中空注浆锚索破坏规律分析及关键技术性能优化

黄中峰

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

中空注浆锚索破坏规律分析及关键技术性能优化

黄中峰

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

针对中空注浆锚索在高地应力软岩巷道支护过程出现的技术难题，深入探讨了中空注浆锚索的破坏机理，并对注浆锚索的承载性能进行优化，进而实现注浆与支护一体化，防止顶板事故发生。结合朱集煤矿现场调研，主要在锁具附近发生剪切破断及钢绞线与注浆体-锚固体界面发生剪切滑移而导致退锚现象等，注浆锚索破坏率达到83.4%。采用力学计算与FLAC3D数值模拟的方法分析了钢绞线与注浆浆界面的应力状态和破坏机理，得出了注浆锚索的应力公式及应力分布规律，通过模拟实验得到了注浆锚索在不同注浆效果下的应力演化特征、剪切滑移特征和极限位移量的演化特征，并提出了对注浆锚索的减压抗震装置及出浆孔位置优化的关键技术。结果表明，锚索破坏率降低至17.3%，巷道变形量得到有效控制，注浆效果得到显著改善。

中空注浆锚索 性能优化 锚注一体化 极限载荷 减压抗震装置

随着浅部资源的逐渐枯竭，矿井开采不断向深部发展，随之产生大量的深井软岩问题[1]。1996—1997年，我国引进了澳大利亚锚杆支护技术，并针对我国煤矿地质与生产条件进行了更深入的开发[2]。加长、全长树脂锚固高强度螺纹钢锚杆，小孔径树脂锚固预应力锚索等技术得到普遍认可和大面积推广应用，成为我国煤矿巷道的主导支护技术[3]，但由于千米深井软岩破碎巷道支护难度逐渐增加，支护强度不足导致顶板下沉、离层、冒顶等事故的发生，中空注浆锚索支护技术得到广泛的应用。随着注浆锚索在高压软岩破碎巷道支护中的广泛应用，也出现了各种不同程度的破坏，影响了巷道整体支护效果。近年来，反射波原理或电磁感应理论是锚杆索无损检测的基本原理，检测手段有超声波法[4]。

目前，国内外对此破坏形式的研究仅限于界面剪切应力造成的影响，而未考虑界面挤压应力造成的影响[5-8]，注浆锚索与砂浆-锚固剂界面的挤压应力与界面的几何形状相关，因此，对这种破坏机制的分析应从注浆锚索与砂浆界面的几何形状开始[9]。而锚固剂中产生拉伸破坏和剪切破坏，剪切破坏区主要分布在与杆体横肋接触处，拉伸破坏区主要位于孔口，说明杆体横肋的存在使锚固剂受力状态发生了改变，锚固剂由单纯的拉伸破坏变为拉、剪组合破坏[10]。

研究表明，在极限状态下锚索破坏主要有以下几种形式：①钢绞线与注浆体-锚固体界面的破坏；②注浆体-锚固体与围岩体界面的破坏；③钢绞线-中空管的断裂；④索具的破坏；⑤围岩体破坏。经工程实践观测，第①种破坏形式较多，第③种破坏形式次之。

1 注浆锚索与砂浆体界面的力学分析

1.1 注浆锚索力学模型建立

由于中空注浆锚索对岩体施加的作用是对称于锚索中心轴线的，其几何形状、约束条件也可视为对称于锚索中心轴线，因此，首先分析单根锚索与灌浆体界面的几何形状[11]，可作为一般无限空间轴对称问题分析研究，受力分析和计算模型如图1所示。

图1 注浆锚索力学模型

用柱坐标表达其弧线BDE方程为

(1)

其中，-11π/18<α<11π/18。

单根钢绞线中弧线BDE围绕z轴旋转一周，形成一个螺旋带，共有8根类似的钢绞线围绕中空管旋转，其单根钢绞线旋转曲面方程为

(2)

