锚杆锚索预应力全长锚固技术的实践

许 磊

（山西焦煤集团西山煤电集团官地矿，山西 太原 030000）

官地矿三水平为-1200～ -1026m，全煤顺槽巷道沿3煤层底板布置，开拓巷道主要为穿层施工。随着开拓延深，地压增大，巷道变形加剧，巷道支护越来越困难。巷道围岩的回缩量达到700～1100mm，底鼓量为200～700mm，返修周期为2～4个月。为了解决支护问题，先后采取了加大锚杆和锚索直径、提升支护材料材质、增加让压圈达到锚杆和锚索耦合支护等技术措施，但效果不明显。

1 预应力全长锚固技术施工工艺

官地矿目前锚杆（锚索）施工工艺主要为：钻孔→利用锚杆（锚索）顶入树脂药卷→利用锚索钻机转动顶推锚杆（锚索）→安装完成进行锚杆紧固加压（锚索拉拨加压）。

改进后全长锚固锚杆施工方法为：巷道顶部钻孔施工完成后，用注浆管将树脂药卷顶推至孔底（图1a），注浆（图1b）；注浆泵将混合后的水泥浆压出至孔底，此时水泥浆将树脂药卷包围，锚杆止塞在水泥浆压力作用下后退至孔口，停止注浆，拔下注浆管，水泥浆呈现瞬时拟态稳定性挂在孔内不落，插入带锚杆止浆塞的铺杆（图1c）并旋转顶入安装，药卷固结，施加预紧力（图1d）；安装第二根锚杆时，随注浆泵开动，水泥浆瞬时实现高流通性，进行注浆。4～6h后水泥浆凝固，实现预应力全长锚固。固结后注浆充填体包围在锚杆杆体周围黏结锚杆杆体和岩体，具有高强度和高抗剪切能力。

图1 预应力全长锚固锚杆支护顺序图

全长锚固锚索施工方法为：巷道顶部钻孔施工完成后，用安装了防渗套的锚索自由端将树脂药顶推至孔底（图2a），开动钻机旋转安装铺索。锚索安装完成后在防渗套上安装锚索注浆塞、托盘，锁具将注浆管从锚索托盘上小孔中穿出（图2b），加压锚索达到设计压力。将注浆塞注浆管和注浆泵、注浆管连接，注浆（图2c），4～6h后水泥浆凝固，实现预应力全长锚固。

图2 预应力全长锚固锚索支护顺序图

采用该技术需要增加锚杆注浆塞、锚索注浆塞、锚索防渗套，但施工工艺除增加注浆环节外基本不变。

在现场试验过程中，锚杆施工中顶推药卷采用普通锚杆施工，系用锚杆直接顶入，相比使用注浆管封孔器顶入时间略短。注浆施工中由于注浆后需要浆液稳定时间，加上注浆时间共需增加3.1min/根。

在锚索施工过程中，由于安装锚索防渗套可以由施工人员提前准备，不影响整个工序和施工工艺时间，注浆时间同样也可以滞后施工进行，因此可以在工艺施工时间中不考虑，故锚索施工时间可以看作不变。

在整个施工过程中，由于人员素质不同，施工熟练程度不同，导致现场施工时间和施工效率差距很大。但是针对同一施工群体，工艺变化和时间调整通过组织协调对整个施工基本没有影响。

2 全长锚固注浆液配比及特性

在整个试验过程当中所需混凝土浆液要求具有较高的流通性，以方便进行泵送；在注入钻孔后要求浆液不能流出，要求浆液具有较高的抗流挂性能；根据支护要求，浆液凝固后要有比较低的收缩率和比较高的抗压、抗剪抗劈裂强度。而其中浆液的抗流挂性能和流通性又是矛盾的，基于此，提出拟态瞬时稳定性原则，即所配浆液具有拟态瞬时稳定性。当浆液静止不受压力时具有假性凝固状态，能够挂在注浆孔中不掉落；当浆液受到压力时，能够瞬时恢复较高的流通性，使用注浆管输送时阻力基本忽略不计。

浆液的拟态瞬时稳定性试验采用流通法进行，用Φ3mmPU管配合血压计橡皮球、直尺进行检测。把搅拌好的水泥浆接在PU管下方，握动橡皮球排出空气，松开皮球，观察浆液被吸附的上升高度，检验其流通性。用475mm筒形纸杯作为试验器具模拟钻孔。将浆液注入纸杯用刮刀抹平，然后停留1min，将纸杯倒转，然后测量杯内浆液下沉量，作为其抗流挂性指标。通过试验可以看出：普通混凝土浆液随着随水灰比的增大其黏度降低，流通性加大，无法兼顾抗流挂性和流通性。而全锚浆液[混凝土浆液采用525水泥，硅粉（3%～6%）、PVA纤维（0.1%～0.22%）、有机改性砂浆增稠剂（0.4%～0.6%）、改性聚丙烯酰胺Y15010增稠剂10.2%～0.3%）、聚乙烯醇PVA1799（0.25%～0.36%）、聚乙烯醇PVA2088（0.3%～0.4%）]在特定水灰比情况下，具备了拟态瞬时稳定性，能够兼顾抗流挂性和流通性两项指标。全锚浆液最优水灰比为0.8～0.85。

