预应力中空式注浆锚杆在围岩控制中的研发与应用

预应力中空式注浆锚杆在围岩控制中的研发与应用

周世海1陈钟1郑伟杰2

关键词：预应力中空锚杆?注浆?围岩控制

0．前言：

随着采深的不断加大及开采条件的日益复杂和恶化，巷道围岩的控制始终是煤矿的最终实践形式。巷道围岩控制主要就是采用工程手段保持和提高围岩的强度，充分利用围岩自身的强度来保护围岩系统的稳定性。注浆作为改善岩土性质的重要技术，能在原位对岩土进行加固或改性，使一定范围内的岩土成为工程结构不可分割的一部分，能够有效控制围岩变形，显著改善支护效果，较为完善地解决一些岩土工程稳定与安全问题。

１．概述

煤矿井下巷道安全可靠的支护是确保矿井正常生产的基础，为确保巷道由于构造应力、深井、松软破碎围岩及采动影响等多因素作用下的巷道支护安全，根据祁东矿的实际情况，我们自行研究设计了预应力中空注浆锚杆，该锚杆兼顾注浆管和高强锚杆的双重作用，可有效实现压力注浆，改善弱面的力学性能，提高破碎圈、裂隙圈裂隙的粘聚力和内摩擦角，增大岩体内部块间相对位移的阻力，提高围岩的整体稳定性，配备不同的注浆材料（水泥浆、威尔浮注浆材料、波雷因注浆材料、有机高水材料、水泥－水玻璃注浆材料、ZKD型高水速凝材料等）和注浆工艺可以分别用于:1、综采工作面回采顶板破碎煤层支护；2、迅速充填空硐，防止有害气体积聚；3、加固沿空掘巷煤柱，加固破碎煤柱，防止煤柱及采空区漏风、发火；4、工作面冒顶及片帮加固；5、加固巷道交岔点，提高支护强度；6、井筒封闭水流；7、封闭巷道顶、底板水流；8、超前支护等方面，也可用于隧道支护、高速公路护坡和高层建筑基坑加固支护等方面，并且该产品价格较低，可有效降低支护成本。为了从原理、施工工艺与手段等各个方面去真正解决煤矿巷道支护所面临的实际问题，皖北煤电集团祁东煤矿在采煤三区轨道上山及东胶机巷进行了预应力中空注浆锚杆支护试验和使用，并取得了较好的技术效果。

２．中空式注浆锚杆的研发及配套设施

２．１．MZGK100－42/21型预应力中空注浆锚杆

根据中国工程建设标准化标准及有关材料设计，该锚杆将高强锚杆和注浆管的功能合二为一。注浆时它是注浆管，注完浆后对注浆锚杆增加预紧力后。相对于传统的锚固工艺，它具有如下特点：

1、中空设计，使锚杆实现了注浆管的功能，避免了传统施工工艺注浆管拨出时造成的浆液流失。

2、注浆饱满，并且实现压力注浆，提高了工程质量。

3、由于各配件的作用，杆体的居中性很好，浆液可以将锚杆体全长包裹，实现全长锚固、避免锈蚀，达到长期支护的目的。

4、安装方便、可靠。

注浆锚杆尺寸参数可根据施工工程的需要进行变化，长度方向可用连接套调节实现（常用的有：L＝1.6，2.2，3.0m等）；杆体直径也可进行变化（Φ＝21、22mm等）；壁厚：δ＝5、6、7mm，杆体注浆孔采取单眼螺旋排列，断头开丝，在注浆结束后加托盘及螺母，增加预紧力。（中空注浆锚杆结构示意图如图1）

