矿用小孔径预应力拉力分散型锚索锚固结构研究及应用

杨永刚，李琰庆

(1.安徽省煤炭科学研究院，安徽 合肥 230001；2.淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮南 232001)

近年来，随着开采深度的延伸，各种深井复杂应力环境巷道支护工程日益增多，巷道变形控制极为困难，严重的还导致安全事故的发生。淮南、淮北矿区多对矿井四十余条巷道不同规格锚索的矿压观测结果表明[1-3]：大部分锚索的平均工作载荷在120～150kN，基本维持在预紧张拉水平，且受掘进及采动影响后亦无明显载荷增长，部分锚索在其载荷远没有达到其额定工作载荷时发生卸载。可见，锚索内锚力低是深部高应力巷道围岩变形难以得到有效控制重要因素之一。而导致锚索内锚力达不到设计要求的原因很多，如：内锚段岩体松散破碎严重，树脂胶泥被挤入围岩裂隙，导致内锚不密实；钻孔冲洗不干净，导致锚固剂与围岩不能有效黏结；三径不匹配导致锚固剂未推送至孔底；在搅拌过程中，出现间隔或停顿搅拌，导致发生初凝的固化剂反应链被破坏，致使锚固失效；锚索本身光滑的索体结构不能将树脂胶泥和固化剂充分搅拌均匀等[4-8]。因此，研究一种新的锚索锚固结构来进一步提高锚索内锚力和锚索强度利用率，提高锚杆支护巷道的安全性，同时为深部高应力及各种复杂围岩环境下的巷道变形控制提供新的探索方向，是十分必要的。

1 拉力集中型锚索内锚段受力分析

在煤矿巷道支护中，普遍使用的锚索从受力特征上分属于拉力集中型锚索，该类型锚固结构如图1所示。

图1 拉力集中型锚索锚固结构示意图

1.1 数值模型建立

模拟对象为单根锚索的受力分析，孔径28mm，根据圣维南理论，本次计算模型尺寸为Φ426mm×8000mm的圆柱体，力学模型如图2所示。模型共40000个单元，40501个节点。模型周边固定，锚索外锚端为自由面。为突出锚索拉拔作用效果，取消原岩应力场，简化模型受力状态。锚索长7m，沿Y方向布置于模型的中心，外锚头(锚尾)位于坐标原点，锚固段长2m，自由段长5m。

图2 拉力集中型锚索力学模型

选取的锚索与锚固剂参数分别见表1和表2。

表1 锚索参数

表2 锚固剂参数

建立模型并施加边界条件后进行锚索张拉，张拉力300kN。锚索参数Φ17.8mm×7000mm，树脂锚固段长度2m。

1.2 数值模拟结果分析

拉力集中型锚索内锚段剪应力分布曲线如图3所示。由图3可以看出，剪应力峰值位于锚固起始段0.3m左右，之后呈指数规律逐渐减小，到1.1m左右时剪应力分布趋于零值，内锚段发挥作用的仅占整个内锚段的55%左右，且在内锚起始段应力集中明显。

图3 拉力集中型锚索内锚段剪应力分布曲线

计算结果表明，拉力集中型锚索与粘结材料之间、粘结材料与孔壁之间的剪应力分布是不均匀的，并且只有部分长度的锚固段受力。当锚索受拉时，在锚索锚固段的起始位置处剪应力最大，向锚固段深部方向，锚索与粘结材料之间的剪应力呈指数曲线迅速衰减。

由此可见，拉力集中型锚索在外锚固起始段会产生严重的拉应力集中现象[9-13]。锚索锚固后锚索与锚固剂之间的粘结力、摩擦力并不能完全、同时地发挥作用，而是从锚固段起始端开始向深部逐渐扩展。外段锚固体破坏之后向内部转移，如此循环渐进破坏，直至最终全部破坏导致锚索锚固失效。

2 矿用拉力分散型锚索结构及工艺

2.1 矿用拉力分散型锚索锚固结构的提出

矿用拉力分散型锚索是在现有的煤矿用锚索支护施工工艺不变的条件下，通过缓凝型树脂锚固剂的开发及锚索施工工艺的研究，实现同一小孔径钻孔内不同锚固段的树脂药卷的分时锚固，从而实现锚索的分段锚固。该结构由4部分构成：钢绞线、锚具和托板、树脂锚固剂和橡胶挡环。其中，树脂锚固剂由现在的单一的普通树脂锚固剂改为两种树脂锚固剂，分别为普通树脂锚固剂和新研制的缓凝型树脂锚固剂，其主要结构如图4所示，缓凝型树脂锚固剂主要性能指标见表3。