由全锚注浆试块和普通混凝土浆液试块抗压试验可以得出：由于PVA纤维的掺入，试件的抗压强度具有较好的提升，同时韧性增加，基本保持受压一开裂一破坏过程。而普通混凝土在达到极限载荷时，通常都是脆性破坏。

由于PVA纤维的掺入可以有效提高全锚浆液的抗折性能，因此相较素混凝土浆液可以有效地防止黏结破坏，全锚锚杆的抗剪能力相当于节理抗剪强度和锚杆抗剪强度之和，使锚固岩体的承能力可以得到显著提高。

3 全长锚固支护巷道的应用和观测

3.1 南三采区皮带下山全长锚固支护实践

针对官地矿实际情况，选择在南三采区皮带下山进行支护试验。试验段巷道为穿层布置，主要为顶板-底板-煤层。3煤在全区发育，为沥青～弱玻璃光泽，视密度为1.35t/m3，抗压强度为18.5MPa，厚层状，赋存稳定，结构简单。

图3 巷道支护断面图

巷道断面形状为直墙半圆拱形，净尺寸为：墙高1800mm，拱高2500mm，净宽5000m，巷道支护断面图如图3所示。支护方式为：巷道采用Φ22mm×2800mm的高位让压应力显示锚杆，底脚采用Φ22mm×2800mm高强蛇形锚杆；每套锚杆采用2卷K2570的树脂锚固剂，锚杆盘采用护顶面积较大的高强方形200mm×200mm×10mm托盘；锚杆间排距为1700mm×900mm，巷道全断面使用Φ12mm圆盘加工而成的钢梯。顶板锚杆的安装应力为8t，帮部锚杆的安装应力为4t。金属网采用Φ6mm盘圆编织的钢筋经纬网，金属网规格：长×宽=2000mm×1100mm（网孔为80mm×80mm），金属网搭接量为80mm，网扣间距不大于160mm，采用1#镀锌锌铁丝双股双排扣菱形绑扎，混凝土标号为C20，喷厚为100mm。

加扣间距不大于160采用锌铁丝双股双排扣，锚索类型为Φ22mm×5000mm低松弛钢绞线锚索，每套锚索采用3卷K2570的树脂锚固混凝土标剂，锚索托盘为300mm×300mm×12mm的高强球形托盘，锚索间排距为1700mm×900mm，锚索的安装应力为12t。

锚杆、锚索的布置方式为：在巷道正中布置一根锚索，再分别向两侧850mm处各布设一根锚杆然后再依次向两侧布置锚索。锚杆、锚索要求间隔布置，间距为850mm，锚杆、锚索要尽量打在钢梯孔内，锚索外露长度不大于250mm。

3.2 支护巷道观测分析

共布置8个观测断面，观测断面间距15m，其中使用全长锚固技术巷道4个测点，未使用全长锚固巷道4个测点。在每个观测断面的正顶锚杆及两帮两根锚杆上，分别安装应力监测压力表一个，观测锚杆应力变化及巷道收敛变形情况，观测周期每5d一次，观测从2017年8月10日到2017年10月15日，共观测65d，记录锚杆应力表数据及巷道收做变形情况，并制作锚杆应力变形曲线及巷道收敛变形曲线。根据观测情况可以看出，采用预应力全长锚固支护的巷道，在观测期内，锚杆应力变化不大，且各锚杆间应力大致平衡，观测65d巷道最大两帮收敛变形量为200mm，最小变形量160mm，顶板最大下沉量为200mm，最小下沉量为160mm，巷道收敛变形较小，支护效果明显。

4 结论

（1）预应力全长锚固锚杆、锚索的施工相较于煤矿原有锚杆、锚索施工，除增加注浆设备和工序外，其他设备、材料施工工艺变化不大。其中锚杆施工中只增加一道注浆工序，能在施工中影响时间；而锚索施工由于注浆可以滞后，对施工时间影响不大。现场施工，沿用原钻孔尺寸，钻具材料不变，工作量少，施工简单。

（2）在普通硅酸盐525水泥中掺入适量添加剂，在水化作用下形成无机-有机薄膜包围水泥分子，在周围形成网状结构，改变水泥浆液物理性质，形成高流通瞬时拟态稳定性水泥浆液。当水泥浆液在注浆管中输送时具有高流通性，当浆液停止输送时具备瞬时稳定状态，表现为挂在注孔壁上不再流动，当再次启动注浆泵时，水泥浆液马上又转变为高流通性。浆液凝固时，浆液中加的硅粉和PVA纤维可以有效提高固结体强度，达到设计要求。

（3）从施工后观测结果可看出：使用全长锚固支护后，在观测期内，锚杆应力变化不大，且各锚杆间应力大致平衡，观测65d巷道最大两帮收敛变形量为200mm，顶板最大下沉量为200mm，卷道收敛变形较小，支护效果明显。

综上所述，预应力全长锚固支护技术施工简单，成本低廉，能够满足大采深、高地压、高应力复杂条件下的软岩巷道支护。