1.2 轴向力作用下锚索与锚固体界面的相互作用

当中空注浆锚索受轴向力作用时，钢绞线与灌浆体接触面之间产生挤压现象，同时，注浆锚索与管浆体之间有扭转滑移的趋势，假设钢绞线逆时针旋转，以钢绞线弧线BDE为研究对象，如图1(b)所示，则钢绞线BD段形成的螺旋面对灌浆体产生挤压，而弧线DE段则产生黏结作用。若为顺时针方向，则钢绞线相互作用相反。针对研究对象单元取值范围为0≤α≤11π/18，0≤θ≤2π。

中空注浆锚索在轴向力作用下，由于钢绞线与砂浆体界面之间的扭转滑移，D点的挤压力是非常小的，然而，点C的挤压力最大。由于弧线BC段可能存在注浆不严实，出现未充填现象，可将BC段的相互作用忽略。因此，经计算得出注浆锚索应力公式

式中，Pm(z)为最大接触剪切力；

r为注浆锚索半径，mm。

经分析可以得到

(3)

因此，主要分析注浆锚索在在轴向力作用下剪切力τrz，其中h=λa,h为螺距，经简化，有

(4)

结合朱集矿中空注浆锚索在煤矿的应用，注浆锚索采用8根φ6 mm周边丝+φ10 mm注浆芯管，考虑注浆锚索和岩体的弹性模量分别为Ea=1.65×105MPa，E=6×103MPa，μ=0.25，注浆锚索直径φ=22 mm，钢绞线及中空管半径分别取a=3 mm和b=5 mm。假设注浆锚索的拉拔力P=200 kN，则锚索体所受的剪应力分布为

-101.73×z×e-48.09z2,

(5)

应力分布曲线如图2所示。

图2 剪应力沿锚索轴向分布曲线

2 注浆锚索数值模拟

2.1 模型建立

针对某矿建立模型，通过FLAC3D数值模拟，采用巷道围岩的本构关系采用莫尔-库仑模型，为了避免模型的边界条件对数值模拟准确性的影响，采用模型取长×宽×高=6 m×10 m×6 m，建立分区有176 000个，节点共计181 241个。模型如图3所示。

图3 FLAC3D 锚索数值模型

2.2 注浆不密实锚索对比分析

通过井下光纤在线监测系统分析可知，中空注浆锚索在井下的注浆效果可以分为4类：

(1)注浆锚索钢绞线与钻孔孔壁完全注满浆液，即钢绞线与孔壁无空洞现象。

(2)注浆锚索中部注浆充实，端部出现不同程度的空洞现象即锚索与钻孔之间存在空隙现象。

(3)注浆锚索中部出现空洞现象，端部注浆密实即锚索中间与钻孔之间存在空隙现象。

(4)由于注浆锚索出浆孔堵塞，注浆锚索完全未注浆，即钢绞线与孔壁之间出现全段空隙。

2.3 注浆锚索模拟实验研究

2.3.1 应力演化特征分析

锚索拉拔数值模拟是在以无围岩压力的情况下进行拉拔，主要分析注浆锚索拉拔过程中锚索及锚固体破坏的过程，选取参数如下。

(1)注浆锚索钢绞线公称直径：6.0 mm。

(2)注浆锚索索体直径：22 mm。

(3)安装钻孔直径：32 mm。

(4)树脂锚固长度：1 000～1 500 mm。

(5)注浆管规格：内径7.5 mm，外径10 mm。

(6)施加载荷：80、120、160、200、240、280、320、360、400、440 kN。

根据不同载荷下锚索破坏应力演过特征分析可知，注浆锚索失效过程是一个从量变到质变的过程，锚索在受力开始传递时由锚索底部逐渐传递到锚固段，剪切滑移破坏逐渐上升，最终整个锚索发生破断，锚索破断位移量达到250 mm左右，在80～360 kN区间范围内，锚索延伸属于正常拉伸，拉伸量的变化逐渐增加，位移从2.7 mm增加至86 mm。在360～440 kN区间范围内，锚索的位移量突然增加，从86 mm增加至250 mm，瞬间产生破坏，当锚索破坏后，拉力不再随着位移的变化而变化，进而达到平衡。

