注浆锚杆支护设计与应用.pdf

注浆锚杆支护设计与应用 山 东 矿 业 学 院 林登阁 韩立军 易恭猷 山东 泰安市 摘 要 内注式注浆锚杆锚注支护技术,是利用锚杆体向岩体内注浆,以提高围 岩强度和整体性。 这一锚注技术集锚杆与注浆为一体,极大地提高了对松散围岩的支 护效果,扩大了锚杆的使用范围。 关键词 注浆锚杆 控压注浆 组合拱 采用注浆短管和注浆器注浆加固围岩已 为国内外许多矿山普遍采用,这种注浆方式 只能注浆,起不到锚固作用。 为使锚杆支护与 注浆技术融为一体,设计了内注式注浆锚杆, 可利用它兼做注浆管。 对节理、 裂隙发育的不 稳定地层,注浆可改变围岩的松散结构,提高 粘结力、 内摩擦角和围岩的整体性;注浆后可 使岩体强度显著增加,也使围岩为锚杆提供 了可靠的着力基础,使锚杆对松散破碎岩层 的锚固作用得以发挥。 1 内注式注浆锚杆结构设计 内注式注浆锚杆有以下两种型式。 111 可控压内注式注浆锚杆 可控压内注式注浆锚杆主要用于需要初 锚力和控压注浆的掘进工作面,如断层破碎 带、 淋水带和不喷浆巷道的注浆加固等。 其结 构如图1所示。 图1 可控压内注式注浆锚杆结构 1进浆管; 2逆止阀; 3锚杆螺母; 4托盘; 5止浆塞; 6锚杆体; 7活塞; 8分浆塞; 9弹簧; 10水泥药卷挡板; 11锚杆尾; 12倒楔 该种锚杆主要部件及功能如下 1锚杆体。选用外径D 20mm ,壁厚 ∆ 3mm的45号冷拔无缝钢管作锚杆体,为 便于锚杆内腔出浆,在杆体上每隔50mm交 错钻有6mm出浆孔。杆体规格为20mm 1 700mm。杆体所承受的极限荷载Nmax设 计为 NmaxAΡb {ΠD 2 2- Π 〔D- 2∆2〕 2}Ρ b {Π 20 2 2- Π〔 20- 2 3 2〕 2}600 9. 6104 N 式中 A锚杆体有效断面积,mm 2; 54建井技术19964技术革新 Ρb材料强度极限, 600N mm 2; D锚杆外直径,mm; ∆锚杆壁厚,mm。 钻孔后锚杆体的极限荷载N′max为 N′maxNmax86 8. 2104N 锚杆端部套成M 20细牙螺纹,螺距为 2mm ,则端部螺纹段的承载能力N1为 N1Π 〔D1 2 2- D2-∆ 2〕 Ρ b 0. 9 〕Π 〔17. 835 2 2- 20 2- 3. 0 2〕 6000. 9 5. 2104N 式中 D1螺纹段杆体最小直径,mm。 2锚杆尾。由分叉螺纹钢及铁楔组成, 与快硬水泥药卷形成端锚。 3控压活塞。由活塞和弹簧组成,装于 锚杆体内起控压作用。 4分浆塞。 可用软木、 橡胶或塑料制作, 以达到分浆和控压效果。 5止浆塞。阻止浆液外流。 6托盘。 支承围岩,扩大锚固范围,提高 锚固效果。 7逆止阀。防止浆液回流,保证注浆效 果。 112 普通内注式注浆锚杆 普通内注式注浆锚杆主要由杆尾、 杆体、 止浆塞和托盘等组成,其各部分功能与可控 压内注式注浆锚杆相同。该种注浆锚杆主要 用于巷道的修复与加固。 1锚杆体。杆体选用外径D 22mm、 壁厚 ∆ 3mm的冷拔无缝钢管或45mm焊 接管制作而成。 为便于注浆,在锚杆上钻有交 错布置的6mm出浆孔,锚杆端部套有M 22 细牙螺纹,锚杆结构如图2。 图2 普通内注式注浆锚杆结构示意 2杆尾。选用35mm4mm的A3薄 钢板作杆尾,与杆体焊成一体。 3止浆塞。起阻止浆液外流的作用,由 软木制成。 