張 劍

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

預(yù)應(yīng)力樹脂錨索加固技術(shù)已廣泛應(yīng)用到治理礦山等復(fù)雜地質(zhì)工程中，成為必不可少的關(guān)鍵核心技術(shù)[1]。因我國礦山工程地質(zhì)條件差異性懸殊，影響錨索加固圍巖效果的因素眾多且復(fù)雜，但錨索在圍巖內(nèi)的錨固效果直接影響其加固效果。有關(guān)預(yù)應(yīng)力樹脂錨索錨固效果的影響因素方面的研究，國內(nèi)學(xué)者已開展了大量工作，并取得了豐碩的研究成果?？导t普等[2]實(shí)測(cè)頂板含水狀態(tài)下錨索的拉拔力，試驗(yàn)表明當(dāng)圍巖含水量增加錨索拉拔力不斷降低；薛亞東和黃宏偉[3]分析研究了錨索錨固長度、孔徑、樹脂藥卷包裝膜和水等對(duì)錨固力的影響規(guī)律；王清標(biāo)等[4]對(duì)堅(jiān)硬巖體、軟弱巖體、破碎巖體以及土體所造成的預(yù)應(yīng)力錨索錨固力損失規(guī)律進(jìn)行了研究；唐孟雄[5]開展了基坑工程預(yù)應(yīng)力錨索錨固力試驗(yàn)研究。本文選擇塔然高勒煤礦井下巷道復(fù)合頂板巖層條件，開展了不同巖層層位錨索錨固力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了影響樹脂錨索錨固力大小的因素，為類似工程地質(zhì)條件錨索錨固力確定提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)巷道圍巖分布特征

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在塔然高勒煤礦回風(fēng)大巷探放水鉆場(chǎng)，巷道沿3-1煤層頂板掘進(jìn)，采用鉆孔窺視的方法[6]，探明了頂板巖層分布特征，巖層巖性分布見圖1，煤層直接頂由2.0m厚灰色砂質(zhì)泥巖組成，中間夾炭質(zhì)泥巖和煤線，膠結(jié)較為疏松；之上約厚1.5m的2-2煤層，其完整性較好；2-2煤層之上分布約0.5m厚的泥巖，呈灰黑色或黑色，膠結(jié)疏松；再往上由厚超過40m的礫巖構(gòu)成，層間充填大量卵石，卵石間為鈣質(zhì)膠結(jié)。再采用鉆孔觸探法[7]測(cè)量出對(duì)應(yīng)巖層的強(qiáng)度，砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度為22.77MPa，2-2煤層強(qiáng)度為14.85MPa，2號(hào)煤層頂板泥巖強(qiáng)度為27.24MPa，礫巖層強(qiáng)度超過100MPa。鉆孔窺視結(jié)果表明，試驗(yàn)巷道圍巖由砂質(zhì)泥巖、煤層、泥巖及礫巖組成的復(fù)合巖層，而圍巖強(qiáng)度測(cè)量表明礫巖強(qiáng)度最大，其次泥巖和砂質(zhì)泥巖，最小為煤層。

圖1 頂板巖層分布

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選用1860MPa強(qiáng)度等級(jí)鋼絞線，捻制方式為1×19股，直徑22mm的高強(qiáng)度錨索，其理論極限破斷載荷約為580kN[8]。采用Z2360型中速樹脂錨固劑，開展3組錨索長度不同，錨固長度相同井下現(xiàn)場(chǎng)錨固力試驗(yàn)，方案詳見表1，各組錨索編號(hào)及布置形式見圖2。

表1 試驗(yàn)方案

圖2 錨索布置

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

采用普通錨索鉆機(jī)鉆孔，距3-1煤層頂板約4.0m進(jìn)入到礫巖層，鉆進(jìn)速度極速減慢，鉆孔進(jìn)度非常緩慢，2.0m礫巖層鉆孔耗時(shí)約60min，窺視顯示礫巖層卵石膠結(jié)致密，巖層堅(jiān)硬，耗損4個(gè)金剛石鉆頭，見圖3?？紤]到礫巖層打孔費(fèi)時(shí)費(fèi)力，第2組長度7.0m編號(hào)B2錨索鉆孔實(shí)際孔深為6.1m，編號(hào)B1和B3兩根長度7.0m錨索鉆孔實(shí)際深度均為5.2m。

圖3 金剛石鉆頭

原本開展3組9根錨索錨固力井下試驗(yàn)，但因第1組編號(hào)A1長度5.5m錨索和第2組編號(hào)B1和B3兩根長度7.0m錨索因安裝過程樹脂錨固劑攪拌失效，張拉設(shè)備表頭壓力僅30kN時(shí)即被拉出，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗；而第3組編號(hào)C1和C3兩根長度4.3m錨索因鉆孔超深，錨索外露長度過短，造成張拉千斤頂無法夾住錨索索體，導(dǎo)致試驗(yàn)無法進(jìn)行。錨索錨固力試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表2。錨索錨固層位見圖4。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

圖4 錨索錨固層位

2 結(jié)果分析

2.1 初步結(jié)論

參照文獻(xiàn)[9]，錨索直徑22mm，錨固劑長度600mm，則理論錨固長度700mm，試驗(yàn)用張拉千斤頂油缸承載面積為5.89×10-4m2，根據(jù)錨索錨固力井下試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)照表2和圖4，得到以下結(jié)論：

