高强度等级中空锚索与线性锚索束协同支护技术

王光胜，杨永刚，张 辉，李世辉，张 涛，杨张杰，徐永良

(1.淮河能源矿业(集团)有限责任公司 煤业分公司，安徽 淮南 232095；2.安徽省煤炭科学研究院 矿山支护技术中心，安徽 合肥 230001；3.淮南东华欧科矿山支护设备有限责任公司，安徽 淮南 232000)

以中空注浆锚杆(索)为基础的预应力全长复合锚固及锚注一体化综合支护技术已成为煤矿巷道支护的重要手段之一，该技术利用中空的锚杆(索)兼做注浆管，进而实现预紧及时支护、全长锚固和围岩注浆三位一体多重功能的综合加固技术[1-3]。随着巷道支护技术的进步，本技术的研究及应用不断深化。在中空锚索加固机理研究方面，李桂臣[4]采用理论计算和数值模拟方法研究了中空注浆锚索注浆前后剪应力的分布规律；黄中峰等[5]研究分析了注浆锚索几何形状引起的锚索结构件间的相互力学作用，为注浆锚索承载能力的设计提理论依据；刘娜[6]采用FLAC3D模拟分析了中空注浆锚索在全长锚固时锚索在不同拉拔载荷下围岩和锚索的应力位移演化规律以及锚索轴力演化特征。在中空锚索研发方面，李希勇[7]研发了1570强度等级的预应力中空注浆锚索，并用于深部煤矿井大断面巷道及硐室支护中取得了较好效果；马振乾[8]研发了1760强度等级的中空注浆锚索，较好的解决了芦岭煤矿II82采区上山受剧烈动压影响、架棚支护效果差的问题；毛宏远[9]等将1860强度等级的中空注浆锚索加固技术应用于吕家坨矿深部巷道支护，保证了巷道支护安全。

由上述分析可见，以中空注浆锚杆(索)为基础的预应力全长复合锚固及锚注一体化综合支护技术能够解决部分复杂巷道的支护难题，推动了巷道支护技术的进步。然而，在煤矿井下实际使用中，中空注浆锚索仍然存在不同程度的退锚、索体破断等支护失效问题，严重的导致顶板离层过大甚至冒顶。本文基于高强度等级中空锚索开发结合线性锚索束结构设计，提出了高强度等级中空锚索与线性锚索束协同支护技术，并通过井下工程应用验证了该支护技术的有效性。

1 高强度等级中空锚索研发

目前国内常用中空注浆锚索强度等级主要有1570MPa、1670MPa、1760MPa、1860MPa等几种，又由于其特殊的中空结构，导致锚索索体承载能力较常规实心锚索显著降低。以1860MPa等级，直径22mm的中空锚索为例，经实验室拉拔测试，锚索极限承载力为430kN，为同直径实心锚索的70%左右。

由于中空注浆锚索特有的中空结构，导致整体强度损失，当巷道围岩应力环境显著恶化，而又未及时调整支护参数时，极容易发生中空锚索破断等支护失效问题，严重的导致冒顶[10]。从国内中空锚索使用情况来看[11-16]，目前的中空注浆锚索支护技术是作为常规锚索网支护的必要补充，还不具备作为巷道主要支护单元的条件。

1.1 高强度等级中空锚索结构及力学参数

为提高中空注浆锚索支护可靠性，避免由于强度不足而导致的中空锚索破断等问题，研发了2060MPa高强度等级中空注浆锚索及其配套锁具，索体由外圈8根特种预应力钢丝和注浆芯管编织而成，索体直径22mm，钢丝抗拉强度为2060MPa。

经实验室测试，高强度等级中空注浆锚索关键力学参数见表1。由检测结果可见，锚索整体承载能力平均达到了668kN，超过了∅22mm、1860强度等级实心锚索，同时静载锚固系数、伸长率、疲劳载荷性能等指标满足了国家和行业标准。

表1 高强度等级中空注浆锚索力学参数

1.2 井下承载性能实测

为检验2060MPa高强度等级的中空注浆锚索及其配套锁具实际承载能力，选择顾桥矿北二回风大巷进行了破坏性拉拔试验。

试验锚索规格：∅22mm×7300mm；数量2根，配套KM22-2060锁具；试验工况：①钻孔满注(全长复合锚固)；②钻孔未注浆(端部锚固)；注浆材料：矿用无机充填加固材料[1]；张拉机具：100t空心千斤顶。