2 注浆锚杆注浆试验 211 可控压内注式注浆锚杆性能及注浆系 统检测试验 在梁家煤矿2209下顺槽中进行注浆锚 杆性能试验。 21111 锚杆支护参数 选用20mm1 700mm3mm可控压 内注式注浆锚杆,间排距为2m2m ,锚杆端 部采用水泥药卷与杆尾螺纹钢锚固,注浆后 全孔充满浆液,凝固后即形成全长锚固;孔口 采用软木塞缠黄麻封堵止浆。 21112 注浆设备 选用TBW型泥浆泵代替注浆泵,人工 拌浆,管路选用25mm高压胶管,快速接头 连接。 21113 浆液种类及参数 选用425号水泥、45Be′ 水玻璃加入量 为水泥质量的41 5 和水泥 425 号加三乙 醇胺2 、 氯化钠20 两种浆液。浆液水 灰比为0175∶1, 018∶1和1∶1。根据围岩 裂 隙 发 育 状 况 确 定 注 浆 压 力 为110～ 115M Pa。 注浆试验表明锚杆性能达到了设计要 64技术革新建井技术19964 求,逆止阀安全可靠,管路系统满足锚杆注浆 需要,从而为锚杆注浆工业性试验奠定了基 础。 212 可控压内注式注浆锚杆工业性试验 结合梁家煤矿2203上顺槽施工状况,工 业性试验选在2203上顺槽靠近切眼处。2203 上顺槽上帮紧邻已回采的2201工作面,距采 空区保护煤柱仅5m ,且在上帮回采及巷道掘 进过程中受采动压力影响,保护煤柱松散破 碎,给巷道支护带来了极大困难。 原设计的锚 网喷带支护结构,在巷道开挖后不到1个月 即被压坏,不得不对巷道进行返修。 注浆锚杆工业性试验选在此类巷道中有 一定的代表性,其试验成果将为解决不稳定 地层中的支护问题提供科学依据。 工业试验时,先进行锚喷网带支护,滞后 巷道掘进工作面20～30m再打注浆锚杆和 注浆。 21211 注浆锚杆规格及注浆材料 工业性试验用注浆锚杆及注浆材料与锚 杆性能试验所用的基本一致,水灰比为018 ～1. 0。 21212 注浆施工工艺 注浆施工工艺为打注浆锚杆孔→安装 注浆锚杆→注底部锚杆→注帮部锚杆→注顶 部锚杆。 注浆时采用由下向上、 左右交替作业的 方式。 注浆锚杆注浆施工工艺如下 1运料与拌浆。 将水泥与水按水灰比拌 制成水泥浆后,注前加入定量的水玻璃,并保 证注浆过程中不发生吸浆笼头堵塞; 2注浆泵的控制。根据工作面注浆情 况,及时开、 停注浆泵,并注意泵压,以免发生 堵塞或崩管; 3孔口管路连接。 应注意工作面注浆情 况,及时发现漏浆、 堵管等现象,并掌握好注 浆量及注浆压力,及时拆除注浆阀门。 注浆施工工艺流程如图3所示。 图3 注浆施工工艺流程 2. 2. 3 注浆量统计 表1系各个部位注入的浆量统计。整个 巷道断面平均每孔注浆量达1. 5～2. 0袋水 泥。 表1 注浆量统计 注浆部位一般注浆量最大注浆量最小注浆量 底部锚杆2. 0～3. 05. 01. 5 帮部锚杆1. 0～2. 04. 01. 0 顶部锚杆0. 5～1. 02. 50. 4 注表中数据为水泥袋数。 2. 2. 4 试验效果分析 可控压内注式注浆锚杆工业试验历时2 个月,共施工巷道150余米。 试验中对注浆锚 杆、 普通金属锚杆的锚固力及变形量等测试 表明,注浆锚杆支护取得良好效果的关键是 巷道围岩注浆后锚杆锚固力的明显提高。 在巷道施工过程中对注浆前的普通金属 表2 普通金属锚杆锚固力测试 类 别 锚 杆 号 1234 锚固力kN35. 030. 025. 040. 