图4 矿用新型拉力分散型锚索锚固结构示意图

表3 缓凝型树脂锚固剂性能指标

矿用拉力分散型锚索安装后，第二锚固段(外段)的缓凝型锚固剂未固化，不产生锚固力，对锚索进行安装张拉的预紧力全部由第一锚固段(孔底段)承担；安装6～8h以后，第二锚固段的缓凝型树脂锚固剂开始固化、粘结，并产生锚固力，若顶板压力继续增大，则第二锚固段开始承担锚固力，在第二锚固段的锚固力增长到其额定锚固力以前，第一锚固段的锚固力不会再增加。

由此可见，拉力分散型锚索的锚固剪应力被分散到两处，锚索的锚固段剪应力分布更均匀，降低了锚索与粘结剂之间的应力集中程度，显著提高了锚索锚固可靠性，且具备常规矿用拉力集中型锚索的所有优点。

2.2 矿用拉力分散型锚索施工工艺

矿用拉力分散型锚索与普通矿用锚索施工工艺基本相同(以Φ22mm锚索为例)，主要工艺如下：

1)在锚索设计位置钻孔，孔径32mm，孔深6000mm。

2)预先在距离内锚端2000mm处钢绞线上安装树脂挡环。

3)装送树脂药卷，先装2支Z2350中速药卷，再装入2支H2350缓凝型树脂药卷，用钢绞线缓慢将树脂药卷推入孔底。

4)利用锚杆钻机边搅拌边推进，直至推入孔底，停止升钻机，搅拌40～60s后停机，停机后钻机保持2min后方可降下。

5)锚索孔树脂搅拌结束30min后安装锚索托板、锚具，对锚索进行预紧张拉，锚索张拉预紧力不低于150kN。

3 矿用拉力分散型锚索数值模拟分析

3.1 数值模型建立与计算工况

矿用拉力分散型锚索数值模拟采用上述拉力集中型锚索力学模型及相关参数进行模拟计算分析，锚索力学模型如图5所示。内锚固段长度2m，首先对靠近孔底的1m长锚固段(一次锚固段)进行张拉，张拉力的大小按模拟工况(见表4)进行，计算一定时间步后锚固靠近自由段的1m(二次锚固段)，同时进行第二次张拉。

图5 矿用拉力分散型锚索力学模型

表4 模拟工况

3.2 矿用拉力分散型锚索模拟结果分析

矿用拉力分散型锚索分两次锚固且张拉后钻孔周边剪应力分布曲线如图6所示。由图6可见：

图6 矿用拉力分散型锚索内锚段剪应力分布曲线

1)矿用拉力分散型锚索一次锚固段内与拉力集中型锚索应力分布特征相似，峰值位于锚固起始端0.2～0.3m。

2)对比拉力分散型的三种工况可见，第一次张拉在150kN左右是相对合理的，此时靠近孔底的内锚段利用率达到了60%～80%，第二次张拉也应该在150kN左右，如果张拉力太小，则第二次锚固的作用体现不明显。

3)采用矿用拉力分散型锚索且分两次张拉后，在整个内锚段强度利用率达到了70%～80%以上，较拉力集中型提高20%左右，应力峰值降低50%左右，剪应力分布相对均匀，应力分布较拉力集中型明显改善。

4 矿用拉力分散型锚索工程应用

4.1 巷道工程地质条件

为验证矿用拉力分散型锚索结构对巷道围岩加固效果，选择淮南矿区潘三煤矿1792(3)轨道巷进行矿用拉力分散型锚索工程试验。

1792(3)工作面走向长2166m，倾向长200m。该面回采13-1煤层，煤层倾角5°～9°，平均7°，煤层厚2.18～6.2m，平均3.89m。工作面标高-660～-695m。试验巷道轨道巷沿空掘进，工作面区间煤柱宽5～7m，巷道直接顶板为泥岩，均厚1.5m，较破碎，富含植化碎片；直接底为泥岩，厚1.93～3.95m，均厚3.2m，灰至深灰色，泥质结构，性脆易碎，含植化碎片。

