锚索锚固性能不稳定原因分析及解决途径

王海宁，汪占领，孟宪志

(1.陕煤澄合矿业有限公司生产部，陕西澄城715200;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

我国自1996年研制成功小孔径树脂锚固预应力锚索后，锚索在煤巷中得到大面积推广应用，显著扩大了锚杆支护应用范围，提高了巷道的安全可靠性，成为困难巷道补强加固的主要手段。

树脂锚固剂作为一种高分子材料，其粘结强度大，固化快，安全可靠性高，能够保证锚杆支护的及时性及支护系统的高刚度，已广泛应用于锚杆支护，成为最主要的锚固方式。但是，由于矿井井下地质条件的复杂性和多变性，经常出现锚索锚固力不够的现象，影响巷道支护效果。

本文结合陕煤澄合王村煤矿施工中存在的问题，分析影响锚索锚固性能的因素及解决途径。

1 巷道地质条件及施工概况

王村煤矿主采煤层为5号煤，煤层倾角3～13°，平均6°，煤层松软破碎，强度较低;直接底为砂质泥岩，遇水易膨胀;直接顶为粉砂岩，厚度不稳定，1.61～7.3m，平均厚度3.33m;粉砂岩上为4号煤，强度较低，厚度为0.15～4.24m，平均厚度1.14m，属于三软煤层。14505工作面轨道巷埋深在350m左右，沿5号煤层底板掘进，轨道巷附近煤层厚度变化较大，一般厚度在2.01～ 4.64m，平均厚度3.16m，地质条件复杂。根据三维地质勘探及瞬变电磁探测，14505轨道巷存在落差2m左右的断层群。目前掘进巷道已进入此断层群内，断层倾向与巷道的轴向方向一致，且次断层为正断层。

巷道断面设计为半圆拱形断面，掘进毛宽4.2m，墙 高 1.1m，中 高 3.2m，掘 进 断 面11.55m2。锚索采用每2排3根的三花布置方式，排距为900mm，中间锚索打在巷道的正中间位置，1排2根锚索时，锚索间距为3000mm。锚索长度为5300mm，钻孔直径为 28mm，锚索直径为18.9mm。设计锚固力为180kN。

2 原因分析

2.1 地质条件

由于断层的存在使得14505轨道巷层位发生变化，3根不同位置的锚索锚固的位置如图1所示。

由图1可知:

(1)由于断层的存在，5号煤被抬升，14505轨道巷顶板变为5号煤层。

(2)右帮锚索全部打在5号煤层内，该煤层较软，不利于成孔。

图1 顶锚索位置

(3)巷道中间及左侧锚索孔，穿过3个煤岩交界面，且都在锚固段内。

由于煤层及顶板赋存不稳定，为了进一步了解顶板围岩结构及强度，采用电子钻孔窥视仪对断层附近巷道正中间顶板的9m范围内煤岩层结构进行了详细观测，结果显示，巷道顶板煤岩层节理裂隙比较发育，如图2所示。巷道顶板0～2.8m为5号煤层，平均单轴抗压强度 10.42MPa;2.8～3.6m为碳质泥岩，黑色，疏松块状，含碳量较高，裂隙发育，岩层完整性较差;3.6～4.0m为4号煤层;4～6.5m为碳质泥岩，黑色;6.5～9.0m为泥岩，灰黑色，岩层完整性较差。

图2 顶板岩性

井下锚索安装过程中发现，巷道顶板右侧锚索孔在4m左右出现塌孔，树脂锚固剂向孔底推送困难;或锚索孔被刷大，锚固剂无法推送到孔底，导致锚索锚固力存在达不到设计要求的情况，当张拉到30MPa(对应120kN)时张拉力不再增加。

从以上分析可以看出，由于巷道围岩强度较低，且节理裂隙发育，导致锚索孔成型后过大，使锚索的锚固力不能达到设计要求，从而影响锚索高预紧力的施加，最终影响整个锚网索的支护效果。

2.2 索体形状

锚索索体一般用具有一定弯曲柔性的钢绞线制成，煤矿用锚索为1×7股和1×19股2种 (图3)，与螺纹钢锚杆杆体表面形态不同，索体表面光滑无横肋。荣冠等人研究结果表明［5］，由于螺纹钢锚杆表面螺纹起伏使其与粘结物之间明显存在挤压、剪胀、剪断等作用从而较大地提高了锚固强度。