实验步骤：①钻机施工孔深6.6m、∅32mm锚索安装孔；②安装1卷Z2550锚固剂实现端部锚固；③安装锚索托盘、KM22-2060锚具，张拉预紧力至设计值(120kN)；④采用KWJG-3型材料按0.32水灰比进行制浆(配套使用水灰配比控制装置)，浆液制好后进行注浆，注满为止，注浆料约12kg；⑤注浆7d后，进行破坏性张拉试验。

由试验结果可见，2060MPa高强度等级的中空注浆锚索实际最大承载力(破断)均可达640kN左右。工况1(钻孔满注，全长复合锚固)，锚索的破断断口在孔口外(锚具夹片处)，三根钢丝拉剪复合破断，其余为拉破断，如图1所示；工况2(钻孔未注浆，端部锚固)，锚索的破断在自由段，断丝位置距孔口1.3m左右，参差不齐，断口呈梅花形。

图1 中空注浆锚索井下试验照片

1.3 中空锚索预应力全长复合锚固机理

根据高强度等级中空注浆锚索安装工艺，第一步实施端部锚固并预紧张拉，第二步实施注浆，形成全长复合锚固。因此从力学本质上来说，属于拉力分散型锚索，即通过两种锚固材料(里段为树脂锚固剂；外段为矿用无机充填加固材料)，实现同一钻孔内不同锚固段的分时分段锚固。

第一步，即张拉预紧阶段未注浆前，里段树脂锚固剂固化，并提供支护阻力，及时支护顶板。剪应力分布如图2所示。

图2 中空锚索全长复合锚固机理

第二步，滞后一定距离中空锚索注浆后，外段矿用无机充填加固材料固化并产生锚固力。当顶板来压大于张拉预紧力时，此锚固段开始承受顶板压力，并且此后增长的顶板压力将全部由第二锚固段承担。

由此可见，预应力全长复合锚固锚索的剪应力被分散到两处，降低了锚固段的应力集中程度，显著提高了锚索锚固可靠性。

2 线性锚索束协同支护技术

大量的数值计算与矿压观测结果表明，巷道顶板岩层运动不仅包括垂直位移(离层)还有不同程度的水平错动，而单根锚索难以抵抗顶板岩层的水平位移，由此导致锚索的破断多表现为拉剪复合破断[17-20]。为防止围岩水平移动变形导致的锚索在孔口段的硬剪切破坏和自由段的软剪切破坏，提出了线性锚索支护技术。

2.1 线性锚索束设计

线性锚索束主要由1000mm长14#槽钢梁、小垫板以及长度差异化的锚索组成，如图3所示。具体由1根规格∅21.8mm×7700mm锚索+1根规格∅21.8mm×9200mm锚索+1根规格∅22mm×6300mm SKZ22-1/2060型中空注浆锚索+长1000mm的11#工字钢梁+3块200mm×65mm×18mm托板组成。

图3 线性锚索束设计(mm)

2.2 中空锚索与线性锚索束协同支护机制

1)不同长度的锚索与其他常规锚索实现梯级锚固，避免内锚段在同一岩层层位发生应力集中。

2)三根锚索集中布置，提高单位面积上锚索数量，共同抵抗围岩水平变形，避免锚索各个击破。

3)利用线性锚索束上布置的高强度中空注浆锚索实现对锚索束中所有锚索的全长锚固，进一步提高抗剪切能力。

4)通过提高外锚构件的刚度，避免外锚端刚度不足导致的锚索孔口剪切破坏。

5)通过提高外锚强度以及加长锚索的设置，从而构建巷道浅部松散破坏围岩与深部稳定岩性的力学联系。

3 协同支护技术工程应用

以淮南矿区顾桥矿1127(1)运输巷巷修工程为背景，开展了高强度等级中空注浆锚索与线性锚索束协同支护技术的现场试验，以验证其支护效果。

3.1 巷道原支护形式及破坏特征

1127(1)运输巷标高-945.2～-831.8m，2倍巷道宽度范围内围岩以砂质泥岩、泥岩、细砂岩、粉细砂岩为主。巷道主体断面为直墙半圆拱形，原支护采用锚网索及喷浆支护。

第一支护单元为∅22mm×2500mm高强锚杆配合10#菱形金属网支护。锚杆间排距为900mm×900mm，顶部采用 1卷K2550+2卷Z2860树脂锚固剂实现全长锚固；帮部采用2卷Z2860树脂锚固剂，锚杆安装扭矩不低于200N·m。

