高强中空锚杆/索结构及全锚注技术研究

针对高应力、软岩、动压、裂隙节理破碎岩体及其复合型困难条件巷道围岩非连续、非协调大变形控制难题,提出了复杂困难条件巷道高强全锚注一体化控制理念,通过采用高强中空注浆锚杆、中空注浆锚索及高强护表构件全锚注支护,实现了锚杆索锚注一体化、全长锚固及围岩自承能力提质增强,最终形成巷道围岩"协同强力护表、叠加内拱、深外拱"多层次、梯次强化支承结构;试验表明:高强全锚注支护系统刚度提高5.8倍,抗剪强度提高0.5～0.8倍,在全国多个矿区沿空掘巷、高应力软岩煤巷等各种类型巷道应用效果良好,围岩变形破坏得到有效控制,提高了破碎煤岩体锚杆锚固力及锚固安全性与可靠性。     

中空注浆锚索、锚杆在地下工程预锚后注支护中的应用

针对目前各类矿山巷道、隧道、基坑等地下工程围岩及支护结构变形破坏后进行修复加固的情况,分析了工程破坏机理,提出了预锚后注支护技术。即在工程主体施工的同时,采用"中空注浆锚索+注浆锚杆+金属网+喷浆(混凝土)"支护;当围岩和支护结构产生变形破坏后,根据变形破坏情况,及时注浆加固。该项技术可避免锚索、锚杆支护的重复进行,技术经济效益良好,具有推广应用价值。     

巷道锚杆支护特性分析与应用

巷道锚杆支护时,围岩的切向应力和径向应力处于锚杆锚固段位置时,存在一个跳跃。当锚杆长度一定时,锚杆支护强度对围岩塑性区半径和对巷道位移的影响会随着锚杆工作阻力值的提高而逐渐减弱。当锚杆工作阻力强度一定时,锚杆支护巷道围岩应变软化半径、巷道周边位移、破碎区半径都随着锚固区半径增加,在开始阶段明显减少,呈现双曲线函数关系,而当达到一定阶段后,其变化逐渐减缓,呈近乎水平线变化。采用高强力、高预应力锚固支护,在必要时配合注浆加固,能够有效控制巷道围岩的变形,以取得较好的支护效果。本文对简单分析巷道锚杆支护的特性,对巷道锚杆支护应用进行探讨。     

钻锚一体化新型注浆锚杆实验研究及应用

针对松散、破碎巷道围岩的支护问题,开发出钻锚一体化新型注浆锚杆,该锚杆具有钻杆、锚杆以及注浆管多重功能,在一次完成钻孔与锚固的基础上,通过中心孔对松散围岩进行注浆加固,简化破碎围岩注浆加固与支护工艺,提高掘进支护施工速度。对新型涨壳式锚杆进行了实验室实验,确定了锚杆选材、结构设计、工艺参数等。力学性能实验表明,杆体的拉断载荷平均值为286kN,约是普通中空注浆锚杆的5倍。在煤矿进行了现场工艺性试验,锚杆钻进与锚固性能可靠,可快速打入巷道围岩中,施加预紧扭矩后,锚杆预紧轴力达到51.5～85.3kN,具有较高的预应力。锚杆安装后,可实现带压注浆,实现全长锚固,为松软、破碎围岩巷道及时提供高强度、高预应力支护,为掘进工作面的快速高效推进创造了条件。     

煤巷锚杆锚索支护体刚度分析

支护体与围岩在刚度、强度和结构上的不耦合是影响煤巷围岩稳定性的主要原因．为了提高煤巷锚杆支护的效果，避免围岩的有害变形，提出采用高强度、高刚度锚杆组合支护系统．本文根据锚杆锚索支护与围岩的相互作用原理，从“两径”配合、锚固长度、锚杆布置以及锚索与锚杆的材料性能耦合等方面，对锚杆锚索支护的刚度问题进行了分析．结果表明：钻孔直径与锚杆直径差以及锚固方式对锚固体的刚度有重要影响；锚杆布置方式和锚杆布置密度对锚固体的破坏方式作用明显．据此提出了提高锚杆锚索体刚度的技术对策．     

注浆岩石锚杆锚固机理影响因素分析

为了进一步研究隧洞等地下工程中锚杆支护锚固机理,根据微段锚杆的受力平衡以及载荷传递机理建立了锚杆的载荷传递微分方程,同时根据隧道围岩安装锚杆前后的应变变形建立了锚杆的轴向载荷传递方程,结合圆形隧洞围岩的径向变形方程,推导了理想弹塑性围岩中注浆岩石锚杆的轴向应力的计算模型,以及锚固段与围岩体界面之间摩阻力的计算模型。通过分析锚杆应力的分布特征以及影响应力分布趋势和大小的因素,得到了影响其锚固效应的因素是锚杆的安装施工时机、围岩的力学特性以及锚杆的长度等。     

煤巷锚杆锚索支护体刚度分析

支护体与围岩在刚度、强度和结构上的不耦合是影响煤巷围岩稳定性的主要原因.为了提高煤巷锚杆支护的效果,避免围岩的有害变形,提出采用高强度、高刚度锚杆组合支护系统.本文根据锚杆锚索支护与围岩的相互作用原理,从"两径"配合、锚固长度、锚杆布置以及锚索与锚杆的材料性能耦合等方面,对锚杆锚索支护的刚度问题进行了分析.结果表明钻孔直径与锚杆直径差以及锚固方式对锚固体的刚度有重要影响;锚杆布置方式和锚杆布置密度对锚固体的破坏方式作用明显.据此提出了提高锚杆锚索体刚度的技术对策.     