4.2 巷道支护设计方案

巷道断面形状设计为梯形，上宽5000mm，下宽5400mm，巷道中高3000mm。巷道断面积15.6m2。试验段巷道支护采用矿用拉力分散型锚索，支护设计方案如图7所示。

图7 拉力分散型锚索支护设计方案(mm)

1)顶板支护：采用螺纹钢锚杆配合M钢带支护，钢带长度4800mm，垂直巷道走向铺设，每根钢带上安装7根锚杆。锚杆参数为Φ22mm×2400mm，间排距为750mm×800mm，预紧扭矩不低于150N·m；锚索规格为Φ22mm×6300mm，间排距为1000mm×1600mm，采用2支Z2350中速药卷和2支H2350缓凝型树脂药卷锚固，矿用拉力分散型锚索严格按前述安装工艺施工，采取措施确保两种锚固剂使用及安装顺序正确。

2)巷道上下两帮支护：采用高强螺纹钢锚杆配合扁钢带支护，锚杆间排距700mm×800mm，采用1支K2335快速树脂药卷和1支Z2355中速树脂药卷锚固。由于缓凝型钢固剂的凝固时间延迟至6～8h，在锚固剂送入并搅拌后不能及时固化，为防止搅拌后沿着孔壁向下流动，造成钢绞线锚固不密实，在钢绞线的锚固外端2000mm位置安装挡环。挡环呈腰鼓形，最大直径30mm，长度40mm，安装时确保钢绞线安装挡环的一端送入孔内。

4.3 矿压观测结果分析

本次试验目的主要包括：①进行矿用拉力分散型锚索的锚固结构与工艺的工业性试验，解决拉力分散型锚索施工中可能出现的各种技术问题；②检验缓凝型树脂锚固剂的锚固性能和锚固效果；③检验拉力分散型锚索的支护效果，并与常规拉力集中型锚索进行比较。矿压观测主要包括锚索载荷观测、巷道围岩变形两部分内容。

试验段与常规支护段锚索载荷观测统计见表5，试验段与非试验段巷道围岩变形曲线如图8所示。分析可知：

表5 试验段与常规支护段锚索载荷观测统计

图8 试验段与非试验段巷道围岩变形曲线

1)通过锚索载荷观测，矿方自行安设的多根常规拉力集中型锚索载荷一般为80～160kN，锚索锚固力较低，仅为锚索破断力的30%左右；矿用拉力分散型锚索最大载荷达450kN，平均载荷314kN，为锚索破断力的60%左右，相比常规拉力集中型锚索内锚力提高了一倍，有效改善了内锚力与锚索破断力的匹配问题，提高了锚索强度的利用率。

2)非试验段(常规拉力集中型锚索支护段)两帮移近量123mm，顶底板移近量512mm；试验段(矿用拉力分散型锚索支护段)巷道两帮移近量110mm，顶底板移近量355mm。从巷道整体情况来看，矿用拉力分散型锚索试验段顶板基本未发生明显离层，相比常规拉力集中型锚索控顶作用明显加强，巷道变形控制效果更为显著。

5 结 论

1)采用数值模拟方法，分析了矿用常规拉力集中型锚索内锚段受力特征，指出拉力集中型锚索会在外锚固起始段会产生严重的拉应力集中现象，可能会导致锚索内锚固的渐进失效等问题。

2)提出了新型矿用拉力分散型锚索锚固结构及施工工艺，孔内采用中速树脂锚固剂及研发的缓凝型树脂锚固剂分段锚固，实现了在现有的煤矿用锚索支护施工工艺不变的条件下，同一钻孔内不同锚固段的树脂药卷的分时分段锚固。数值计算结果表明，该锚固结构能够显著降低锚索孔内剪应力集中程度，锚索锚固可靠性显著增强。

3)将新型矿用拉力分散型锚索技术应用于井下工业试验。矿压观测结果表明，矿用拉力分散型锚索较常规拉力集中型锚索内锚力提高一倍甚至更高，有效改善了锚索内锚力与破断力的匹配效果，提高了锚索锚固可靠性，同时对巷道变形控制效果更为显著。