深部硬巖條件下水脹式錨桿錨固性能研究

楊尚歡 劉再濤 朱乾坤 趙興東

(1.山東黃金礦業(萊州)有限公司三山島金礦,山東 萊州 261442;2.東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819)

隨著淺部資源的逐漸枯竭,深部開采已經成為礦業開發領域的必然趨勢[1-2]。受深部復雜工程地質環境及開采活動影響,圍巖地壓災害日趨嚴峻,出現諸如層裂、冒頂、片幫、巖爆等破壞形式[3]。礦山圍巖支護是有效降低地壓災害的重要措施,也是當前深部開采研究的熱點和難點問題。

水脹式錨桿是巖石力學工程常用的支護形式之一,廣泛應用于隧道、采礦、水電工程等領域[4-8]。水脹式錨桿通過錨固界面的摩擦和機械自鎖作用加固巖體,軟巖和硬巖條件均可使用[9-10]。水脹式錨桿桿體是通過鋼管折成Ω 形斷面制成的,桿體兩端均焊接有密封套管,其中外漏套管上有高壓水注水孔(圖1)。安裝時先將錨桿置于錨固孔內,然后注入高壓水使桿體膨脹,在高水壓作用下錨桿擠壓巖體使其外形適應不規則孔壁;安裝結束后水壓消失,受彈性恢復影響錨桿被卡在錨固孔內并對孔壁產生接觸應力和機械自鎖(圖1)[9]。目前,常見的水脹式錨桿有Swellex 錨桿[11]、Omega 錨 桿[12]、EX300 ERB 錨桿[13]、新型RPE 錨桿[14]等。與傳統錨桿相比,水脹式錨桿具有安裝便捷、安裝速度快、對爆破振動不敏感及抗巖爆等特點[12,15-17],因此在深部高應力巷道支護領域具有良好潛力。

圖1 水脹式錨桿結構及其與圍巖相互作用示意[9]Fig.1 Schematic of inflatable rock bolt structure and its interaction with surrounding rock

在三山島金礦西山分礦深部-945 m 水平北巷選取試驗點進行支護試驗,結合拉拔試驗及長周期水脹式錨桿內水壓監測,探究深部硬巖條件下水脹式錨桿錨固性能,為深部硬巖巷道支護設計提供依據。

1 硬巖條件下水脹式錨桿接觸力分析

對于水脹式錨桿而言,接觸應力q是至關重要的參數。Wijk 等[11]給出接觸應力的估算式:

式中,Pi為錨桿安裝時作用在錨固孔壁的壓力;ri為錨固孔半徑;t為錨桿壁的厚度;Er為巖體彈性模量;vr為巖體的泊松比;Es為錨桿材料的彈性模量;vs為錨桿材料的泊松比。

式(1)成立的條件是水脹式錨桿能夠充分膨脹成圓環且安裝時產生的向外的彈性徑向位移在水壓消失后不會向內回彈[18-19]。

H?kansson 等[10]推導出適用條件更廣的接觸應力計算式:

圖2所示為硬巖中接觸應力與彈性模量的關系,可以看出給定鉆孔直徑的情況下,接觸應力值隨著彈性模量的增加呈現先增加后逐漸降低的趨勢,峰值接觸應力隨著鉆孔直徑的增加而增加。

圖2 接觸應力與圍巖彈性模量的關系[10]Fig.2 The relations between contact stress and the Young's modulus[10]

2 水脹式錨桿試驗研究

2.1 工程背景

三山島金砂礦體主要賦存在三山島斷裂帶中,巖性以黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖、絹英巖化花崗巖為主。試驗地點選擇在西山分礦-945 m 北巷1 840 風聯和S21184 采聯之間,試驗段支護長度28 m(圖3)。根據工程地質、水文地質條件、節理裂隙調查、礦區地應力分布和巖石力學試驗結果,選擇Q分級和RMR分級2種方法進行巖體質量分級。根據實測數據,該區域巖體質量為Q=3.81,為Ⅲ級巖體;RMR=45.84,為Ⅲ級巖體,綜合確定該區域的巖體質量等級為Ⅲ級。

圖3 試驗區域位置Fig.3 Location of test area

該區域支護所用錨桿為直徑35 mm水脹式錨桿,長度為1 800 mm。鋼筋網為?10 mm的鋼筋焊接而成。錨桿呈梅花狀布置,根據施工區域巖體質量等級及巖石完整程度,支護間排距為1 000 mm×1 000 mm。較破碎區域,采用錨桿+金屬網+噴漿支護,初次噴漿厚度5 cm,混凝土強度為C20,達到初凝強度后施工錨網支護,根據現場具體情況決定二次噴漿厚度。錨固孔鉆鑿、錨桿安裝均由錨桿臺車完成,應用人工操作設備進行錨桿內注水,共安裝200 根水脹式錨桿。支護后效果見圖4。安裝后選取8～17#錨桿進行水壓力監測,1～5#錨桿進行拉拔試驗,同時在周邊巷道選擇4 根管縫式錨桿進行拉拔試驗。