2.3.2 锚索注浆不密实的应力、位移演化特征

(1)锚索注浆不密实特征分析。锚索在注浆时出现注浆不密实现象，可以分为2类：①出现连续空洞现象即出现锚索空洞+注浆段+锚固段。②出现间隔式空洞现象即锚索注浆段+空洞+锚固段。

(2)不同载荷锚索应力-位移演化特征分析。在注浆体出现的第一类空洞现象即在连续性空洞现象，其位移演化特征如图4所示(以Zdis=2.5 m为例，Zdis为空洞距离锚索端部的长度，m)。

图4 锚索轴力与位移曲线(Zdis=2.5 m)

由图4分析可知，分别对空洞位于锚索端部0.5，1，…，5 m的距离进行张拉模拟，随着载荷的逐渐增加,发生剪切滑移的位移量也逐渐增大，当锚索发生失效破坏时，载荷曲线趋于平衡。随着空洞的距离的增加，锚索发生破坏的极限载荷逐渐减少，极限位移量逐渐减少，表明注浆空洞现象对锚索的承载能力及补强加固作用有着严重的影响。注浆锚索的轴力分布和极限位移之间的关系如图5所示。

图5 连续性注浆不密实锚索极限载荷-位移曲线

由图5分析可知，随着锚索空洞现象的增加，锚索的极限载荷与极限位移在逐渐地降低，因此，在进行中空逐渐锚索补强加固围岩时，一定要避免出现注浆空洞现象。

在注浆体出现的第二类空洞现象即间隔性性空洞现象，其应力-位移演化特征如图6(以Zdis=2～2.5 m为例)和图7所示。

图6 间隔性注浆不密实锚索轴力-位移曲线(Zdis=2～2.5 m)

由图6和图7分析可知，在间隔性注浆不密实锚索拉拔过程中，随着空洞位置的变化，锚索的极限载荷有递增的趋势，但极限位移量在不断下降。

图8和图9为注浆锚索在全长锚固、连续性不密实锚固和间隔性不密实锚固情况下的效果。

图7 间隔性注浆不密实锚索极限载荷-位移曲线

图8 注浆锚索极限载荷演化特征

图9 注浆锚索极限位移量演化特征

如图8和图9分析可知，全长锚固注浆锚索、连续性注浆不密实锚索和间隔性注浆不密实锚索的最低极限载荷分别为440、36和390 kN，最低极限位移量分别为250、110和223 mm。因此，在使用注浆锚索时，应避免连续性注浆不密实现象，此时最低极限载荷达到36 kN，位移量为110 mm，可见在进行巷道支护时极容易发生破坏。

3 注浆锚索性能优化及效果分析

(1)增加减压抗震装置。注浆锚索发生破断的主要原因是承载强度不足和锚索延伸率达不到要求，因此，在不能增加锚索延伸率的基础上增加注浆锚索减压抗震装置。注浆锚索的减压抗震装置主要是避免工作面回采过程中顶板突然来压，导致锚索过载破断，同时，也可以避免注浆锚索与砂浆体界面发生滑移破坏。注浆锚索的过载保护装置主要由膨胀体和压缩体组成。该装置的让压位移量必须合理设计，让压位移量过大，会使巷道顶板下沉量过大，甚至会发生顶板离层，明显降低注浆锚索的主动支护作用，甚至会增大巷道的变形量[13]。然而，装置的让压量不足，会阻碍巷道顶板变形和压力的释放，不能发挥减压抗震作用。经过实验室试验得知，注浆锚索的减压抗震保护装置能够起到保护作用的合理范围是刚环被拉入保护套管内50～80 mm。因此，增加减压抗震技术后，注浆锚索可以大范围改善围岩性质，提高整体承载结构的承载能力[12]。中空注浆锚索减压抗震结构如图10所示。