0 变形量cm5. 05. 03. 02. 0 说 明锚杆失效 表3 注浆后普通金属锚杆锚固力测试 类 别 锚 杆 号 123456 锚固力kN63. 052. 545. 563. 056. 562. 0 变形量cm1. 05. 05. 01. 05. 01. 0 说 明 锚杆 脱丝 变形 超量程 变形 超量程 锚杆 脱丝 变形 超量程 锚杆 脱丝 74建井技术19964技术革新 锚杆16mm1 900mm进行了锚固力检 测,结果表明其锚固力为25. 0～40. 0kN ,且 检测力达到该荷载时锚杆均已失效表2; 而注浆后的拉拔试验表 3 锚固力达到45. 6 ～63. 0kN ,与注浆前的锚固力相比,提高幅 度较大。这说明注浆提高了支护结构的有效 性和可靠性。 上述测试表明,利用注浆锚杆对围岩进 行注浆锚固,不仅注浆锚杆为全长锚固,而且 原来端锚的普通金属锚杆,在浆液渗透下亦 变成了全长锚固锚杆,其锚固力明显提高,围 岩变形显著减小。这也是注浆锚杆锚注技术 具有良好应用前景的根本所在。 3 注浆锚杆支护机理 新奥法的出现可以说是软岩支护的一次 突破,但在调动围岩本身承载能力的支护体 系里,常规锚喷支护已不能适应极不稳定巷 道支护的需要。内注浆锚杆的试验成功为扩 大锚喷支护在软岩破碎巷道中的使用范围提 供了一条新的途径。 内注式注浆锚杆集锚固与注浆为一体, 利用杆体内腔兼作注浆管,向裂隙内注浆,使 破碎的岩石胶结成整体,并与原岩紧密连接, 形成整体支护体系,其支护机理在于 1采用注浆锚杆,可利用浆液封堵围岩 裂隙,防止围岩被水浸湿而降低围岩自身强 度; 2注浆后将松散岩石胶结成整体,从而 提高了岩体的内聚力和内摩擦角,使岩体本 身即为支护结构; 3注浆使普通端锚式锚杆变为全长锚 固锚杆,使锚杆与围岩形成整体,充分发挥了 锚杆的锚固作用,以形成可靠有效的组合拱; 4利用浆液充填围岩裂隙,配合锚喷支 护,可以形成一个多层有效组合拱支护结构, 即喷网组合拱hz、 锚杆压缩区组合拱t、 浆液扩散加固拱hj及喷层与压缩区之间的 浆液加固拱d形成的多层组合拱图4,扩 大了支护结构的有效承载范围,提高了支护 结构的整体性和承载能力; 图4 注浆加固支护结构支护机理 1普通金属锚杆; 2注浆锚杆; 3喷层与金属网; 4注浆扩散范围; 5锚杆作用形成的岩石拱; 6喷层作用形成的组合拱 5注浆锚杆本身为一全长锚固的锚杆, 它将多层组合拱连成一个整体,共同承载,提 高了支护结构的整体性。 4 推广应用 内注浆锚杆在梁家煤矿2203上顺槽试 验已获成功,扩大了锚喷支护的应用范围,得 到了梁家煤矿及龙口矿务局的充分肯定。 1995年7月首先在该矿1200下顺槽施工中 推广应用。 1200下顺槽为皮带运输巷,原支护为锚 喷网带结构,回采中巷道变形较大,端头支架 难以正常前移。注浆后,巷道变形量明显减 小,特别是回采到已注区段时,已割煤壁不再 出现大面积片帮、 冒顶,顶板在超前支护的维 护下,下沉量大大减小,也不再需要专门的巷 修队进行超前支护。工作面产量与注浆前相 比大幅度增加,由原来的平均月产5～7万t 提高到注浆后的1115万 t, 创造了该矿投产 以来的月产量最高纪录。 目前,注浆锚杆注浆配合锚喷网带联合 支护已在全矿全面推广,它将为该矿带来十 分可观的技术经济效益。 收稿日期 1996203206;责任编辑 张 澍 84技术革新建井技术19964