圖4 試驗段巷道支護效果Fig.4 Drift support of study area

2.2 拉拔試驗分析

從圖5 可以看出,硬巖條件下水脹式錨桿的拉拔力普遍高于管縫式錨桿。1～5#水脹式錨桿拉拔力的平均值為100.10 kN,1～4#管縫式錨桿拉拔力的平均值為27.51 kN,水脹式錨桿的平均拉拔力約為管縫式錨桿的3.64 倍。水脹式錨桿拉拔力比較大的根本原因是水脹式錨桿在高水壓作用下,錨桿外殼能夠適應鉆孔壁的起伏變化并與其實現良好的貼合,能夠有效增加與錨固孔壁的接觸應力和機械咬合力,而管縫式錨桿難以達到該效果。

圖5 錨桿拉拔試驗結果對比Fig.5 Comparison of rock bolt pull-out test results

2.3 水脹式錨桿內水壓變化規律

圖6所示為典型的水脹式錨桿安裝過程泵壓—時間曲線。可以看出初始階段高壓水進入水脹式錨桿內部,逐漸充滿管內直至注滿,此時泵壓顯著升高,至A點錨桿開始膨脹,至B點時水脹式錨桿已得到充分膨脹。泵壓值大小取決于水脹式錨桿的膨脹程度,水脹式錨桿在空氣中完全膨脹所需水壓為Pp0,傳遞到錨固孔壁的壓力為Pi,其值等于最大泵壓Ppmax與膨脹泵壓Pp0之差。

圖6 典型水脹式錨桿安裝過程泵壓—時間曲線[10]Fig.6 Typical pump pressure versus time curve of inflatable rock bolt installation [10]

水脹式錨桿內水壓監測從2022年1月15日開始,結束于2022年2月22日。從圖7 可以看出大多數水脹式錨桿能夠穩定工作,水壓能夠基本保持穩定,說明水脹式錨桿在硬巖條件下工作狀態較為穩定、可靠性比較強。8#錨桿在1月22日6點22分和17點22分2個孤立時間點壓力突增至11.10 MPa和11.11 MPa,而其他時間變化均無跳躍式變化,其可能原因為傳感器異常。15#錨桿由于密封不嚴,安裝后桿內水壓快速降低,發現該問題后及時處理,而后桿內水壓基本保持不變。2月15日21點20分15#錨桿內水壓力值瞬間降為0,其原因是桿體發生破壞,推測是鉆孔內發生較大變形導致巖塊壓穿管壁或內部剪切錯動剪壞桿體。2月15日22點05分16#錨桿內水壓快速降低,其可能原因是該處圍巖發生變形,桿體被拉伸導致水壓降低,等變形穩定后該錨桿內水壓基本保持不變。此外,從圖7 也可以看出,除15#、16#錨桿外其余錨桿內水壓變化趨勢保持一致,壓力的升高可以表明巷道圍巖受采動應力影響導致鉆孔發生彈性變形擠壓桿體,這也為采動應力變化的監測提供一定程度的參考。

3 討 論

從水脹式錨桿拉拔試驗和桿體內水壓監測數據可以看出,水脹式錨桿能夠應用于深部硬巖巷道支護,錨桿工作性能穩定且可靠,具有大規模推廣的潛力。但是仍存在一些問題亟待解決。

(1)抵抗巖爆等動載的性能。試驗過程中巷道沒有經受巖爆等動載作用,其抵抗巖爆的能力不得而知,下一步計劃應用爆破模擬巖爆檢驗水脹式錨桿的工作性能。

(2)桿體的抗剪性能。通過判讀桿體水壓—時間曲線,15#錨桿極大可能是被剪壞,因此有必要開展硬巖結構面條件下水脹式錨桿抗剪性能研究。

(3)防腐蝕問題。三山島金礦是我國第一個海底開采金屬礦山,礦山內涌水(古海水)具有氯離子含量極高,此外西山礦區深部溫度和濕度均較高,環境因素對鐵質金屬腐蝕性極強,導致桿體力學性能降低甚至被銹穿而出現錨固失效,所以在井下安裝時要在水脹式錨桿外部噴涂防腐材料。另外,近年來也發展有耐腐蝕性材質的水脹式錨桿,例如PRE 水脹式錨桿材質為高強耐腐蝕性ZAM 鋼板,該錨桿具有較高的剛度同時耐腐蝕性極強[14]。

4 結 論

(1)探討了水脹式錨桿作用機制,即通過錨固界面的摩擦和機械自鎖作用加固巖體;同時結合已有研究成果可以看出接觸應力值隨著彈性模量的增加呈現先增加后逐漸降低的趨勢。

(2)通過拉拔試驗發現硬巖條件下水脹式錨桿的拉拔力普遍高于管縫式錨桿。研究區域水脹式錨桿拉拔力的平均值為100.10 kN,而管縫式錨桿拉拔力的平均值為27.51 kN。水脹式錨桿拉拔力比較大的根本原因是水脹式錨桿在高水壓作用下,錨桿外殼能夠適應鉆孔壁的起伏變化并與其實現良好的貼合,能夠有效增加與錨固孔壁的接觸應力和機械咬合力。

(3)通過水脹式錨桿桿體內水壓變化發現水脹式錨桿在硬巖條件下工作性能穩定且可靠;壓力—時間曲線的升高可以表明巷道圍巖受采動應力影響導致鉆孔發生彈性變形擠壓桿體,可為采動應力變化的監測提供一定程度的參考。

(4)分析了試驗區使用的水脹式錨桿亟待解決的抵抗動載、抗剪和防腐問題,為下一步展開實驗室和現場研究指明方向。