图10 注浆锚索让压结构

(2)出浆孔参数优化。目前，注浆效果差主要体现在浆液难以注进岩体，注浆量少，注浆压力过大，导致炸管现象等。该矿主要采用单出浆孔锚索注浆，且出浆孔长度不一，最短距离仅为3 mm，浆液难以流出，一旦发生堵塞现象，将失去注浆作用如图11所示。因此，将单一出浆孔注浆锚索优化为多孔连接式注浆锚索，且出浆孔距离长度应为10～25 mm，中空管出浆孔结构示意图如图12所示。

图11 优化前注浆锚索结构

图12 优化后注浆锚索结构

(3)巷道控制效果分析。根据注浆锚索在朱集煤矿的应用，巷道顶底板移近量从950 mm降低到270 mm，降低了71.5%，两帮移近量从830降低到220 mm，降低了73.5%，巷道支护效果得到明显改善，如图13所示。

4 结 论

(1)在注浆锚索孔口处，注浆锚索所受的剪应力为零，随着锚索延伸剪应力急剧增大并迅速达到峰值，最大剪应力发生在z=100 mm处，其数值达6.29 MPa，当注浆锚索载荷达到一定值时，在锚索孔口附近处的剪应力超过黏结材料弹性极限而进入塑性流动状态，进而发生破断现象。

(2)当出现注浆空洞现象，锚索的极限载荷和极限位移量都随之降低，当出现连续性不密实注浆时，锚索的极限载荷仅为36 kN，极限位移量仅为110 mm，锚索的承载能力急剧下降，因此在进行注浆加固时应当避免此类现象的发生。

(3) 提出了一种注浆锚索减压抗震装置及对注浆锚索出浆孔尺寸进行了优化设计，弥补了注浆锚索延伸率不足的缺陷，提高了注浆锚索的注浆效果，解决了因注浆堵塞导致炸管的现象。

(4) 有效解决了高地应力软岩巷道注浆锚索支护效果不佳的技术难题，在巷道支护过程中使巷道顶底板移近量降低了71.5%，两帮移近量降低了73.5%，为沿空留巷下个工作面复用提供了可靠的基础，大大减少了巷道重新修复使用的工程量。

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(责任编辑 徐志宏)

Research on Hollow Grouting Anchor Damage Law Analysis and Performance Optimization of the Key Technologies

Huang Zhongfeng

(ChongqingInstituteofChinaCoalTechnologyandEngineering，Chongqing400037，China)

For hollow grouting anchor in the highlands stress soft rock roadway process for technical problems，Depth study of the failure mechanism of hollow grouting anchor，anchor grouting and bearing performance is optimized，thus achieving grouting and supporting the integration of the roof to prevent accidents. According to the site investigation of zhu ji mine routing anchor damage rate reached 83.4 percent，Occurs mainly in the vicinity of the shear locks and strand breakage and grout - anchor the interface shear slip phenomenon caused withdrawal anchor. Using mechanical calculations and numerical simulation method to analyze the stress FLAC3Danchor and mortar interface status and failure mechanism，Stress formula obtained grouting anchor and stress distribution，Through simulation experiments stress evolution of grouting anchor grouting under different effects，characteristics and evolution of shear slip displacement limit，And raised the pressure grouting anchor seismic devices and a slurry hole location optimization of key technologies，Field results show that the anchor damage rate decreased to 17.3%，the deformation of the roadway has been effectively controlled，grouting effect has been significantly improved.

Hollow grouting anchor cable，Performance optimization，Integrated technology of bolting and grouting，Limit load，Decompression seismic devices

2015-06-04

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(编号：2013CB227904) 。

黄中峰(1987—)，男，工程师，硕士研究生。

TD311

A

1001-1250(2015)-09-116-06