端錨自旋可伸長式錨桿的研究與設計

王 博

(寧夏建設職業技術學院，寧夏回族自治區銀川市，750021)

1 引言

目前，錨桿支護作為一種主動支護形式，在巷道支護領域得到了廣泛應用，但是在一些松軟大變形巷道的支護工程中還存在一定的缺項，制約了錨桿支護作用的有效發揮， 主要有以下幾點問題：

(1)在深埋大變形巷道中，由于地應力較大，圍巖變形較為明顯，普通錨桿支護相對于巷道圍巖剛度過大特別是松軟破碎巷道，錨桿的變形量小于圍巖變形量，圍巖不能充分卸載，錨桿受力過大致使支護失效；

(2)在軟弱大變形巷道中，過去常采用中空注漿錨桿，這種中空注漿錨桿的設計位置如果是在巷道的頂部，往往會出現注漿氣泡且漿液向下流淌，致使漿液的飽和度達不到使用要求，錨桿與圍巖之間存有空隙，導致錨桿錨固力下降；

(3)巷道圍巖的變形在深埋巷道中往往時間持續較長，對錨桿支護而言應該使錨桿具有一定變形儲備量，普通的錨桿支護設計無法保證錨桿能持續適應圍巖變形。

針對傳統錨桿存在的巷道支護不足，研究與設計了一種新型錨桿，并驗證了該新型錨桿應用的可行性。

2 端自旋可伸長式錨桿設計思路

端錨自旋可伸長式錨桿是一種非全長錨固錨桿，主要應用在破碎圍巖巷道以及深埋大變形巷道等支護工程。采用增大摩擦阻力與彎曲可伸長共同作用的設計理念，在錨桿前部設置旋絲錨葉多點摩擦錨固和錨桿后部彎曲可伸長增加變形量，顛覆了傳統錨桿單一支護工作理念，省掉了繁瑣的工作程序，將藥卷攪拌、注漿、支護等工作一次性到位，在增大錨桿錨固力及變形量的基礎上提高了施工效率。端錨自旋可伸長式錨桿結構示意圖如圖1所示。

1-鉆頭；2-前部端錨加固段桿體；3-后部彎曲可伸長段桿體；4-托盤；5-螺母；d1-鉆頭外徑; d2-旋絲錨葉外徑; d3-后部彎曲可伸長段桿體外徑圖1 端錨自旋可伸長式錨桿結構示意圖

由圖1可以看出，端錨自旋可伸長式錨桿主要由鉆頭、錨桿桿體、托盤和螺母組成，其中錨桿桿體由前部端錨加固段桿體和后部彎曲可伸長段桿體組成，錨桿桿體兩端設置有外螺紋。錨桿鉆頭為十字型合金鉆頭，能夠防止端頭的螺絲在旋進過程中變形，同時鉆頭的一端設置有與錨桿桿體的外螺紋相匹配的內螺紋，錨桿鉆頭與前部端錨加固段桿體的一端通過螺紋連接，前部端錨加固段桿體的另一端和后部彎曲可伸長段桿體的一端連接，前部端錨加固段桿體與后部彎曲可伸長段桿體為一體式結構連接，前部端錨加固段桿體的長度與后部彎曲可伸長段桿體的長度比為1∶1。鉆頭外徑d1與前部端錨加固段桿體的旋絲錨葉外徑d2以及后部彎曲可伸長段桿體的外徑d3相同，均為32 mm。

前部端錨加固段桿體為實心桿身，桿身的圓周面上設置有螺旋狀旋絲錨葉的螺紋鋼桿，其中的旋絲錨葉由機器冷加工后焊接在桿身上，旋絲錨葉可以起到攪拌漿液、防止漿液溢出、增加漿液飽和度以及增加錨固力的作用，旋絲錨葉的旋轉角度為60°。

后部彎曲可伸長段桿體為彎曲狀且可伸長的螺紋鋼桿，采用實心桿身，后部彎曲可伸長段可彎曲成3個彎曲單元，彎曲單元的長度為100 mm，彎曲單元圓弧對應半徑為50 mm。

錨桿托盤設置有中心通孔，其中螺母設置有與錨桿桿體的外螺紋相匹配的內螺紋，后部彎曲可伸長段的另一端穿過托盤的中心通孔與螺母通過螺紋連接，托盤套在后部彎曲可伸長段上，旋緊螺母后可以將托盤固定在后部彎曲可伸長段桿體上。

3 端錨自旋可伸長式錨桿支護特點

端錨自旋可伸長式錨桿在不增加錨桿支護密度和錨桿直徑的前提下，即可提供更大的錨固力和更強的變形適應性，其主要應用特點如下。

(1)端錨自旋可伸長式錨桿通過前部端錨加固段桿體上的旋絲錨葉可以深入巖體中形成多點接觸接觸產生摩擦，使產生側向應力作用在旋絲錨葉之間的錨桿桿身上，增大了摩擦錨固力，實現及時支護以及施工完成立即承載的效果。其中，前部端錨加固段桿體上的旋絲錨葉角度為60°，能夠更好地配合鉆頭深入到巖層中。在漿液擴散過程中，使漿液順著旋絲錨葉往出流能夠更好地排出漿液中的氣泡，同時防止漿液外溢，達到有效的飽和度，使其具有更好的錨固性。