(1)第1組5.5m長錨索，其中編號(hào)A2錨索鉆孔外露長度0.8m，伸入鉆孔巖層長度4.7m，0.7m錨固長度有0.6m位于礫巖層，剩余0.1m位于泥巖層，張拉油泵壓力達(dá)到30MPa時(shí)，錨固段松動(dòng)發(fā)生20mm位移，表明錨索錨固體損壞，錨固段既位于礫巖層又位于泥巖層A2錨索錨固力為176.92kN。編號(hào)A3錨索鉆孔外長度0.5m，安裝于巖層中長度為5.0m，0.7m長錨固段全部伸入礫巖層，張拉油泵壓力達(dá)32MPa時(shí)，錨索錨固段發(fā)生松動(dòng)出現(xiàn)10mm移動(dòng)，則顯示錨固體被拉壞，錨固段全部位于礫巖層A3錨索錨固力為188.48kN。

(2)第2組編號(hào)B2長7m錨索外露長度0.9m，實(shí)際伸入頂板巖層長度為6.1m，0.7m長錨固段都位于礫巖層，張拉油泵壓力達(dá)到28MPa時(shí)，錨固段出現(xiàn)松動(dòng)且發(fā)生32mm的顯著位移，說明錨索錨固體被破壞，錨固段全部位于礫巖層B2錨索錨固力為164.92kN。

(3)第3組編號(hào)C2長4.3m錨索鉆孔外露長度為0.3m，錨索伸入鉆孔深度為4.0m，0.7m長錨固段有0.42m位于泥巖層，剩余有0.28m位于2-2煤層，張拉千斤頂壓力上升到22MPa時(shí)，錨索錨固段即出現(xiàn)松動(dòng)破壞，錨索迅速被拉出50mm，說明錨索錨固體被拉壞，錨固段既錨固在泥巖又錨固在煤層C2錨索錨固力僅為129.58kN。

2.2 綜合分析

鉆孔孔徑、樹脂錨固劑質(zhì)量及頂板巖層含水量等都對(duì)錨索錨固力有很大影響[3]。本次試驗(yàn)錨索直徑22mm，錨固劑直徑23mm，鉆孔鉆頭直徑30mm，對(duì)照文獻(xiàn)[9]其三徑匹配合理。而樹脂錨固劑的抽檢表明其為合格產(chǎn)品，且試驗(yàn)巷道頂板鉆孔無淋水。一般井下安裝要求錨索外露長度不超過300mm，按此規(guī)定試驗(yàn)錨索實(shí)際有效長度分別為4.3m，5.0m，5.3m，6.4m，對(duì)應(yīng)錨固力見圖5。

圖5 錨索錨固力

(1)5.3m和6.4m長度錨索錨固段都位于礫巖層，較短5.3m錨索錨固力為188.48kN，較長6.4m錨索錨固力為164.94kN，在巖性相同巖層后者相比前者的錨固力降低23.54kN，降幅約12.5%。主要由于錨索長度增加，錨索鉆機(jī)攪拌樹脂錨固劑效果差，造成錨索錨固力下降。何餅銀等[10]進(jìn)行錨索錨固試驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)，錨索錨固力低的主要原因是由于錨索安裝過程中樹脂錨固劑攪拌不充分導(dǎo)致其兩種化學(xué)成分無法充分混合均勻造成的，試驗(yàn)結(jié)果與其研究相吻合。

(2)5.0m長錨索錨固段86%位于礫巖，14%位于泥巖，其錨固力大小為176.92kN，而錨固段全部在礫巖層5.3m長錨索其錨固力大小為188.48kN，錨索錨固段位于同一巖性巖層相比位于兩種不同巖性巖層其錨固力增大11.56kN，增幅達(dá)到6.5%。王清標(biāo)等[4]的研究表明巖土體性質(zhì)不同，引起的預(yù)應(yīng)力錨索錨固力損失也不相同；巖土體質(zhì)量越好，在相同初始錨固力條件下其錨固力損失就越小。而現(xiàn)場(chǎng)圍巖強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果也表明，礫巖強(qiáng)度顯著高于泥巖強(qiáng)度，表明礫巖層錨索錨固質(zhì)量明顯優(yōu)于泥巖層。

(3)4.3m長錨索錨固段有280mm位于煤層，有420mm位于泥巖層，其錨固力僅僅129.58kN，相比錨固段都位于礫巖層長度為5.3m和6.4m的其他兩根錨索，其錨固力分別減少58.90kN和47.34kN，降幅分別達(dá)到31.3%和26.8%，張發(fā)明等[11]研究認(rèn)為錨索錨固力損失與巖體的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，更加證實(shí)煤巖體強(qiáng)度質(zhì)量對(duì)其錨固性能有顯著影響。

塔然高勒煤礦3-1煤層頂板屬于復(fù)合巖層，至堅(jiān)硬礫巖層間距約4.0m左右，礫巖硬度大鉆孔鉆進(jìn)速度緩慢，耗費(fèi)時(shí)間過長，嚴(yán)重制約錨索施工速度，故錨索長度不宜太長；另外結(jié)合王金華等[12]的研究，錨索適宜長度應(yīng)選擇4.0～6.0m。為保證錨索達(dá)到足夠錨固力，應(yīng)適當(dāng)把錨索錨固到穩(wěn)定的礫巖層，又盡可能避開軟弱的泥巖和煤層，同時(shí)考慮錨索施工速度等因素，綜合確定回風(fēng)大巷頂板錨索長度5.3m。

3 結(jié) 論

(1)錨索錨固段位于巖性相同巖層，且錨索錨固長度相同，則短錨索錨固效果優(yōu)于長錨索錨固效果。

(2)錨索錨固段位于巖性不同巖層，且錨索錨固長度相同，若煤巖體強(qiáng)度越大，則錨索錨固力就越高，故礫巖層錨固力>泥巖層錨固力>煤層錨

固力。

(3)塔然高勒煤礦回風(fēng)大巷復(fù)合頂板，礫巖層鉆孔耗時(shí)耗力，保證錨索錨固段既位于穩(wěn)定巖層又具備足夠錨固力，確定錨索長度5.3m。