第二支护单元为锚索加强支护。锚索规格为SKP22-1/1860/6200mm矿用锚索，“4-0”单体布置，采用3卷Z2860树脂锚固剂锚固，预紧力≥180kN。

第三支护单元为喷射砼封闭围岩。喷浆层厚度100mm，强度C20。

由于巷道埋深大、巷道走向与主应力方向夹角大、且受到1127(1)运输巷掘进影响，巷道破坏较为严重。具体表现为：①顶板局部断裂、松动破碎、而且网兜及撕网现象普遍；②支护体破坏较为严重，锚杆、锚索及后期补打的T3锚索组合钢带均有不同程度的破坏。

为探清巷道破坏程度，确定合理的巷道修护参数，采用高清工业内窥镜对巷道围岩进行了多组钻孔窥视，如图4所示。钻孔窥视结果表明顶板为泥岩及砂质泥岩结构，顶板上方有多层煤线，顶板3m以下较破碎，顶板最大破碎深度达到5.2m。

图4 原巷道围岩钻孔窥视结果

3.2 协同支护技术方案

根据钻孔窥视结果，提出了高强度等级中空注浆锚索与线性锚索束协同支护技术方案，如图5所示。

图5 高强度中空锚索与线性锚索束协同支护技术方案(mm)

1)挑顶补网，并加补破断锚杆及破断锚索：顶板下坠处挑顶补网，按间排距800mm×900mm补打常规锚杆和中空注浆锚杆，常规锚杆参数为MSGLW-400/∅22mm×2500mm。每2排常规锚杆间隔布置1组∅24mm×2500mm中空注浆锚杆，采用1卷Z2360树脂锚固剂锚固，预紧力矩不小于180N·m。原支护锚索破断位置补打∅21.8mm×7700mm锚索。

2)补打加长锚索和线性锚索束强化顶板：将顶板锚索由“4-0”布置加补为“4-5”布置，加补锚索规格为∅21.8mm×7700mm，间距1200mm。为了强化顶板支护，每隔3排交替布置1组/2组锚索束，锚索束参数如图6所示。SKZ22-1/2060型中空注浆锚索配套KM22-2060型锚具使用。

3)喷浆，喷浆材料选用具有早强、速凝特性的矿用无机速凝喷射复合砂浆[1]，喷层厚度50～60mm。

4)“一注”中空锚杆注浆：喷浆后进行“一注”中空锚杆注浆，重构浅部围岩。采用久米纳矿用无机充填加固材料注浆，水灰比0.35左右，注浆压力：5～6MPa，注浆稳压时间3～5min。

5)顶板“二注”线性锚索束上中空锚索注浆：注浆压力8～10MPa。注浆材料及其余注浆参数同上。

3.3 围岩变形控制效果分析

1127(1)运输巷采用高强度等级中空注浆锚索与线性锚索束协同支护技术修护后，采用钻孔窥视、矿压观测等手段，对围岩变形控制效果进行分析。

巷道修护后钻孔窥结果如图6所示，由图6可知，巷道多轮次立体注浆修护后，钻孔内注浆结石体清晰可见，注浆区间内裂隙充填饱满，可推断注浆液已在巷道周边松动圈内形成厚度不同、包容岩块大小、数量不同的结石体，重构了围岩结构，改善了围岩加固效果，同时也给锚杆锚索等支护体提供了可靠的着力基础。

图7 巷道修护后钻孔窥视结果

巷道修护后围岩变形观测曲线如图7所示，由图7可知，近8个月的观测时间内，巷道顶底板移近量在200mm以内，两帮移近量在150mm以内，修护后砼喷层没有开裂，锚索未再次发生破断现象。现场试验表明，高强度等级中空注浆锚索与线性锚索束协同支护能够有效控制深部高地压巷道的围岩大变形，是一种行之有效的巷道加固方式。

图8 巷道修护后围岩变形观测曲线

4 结 论

1)研发了∅22mm、2060MPa高强度等级的中空注浆锚索及配套锁具，实验室和现场实测结果表明，其整体承载能力平均达到了668kN，超过了∅22mm、1860强度等级实心锚索。

2)通过高强度等级中空注浆锚固作用机理分析，指出了高强度等级中空注浆锚索锚固体系属于全长复合锚固拉力分散型锚索的力学本质。

3)设计了线性锚索束新型支护结构，并将高强度等级中空注浆锚索与线性锚索束结构组合使用，分析了两者协同支护机制。

4)以顾桥矿1127(1)运输巷为工程背景，开展了高强度等级中空注浆锚索与线性锚索束协同支护技术的现场试验，结果表明本技术能够有效控制深部高地压巷道的围岩大变形，是一种行之有效的巷道加固方式。