(2)端錨自旋可伸長式后部彎曲可伸長段桿體，可以隨著圍巖變形量的增加提供更多的可伸長變形量，當巷道圍巖變形量較大時，仍可保證錨桿正常發揮作用。

(3)端錨自旋可伸長式錨桿相比于傳統錨桿，可以在不增加錨桿支護密度和錨桿直徑的前提下提供更大的錨固力和更強的變形適應性，在松軟破碎巷道施工中具有良好的應用前景。

4 數值模擬分析

以大變形煤礦巷道為背景，采用有限差分法數值計算程序FLAC 3D對端錨自旋可伸長式錨桿進行的數值模擬分析后的x方向應力云圖和z方向應力云圖如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3 的數值模擬分析可知，在支護方案模擬過程中，兩幫及頂板雖出現較小拉應力，塑性區未擴展到錨桿錨固段范圍內，巷道兩幫移近量和頂板下沉量完全滿足安全生產的需要，證明了新型錨桿支護技術體系的可靠性，可以采用新型錨桿進行試驗段施工。

圖2 x方向應力云圖

圖3 z方向應力云圖

5 工業試驗

本次新型錨桿試驗巷道為礦井馬頭門延伸巷道，該巷道位于3#煤層內，厚度為2.7～4.8 m，局部夾泥巖夾矸，以亮煤為主，其次為鏡煤、暗煤，層狀結構，內生裂隙發育，條痕為灰黑色，視密度為1.41 t/m3，真密度為1.49 t/m3，煤層穩定，透氣性較好，呈單斜構造，煤層產狀走向為310°～340°，傾角為2°～5°，由西向東逐漸加厚。該巷道變形破壞具有如下特性。

(1)巷道頂板下沉量較大，頂板的離層和破碎相互作用，掘巷后頂板活動期較長。

(2)底鼓及巷幫發生劇烈蠕變變形，巷道的頂板下沉、兩幫移近和劇烈底鼓往往同時發生，且相互影響，形成惡性循環。

(3)巷道圍巖對擾動極為敏感，當受到采動等影響時，會發生劇烈的變形，甚至整體失穩破壞。

(4)圍巖遇水膨脹，易破碎，巷道部分圍巖含有親水性較強的礦物，這些礦物遇水后軟化，體積膨脹，變形加劇。

(5)普通剛性支護普遍容易被破壞，巷道變形速度快、變形量大且變形時間長。普通剛性支護所承受的變形壓力較大，不適應大變形巷道的變形規律，施工后較快發生破壞。

從巷道變形特點可知，能否充分發揮圍巖的自承能力，是實現巖石采礦工程穩定的最經濟最可靠的方法。巖石內的應力及其強度是決定圍巖穩定的首要因素，當巖體應力超過強度而設置支護時，支護應力與支護強度則變成巖石工程穩定的決定因素，因此使用新型錨桿進行支護具有現實意義。

6 端錨自旋可伸長式錨桿支護設計

本次錨桿支護設計采用自穩隱形拱錨桿支護理論。自穩隱形拱理論認為，錨桿的支護作用只是保護一定范圍圍巖的相互咬合，防止自穩隱形拱內圍巖局部突變，保障圍巖的協調變形。該理論首先是基于圍巖具有自我穩定能力這一基本點上，并認為不論圍巖如何松軟，只要是似連續介質，其即使出現片幫冒頂現象，這樣的冒落在一般情況下也不會是無限的，最終必然達到相對的穩定平衡。即使是松散介質，當這種介質的結構體互相咬合也能達到相對穩定平衡，這稱之為巷道的自穩現象。對巷道的支護就是對巷道在達到相對穩定平衡過程中自穩隱形拱內出現的片幫冒頂的維護，保證在這一過程中只出現變形而不出現片幫冒落。因此，錨桿支護工作只是保護圍巖一定范圍圍巖的這種相互咬合。頂錨桿的有效作用可以縮小自穩隱性拱，增加頂板的穩定性。錨桿支護設計中至少要深入到自穩隱形拱內500 mm以上，才能實現巷道支護的有效性。

根據自穩隱形拱原理采用端錨自旋可伸長式錨桿進行支護試驗設計。頂、幫錨桿均使用端錨自旋可伸長式錨桿，使用樹脂錨固劑，每個錨桿配置1個CK2335和1個Z2350錨固劑。錨索直徑為?15.24 mm，長度為4300 mm。使用樹脂錨固劑，每個錨索配置1個CK2335和2個Z2350樹脂錨固劑，每間隔2.4 m設置一根錨桿，網片采用12#鐵絲編織。

在巷道掘進過程中每天監測一次頂板離層。監測中使用鋼帶式多點位移計，深部基點在頂板6 m處，主要基點在2 m處。測試數據表明，雖然頂板收斂量并不大，可巷道壓力顯現呈持續狀況，這證明了新型錨固體系支護設計基本合理。頂板位移收斂監測情況如圖4所示。

圖4 頂板位移收斂監測情況

7 結語

(1)端錨自旋可伸長式錨桿通過旋絲錨葉深入孔壁巖層增加形成多點摩擦作用，即時承載不僅增加了錨桿錨固力，而且在錨桿旋絲錨葉攪拌漿液的過程中，可以防止漿液溢出，增加了漿液飽和度，而彎曲可伸長式的設計可以保證隨著圍巖變形增大，彎曲段可提供更多的變形伸長量，適應巷道變形。

(2)在試驗巷道掘進過程中進行監測頂板離層，測試數據表明，頂底板變形量最大為47 mm，處于安全可控狀態，證明了新型錨固體系支護使用的可靠性。

(3)端錨自旋可伸長式錨桿實現了在不增加錨桿支護密度和錨桿直徑的前提下即可提供更大的錨固力和較強的變形適應性，通過FLAC 3D有限元數值模擬分析和工業試驗驗證了技術的可行性，在松軟破碎煤礦巷道顯示了良好的應用前景。