中空注浆锚杆组成：杆体、固定垫片、托盘、螺母

主要技术性能：

（1）、注浆锚杆杆体材料优先选用极限拉力大于150KN。

（2）、金属杆体的延伸率不小于6％。

（3）、杆体直线度≤2mm/m。

（4）、金属杆体尾部螺纹承载力大于杆体极限拉力值的60％。

（5）、锚杆托盘的板材采用优质钢板加工而成，其形状为碟形，承载力大于杆体极限拉力值的60％。

（6）、锚固力大于杆体极限拉力值的70％。

２．２．注浆泵

注浆时可根据注浆的材料不同选用不同的注浆泵，如：单液水泥注浆泵；SYB50/50型液压注浆泵；ZJB-85/180型双液变比注浆泵；QB-25（12）型气动高压双液变比化学注浆泵等。但随着社会科技的不断发展和进步，煤矿井下注浆技术也在不断发展和更新，井下一些地质构造应力不大、采动影响不深、围岩破碎程度较小的巷道，其单一水泥静浆注浆仍然大量使用，但在一些地质构造应力大、采动影响较深、围岩破碎程度大、顶板破碎严重、高冒顶等情况，使用化学注浆的实例越来越多。不同的注浆材料，对泵的要求也不不尽相同，因此注浆泵的不断更新和发展也是今后研究的重点。

３．工程应用现场地质条件

祁东煤矿采煤三区轨道上山，由于断层破碎带及采动影响，巷道帮部及底板发生离层和局部片帮，给材料运输、行人、矿井生产带来不安全因素。为此，祁东矿采用预应力中空注浆锚杆与威尔浮化学注浆技术联合运用，对巷道进行加固，以消除安全隐患，为安全生产创造条件。

４．预应力中空式注浆锚杆支护机理

由于中空式注浆锚杆长度可变、锚固力高，对已经形成较大破坏变形的巷道围岩，锚杆可在岩层内部产生着力点，能有效抵抗深部围岩传递的压力，在注浆时中空注浆锚杆是一根注浆管，注浆完毕后即能起到一根高强锚杆或锚索的作用，因而能有效抑制巷道变形。注浆作为改善井巷围岩性质的重要技术,能在原位提高破碎岩体的力学性能，并显著提高破碎岩体的完整性，破碎岩体注浆并进行锚杆支护后，可为锚杆内着力点和拱形压缩带的形成创造可靠条件。而预应力中空注浆锚杆可以克服锚杆长度短、锚固力低的缺陷，采用注浆与预应力锚杆两种不同性能支护的组合结构对巷道进行联合支护，能发挥两种支护形式的各自特点。在注浆和锚杆预应力的综合加固支护作用下，有效实现压力注浆，注浆后改善弱面的力学性能，提高裂隙的粘聚力和内摩擦角，增大岩体内部块间相对位移的阻力，使破碎岩块重新胶结成整体，形成承载结构，提高围岩的整体稳定性，充分发挥围岩的自稳能力，同时与巷道支护共同作用，减轻支架承受载荷；另外浆液固结体封闭裂隙，有效阻止水气浸入内部岩体，防止水害和风化，保持围岩力学性质，实现长期围岩稳定。

５．施工工艺

预应力注浆锚杆施工工艺包括中空式注浆锚杆孔施工与注浆施工两部分。中空式注浆锚杆孔施工包括钻孔设备、中空锚杆规格与钻孔工艺，而注浆施工包括注浆设备与注浆工艺两部分。

５．１．中空式注浆锚杆孔施工

施工钻孔使用MQT-130/2.8气动锚杆钻机，该钻机是通用高效凿岩设备，具有动力单一，结构简单、使用方便、辅助时间短，重量轻、维护方便。齿轮式气动马达，运转稳定，可靠性高等特点。MQT-130/2.8型气动锚杆钻机可广泛适用于岩石硬度f≤10的巷道，特别适应煤巷的锚杆支护作业，既可钻顶板锚杆孔，又可钻锚索孔，还可搅拌和安装树脂药卷类锚杆、锚索，无需其他设备，即可实现锚杆螺母一次安装拧紧，达到初锚预紧力的要求。