图3 锚索断面示意

可见光滑的索体表面是影响软弱煤岩层锚索锚固力的另一个原因。

2.3 树脂锚固剂性能

井下使用2种不同厂家生产的树脂锚固剂，为了研究树脂锚固剂的锚固性能［4］，在实验室对树脂锚固剂抗压强度及抗拔力进行试验。

按照试验标准，把甲乙2个厂家的树脂锚固剂各做3组40mm×40mm的立方体试块，进行抗压强度试验，试验温度为22℃左右，放置时间为24h，抗压强度不得小于60MPa，试验结果如图4所示。

图4 甲、乙厂家锚固剂抗压性能

由图4可看出，甲、乙两厂家树脂锚固剂的抗压强度存在一定的差异。甲厂家3组不同的树脂锚固剂试块的抗压强度均符合标准要求，即抗压强度不小于60MPa，其中2组树脂锚固剂的抗压强度大于130MPa，另一组大于90MPa;乙厂家3组不同树脂锚固剂试块的抗压强度波动性较大，其中两组树脂锚固剂的抗压强度大于90MPa，另一组小于40MPa，低于树脂锚固剂抗压强度要求。

对不同厂家的锚固剂做抗拔力试验，采用内径30mm的钢管，锚杆采用 φ22mm，屈服强度500MPa左旋无纵肋螺纹钢锚杆，锚固长度125mm，锚固时间为2h，抗拔力不得小于100kN。试验结果如图5所示。

由图5可以看出，甲、乙两家树脂锚固剂的抗拔力存在明显差别。甲厂家树脂锚固剂3组抗拔力试验均大于130kN，能达到标准要求 (抗拔力应大于100kN)，且3组锚固剂抗拔性能比较稳定，抗拔力峰值没有明显波动;乙厂家树脂锚固剂3组抗拔力试验曲线波动性较大，其中两组试验的抗拔力小于82kN(1组为81kN，1组为67kN)，另外一组试验的抗拔力符合标准要求，其值为120kN。

图5 甲、乙厂家锚固剂抗拔力

可见，树脂锚固剂性能不稳定也是影响锚索锚固力达不到要求的原因之一。

3 解决途径

从以上分析可知，造成锚索锚固力不稳定的原因有3个:一是煤岩层强度较低;二是锚索索体光滑无横肋;三是树脂锚固剂性能不稳定。针对以上原因，提出以下解决途径:

(1)由于顶板赋存不稳定，导致锚索锚固段处于强度较低的层位时，可以动态设计锚索长度使锚固段处于岩层强度相对较高的层位。王村煤矿14505轨道巷在断层段，通过窥视和强度测试发现顶板4～8m范围为泥质砂岩，强度为28MPa左右，相对较高，因此将锚索长度由5.3m变为7.3m，锚索抗拔力可以达到180kN以上。

(2)为增大锚索索体与锚固剂的粘结面积，提高锚固力，通过改变锚索锚固段表面形态将锚索锚固段改装成“鸟笼状”，可显著增加锚固强度。

在不增加锚索长度的前提下，通过把14505轨道巷锚索锚固段变为“鸟笼状”，锚固力也可以达到180kN。

(3)目前，随着我国煤炭行业对树脂锚固剂需求的不断增加，生产树脂锚固剂的厂家有上百家，各厂家生产的树脂锚固剂质量存在明显差异。因此，要选择规模大、实力雄厚、具有多年生产和使用经验的厂家，并经过井下锚固力试验来确定树脂锚固剂的用量和锚固剂规格、型号。

将以上措施应用于井下，完全解决了锚索锚固性能不稳定的问题，提高了安装锚索的成功率，减少了打孔数量，提高了支护速度。

4 结束语

(1)当顶板煤岩层松软破碎强度较低时，锚索锚固力会明显下降，解决好锚索锚固力问题是保证支护效果的前提。

(2)影响锚索锚固力的因素有很多，加强锚索锚固力的现场试验来确定锚索支护参数是最真实、可靠的办法。

(3)通过对影响锚索锚固力因素及解决途径的分析，为今后煤矿锚索设计和施工提供了重要的参考，并希望能引起有关技术人员的重视，加强对锚索锚固力设计的关注和现场施工的管理。

［1］康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术 ［M］.北京:煤炭工业出版社，2007.

［2］康红普，司林坡，苏 波.煤岩体钻孔结构观测方法及应用［J］.煤炭学报，2010，35(12):1949－1956.

［3］胡 滨，康红普，林 健，等.风水沟矿软岩巷道顶板砂岩含水可锚性试验研究［J］.煤矿开采，2011，16(1).

［4］MT146.1－2011.树脂锚杆锚固剂［S］.

［5］荣 冠，朱焕春，周创兵.螺纹钢与圆钢锚杆工作机理对比试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(3).