铁矿的矿岩条件。尤其是施工灵活快捷、主动承载和成本低廉的支护特性，是其它支护形式所不及的。虽目前锚喷支护巷道掘支速度慢、稳定时间短、返修率高的问题还比较突出，但这一问题解决，可从掘进、支护、维护几个方面着手，重点解决软岩巷道掘支成型、施工水治理、支护结构优化、掘支工艺匹配、提高锚网连接质量等问题。研制和推广新型锚喷支护材料，锚喷支护存在的问题就会解决。

4 改进型中长锚杆工艺研究

中长锚杆长3.0～3.2m，初期采用的是机械式胀楔端锚杆，后期全部采用全长胶结砂浆锚固式，排间距1m，每排5～8根。该种锚杆锚固力大，抗变形能力大，对控制剧烈的地压显现、降低巷道变形速度、延长巷道使用寿命，具有极其明显效果。采用中长锚杆支护的巷道，安全服务期平均延长5.8个月以上。改进型中，长锚杆为机械、全长锚杆的结合，在材料、孔径、预应力、速效性方面都有所改进。其工艺主要体现在以下几个方面：

(1) 锚杆体材料由Ⅱ级热轧螺纹钢改为精轧螺纹钢

以前，鲁中各矿山的中长锚杆全部是采用由Ф20mm的Ⅱ级热轧螺纹钢加工而成，但该锚杆一直有几个问题未能解决。一是螺纹的加工，使端部杆体强度降低严重。二是加工的锚杆螺纹在搬运过程中容易损坏，此螺纹一旦损坏，螺母与垫板就无法施加。据抽查统计结果表明，螺母与垫板不到位或无法施加的锚杆，占所施工锚杆的30%以上。三是Ⅱ级热轧螺纹钢锚杆粘结力低，其粘结拉拔力比精轧螺纹钢锚杆一般低20%～40%。根据上述问题，在小官庄铁矿推广应用中长锚杆的过程中，全部改用了精轧螺纹钢。

精轧螺纹钢锚杆是通过特殊轧制工艺加工而成的，锚杆材料强度比Ⅱ级热轧螺纹钢高50%左右。另外，该锚杆的最大优点是螺母可从锚杆任何一端旋入到达锚杆的另一端，端部又无需切削，杆体强度不损失，螺帽也可采用预制标准件，锚杆加工方便而且费用低。同时，轧制螺纹强度高，不易损坏，从而解决了螺母与垫板不能与岩面贴紧或因螺纹损坏螺母无法旋入的难题。经对该锚杆强度试验，锚杆与螺帽的咬合强度、杆体与砂浆的胶结强度，都大大优于Ⅱ级热轧螺纹钢锚杆。

(2)孔径调整

以前，中长锚杆孔的施工全部采用中深孔钻机，孔径为Ф60mm，由于孔径大，注浆困难且不容易保证注浆质量。在小官庄铁矿用7655型手持式钻机和小钎头(Ф49)钻凿中长锚杆孔的应用试验证明，采用掘进钻机钻凿小孔来施工中长锚杆，具有施工速度快、注浆效果好、掘进和初期支护同步施工等优点，改善了中长锚杆的注浆质量，显著提高了巷道支护强度。

(3)预应力施加方式调整

中长锚杆的端部锚固，一般采用两种方式：一种是机械式，此锚固方式效果虽好，但因加工较困难，难以大面积采用，而应推广采用较为便宜的水泥砂浆锚固[5]。水泥砂浆锚固孔口自由端长一般为1.0m，外端加垫板，对锚杆施加10～20kN的预应力。胶结锚固的另一种方式，是采用快凝水泥药卷和树脂药卷胶结，锚固长度400～600mm，锚杆拉拔力可达120kN以上。由于采用树脂胶结比水泥药卷方便快速，质量又易保证，现小官庄铁矿绝大部分的中长锚杆，准备采用树脂药卷胶结，锚杆安装后一般施加30～40kN的预应力。目前，小官庄铁矿正在施加预应力锚杆支护的巷道已近1200m，巷道抗变形能力大大增强。