祁东煤矿采煤三区轨道上山中空式注浆锚杆与威尔浮化学注浆施工工艺参数：

1)中空锚杆规格

中空锚杆：φφ21mm×3000mm。头部150mm段制成扁口状，以利固结锚固。

2)钻孔参数

钻孔直径为φ42mm，设计钻孔深度4m。钻孔深度可根据施工岩层状况而定，以保证使锚杆深部端头锚固在较稳定岩层中为准。

3）钻孔间排距

设计单排注浆孔，孔间距设计为2~3米，每个注浆循环布置7～9个注浆孔。

５．２．注浆施工

用QB-25（12）型风动化学双液变比注浆泵（适合单液或双液）注浆。威尔浮化学注浆，A料和B料分别通过各自的柱塞和矿用K型高压胶管，单向阀Y型三通，混合器进入封孔器，并被压注进破碎煤岩层，QB系列气动高压注浆泵的注浆工艺如图２所示。与注浆设备配套的进风管为Φ25mm高压风管，出浆管规格为Φ10mm。注浆压力设计为10～12Mpa，保证了浆液的充分渗透与扩散。

施工工序按顺序为标孔→钻孔→检查钻孔质量→安装中空式注浆锚杆及封孔部件→封孔→准备浆液→开泵注浆→凝固→检查注浆质量→验收。具体施工时，控制流量、注浆速度，通过风路阀门调节出浆量，掌握出浆压力，尽可能防止浆液从岩壁大量外溢。

图２QB型气动注浆泵注浆工艺示意图

1-封孔器2-混合器3-注浆管4-卸荷胶管5-单向阀6-气动泵7-吸浆管

５．３．锚杆锚固力及拉拔力检测

锚杆注浆后，实现全长锚固，在全长范围内形成较大的预应力。在较大范围内的锚杆形成应有的锚固力，充分发挥锚杆的应有支护效能。与普通锚杆支护相比具有锚固力大、拉拔力强等特点（图３中空注浆锚杆拉拔力测试示意图）。

在锚杆全长范围内的预应力随着岩层的变形有所增加，从而真正实现了锚杆的主动支护。锚杆附近的巷道基本保持完整，变形量也较小，巷道通过注浆加固与预应力锚杆支护施工后，巷道围岩相应趋于稳定。

通过对采煤三区轨道上山中空注浆锚杆联合支护的效果可以清楚地看到，巷道采用注浆加固与全长预应力锚杆支护系统，有效地控制了巷道围岩的变形，取得了较好的支护效果。

６．主要结论

１)复杂条件下巷道的支护重点就是巷道破碎围岩（底臌、冒顶、片帮）加固。针对皖北煤电集团祁东煤矿在采煤三区轨道上山及东胶机巷复杂围岩条件下难以控制的问题，提出预应力中空注浆锚杆与注浆综合支护技术，取代过去使用的金属底梁和砼反拱治理的传统方法，实现了锚杆对岩层的主动支护，并很好地解决了破碎岩巷较难防治的技术难题，实现了巷道支护技术的突破。

2)预应力中空注浆锚杆联合加固支护技术是一种将现代注浆加固技术与新型锚杆（兼顾注浆管和高强锚杆双重特性）支护技术有机结合在一起的新型加固支护技术，即保证了锚杆主动支护，又克服了普通锚杆锚固力仅依赖锚杆两端作用的弊端，大大提高了锚杆支护效能；采用化学注浆的方法将注浆材料压注到破碎岩体中，人为地改善了破碎岩体的物理力学性能。若采用其他注浆材料和注浆工艺中也有很好的推广价值。

3)预应力锚杆与注浆联合支护系统对注浆设备和锚杆钻机等施工机具提出了更高的要求，本论文结合祁东煤矿井下地质条件的实际需要，研制了MZGK100－42/21型预应力中空注浆锚杆，较好地解决了巷道围岩注浆加固和全长预应力锚杆施工的技术问题，形成了治理围岩巷道的完整技术手段。而且整个锚注工艺系统采用压风作为动力源，不需电源和高压乳化液作动力，从而提高锚注工艺过程的安全性。

参考文献

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[7]钱鸣高，刘听成主编.矿山压力及其控制.北京：煤炭工业出版社，1991

作者简介：周世海(1976.10-),男，安徽滁州人，助理工程师，皖北煤电集团祁东煤矿从事井下支护用品研发生产；

陈钟(1975.11-),男，安徽萧县人，助理工程师，皖北煤电集团祁东煤矿修护区技术主管；

郑伟杰(1979.3-),男，安徽萧县人，助理工程师，皖北煤电集团任楼煤矿采煤三区技术主管；