(4)增加锚杆速效性

速效性是软破围岩体巷道锚杆支护所要求的一种锚固性能[6]。以前曾采用过胀楔式中长锚杆，每根锚杆锚固力可达300kN，可施加70～80kN预应力，加固效果较好。但由于加工复杂，成本又较高，未能大面积推广应用。后全部改为不加预应力的全胶结式锚杆，锚杆需等巷道围岩发生变形才开始起支护作用。但对于自稳时间短、变形速度快的围岩巷道，不进行速效支护，垮冒破坏就会发生，所以巷道一旦掘出，就必须立即对围岩施加围压，才能抑制破坏变形。而这种围压，则需及时速效的锚杆施加预应力才能实现。为了使中长锚杆具有速效性，试验引入了树脂胶结锚杆，并改全长锚固为端部锚固。其拉拔力可达120kN以上。

(5) 锚杆布置参数优化

中长锚杆设计的依据，是对以短锚杆为基础组成的围岩承载拱进行吊挂支护，提高支撑能力，并以此降低围岩的变形速度。按照锚杆锚固能力和支撑载荷计算，每米巷道只需3～4根锚杆，即可满足巷道支护强度。但在实际应用中，由于锚杆施加得较晚，初期支护已基本失效，巷道围岩承载力降低，故每米巷道中长锚杆达到7～9根，带来严重的浪费。为减少这种浪费，在锚杆及时施加和提高锚杆锚固质量的前提下，采用每米巷道5.5根锚杆的布置方式，减少锚杆用量，节约生产成本。

通过改进中长锚杆结构与采用新的安装工艺，目前，小官庄铁矿试验采用中长锚杆支护的巷道稳定性明显得到改善，中长锚杆支护作用效果更加突出，对控制剧烈的地压显现和实现采场的顺利回采起到重要作用。

5 结论

针对小官庄铁矿地压大、围岩软破、巷道变形速度快、现有支护强度不足、效果较差的特点，采用理论分析和试验对比的方法，对原支护形式存在的问题进行总结研究，提出新型中长锚杆在小官庄铁矿软弱围岩条件下应用的施工工艺。通过分析，得出以下结论：

(1)喷锚支护是目前小官庄铁矿运用的主要支护方式。对比其他支护方式，其施工灵活快捷、主动承载、成本低廉的特点，更适合小官庄铁矿的矿岩条件，应为支护方式的首选方案。

(2)原有支护因为支护参数和具体工艺及施工质量等原因存在整体性差、支护强度低、补强不及时等问题，这也是造成围岩、巷道破坏的主要原因。

(3)新型中长锚杆工艺针对原有支护存在的问题，对材料、孔径、预应力施作方式、构件连接等工艺和参数作了多方面改进，加强了支护的强度，提高了施工质量，改善了经济效益。锚杆强度提高了50%，预应力较原支护提高了一倍。在保证支护质量的前提下，锚杆用量从每米7～9根减少到5.5根，大大节约了锚杆用量。

(4)采用新型工艺的中长锚杆支护，在小官庄铁矿围岩巷道中取得了突出效果，巷道稳定性明显改善，支护效果好，对控制剧烈的地压显现和实现采场的顺利回采起到重要作用。

[1] 何满朝,景海河,孙晓明.软岩工程力学[M].北京:科学出版社,2002.

[2] 王 勃. 软岩巷道变形力学机制及支护实践[J].矿山压力与顶板管理，1996，(3):51-54.

[3] 杨新安,陆士良.软岩巷道锚注支护理论与技术的研究[J].煤炭学报,1997，(1):32-36.

[4] 王连国,李明远,王学知. 深部高应力极软岩巷道锚注支护技术研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2889-2893.

[5] 李永友,李树清. 深部软岩巷道锚注联合支护围岩承载机理分析[J].湖南科技大学学报(自然科学版), 2008,23(1):10-14.

[6] 程良奎.岩土锚固研究与新进展[J].岩石力学与工程学报,2005，(21):3803-3811.