锚杆支护参数对锚固复合承载体承载特性的影响规律

为了分析锚杆支护参数对锚固复合承载体承载特性的影响规律,研究了锚杆直径、锚杆长度和锚杆间排距的影响。分析了围岩移近量和锚固复合承载体测点应力变化规律,得出:围岩移近量和锚固复合承载体测点应力变化规律主要分为3个阶段,然后对锚杆直径、锚杆长度和锚杆间排距对锚固复合承载体承载特性的影响进行了研究。研究得出,随着锚杆直径的增大,顶底板的移近增速逐渐减少;当锚杆长度达到一定数值后,增加锚杆长度,并不能对巷道围岩的加固起到有效的强化作用;锚杆支护密度越大,锚杆所受的残余应力和峰值应力越大、围岩抵抗变形能力越强、复合承载体的强度越大。研究为煤矿巷道支护的设计提功了理论基础。     

深部巷道全长预应力锚注 支护机理研究及应用

讨论全长预应力锚固支护的实现方式,提出基于注浆加固技术的全长预应力锚注支护工艺,并将其对围岩强化作用划分为轴向主动支护贡献、横向被动支护贡献与注浆加固贡献等3部分,建立各支护贡献值的理论计算公式,分析不同锚注参数对各支护贡献值的影响规律,揭示全长预应力锚注支护机理。在此基础上,研发提出新型高强锚注支护技术,并进行现场应用。研究表明:全长预应力锚注支护方式通过注浆可使锚杆自由段钻孔及围岩裂隙得到有效充填,保证自由段轴向主动支护贡献值与锚固段横向被动支护贡献值可同时达到最大值,还可有效提高注浆加固贡献值,是实现围岩最优控制的有效途径之一。新研发高强组合式中空注浆锚杆具有强度高、可施加高预应力等优势,可实现全长预应力锚注支护效果,现场应用后,围岩变形破坏得到有效控制,验证了全长预应力锚注技术的优越性与有效性。     

巷帮-支护体本构模型及长螺纹扩帮锚杆研究

基于螺纹钢锚杆拉伸试验与巷帮围岩深部位移变形监测,建立了锚杆安装后的本构模型与巷帮围岩峰后强度区、塑性区以及弹性区的本构模型,并分析了锚杆参数对巷帮围岩本构模型的作用效果。结果表明：当锚杆安装后的锚固段位于弹性区围岩时,锚杆能同时控制巷帮峰后强度区与塑性区的变形,且能保证锚固段强度。针对大变形巷道中,锚杆长度不足,锚索延伸率较低,片帮或扩修后支护材料失效的难题,新研发了长螺纹扩帮锚杆。该锚杆具有“锚固点深”、“延伸性好”和“多次复用”的特性,且特有的长螺纹段可解决巷道片帮和扩修后需要补打锚杆锚索的难题。     

锚杆构件力学性能及匹配性

在分析煤矿巷道锚杆支护构件破坏形式与原因的基础上,研究了锚杆各构件,包括杆体、螺纹段、托板、球形垫圈及减摩垫圈的力学性能。采用理论计算与数值模拟分析了杆体与螺纹段在不同受力状态下的应力分布特征。在实验室进行了锚杆形状、参数对其锚固力及安装阻力影响的试验,托板压缩性能及锚杆尾部构件匹配性试验。研究了树脂锚固剂的力学性能及影响因素。研究结果表明：锚杆受拉伸、弯曲、扭转、剪切及其组合作用,煤矿巷道锚杆处于屈服是一种常态,杆体有4个位置易发生破断。螺纹显著改变了螺纹段表面及附近部位的应力分布,在螺纹牙底处出现明显的应力集中。拱形托板压缩变形可分为5个阶段,拱高必须达到一定值才能保证足够的承载能力。锚杆尾部构件几何形状、参数及力学性能应相互匹配,才能使锚杆处于较好的受力状态。树脂锚固剂应与杆体、钻孔匹配,保证锚杆-锚固剂、锚固剂-围岩之间界面有良好的黏结性能。研究成果已应用于多类困难巷道,大幅减少了锚杆支护构件的破坏,显著提高了巷道支护效果。      

孤岛工作面沿空巷道锚固失效分析与支护对策

为解决某矿3210孤岛工作面回采巷道中大量锚杆锚索断裂及锚固失效、导致巷道围岩变形破坏严重的现象,对现场锚杆锚索的断裂数量分布和断裂形态进行统计分析,揭示了锚杆索支护失效的重点区域,发现大部分锚杆破断的位置都在杆尾螺纹处、大部分锚索破断位置均为杆体中部,进一步分析了巷道围岩破坏的破坏特点及原因。针对巷道支护帮弱的问题,对强帮护顶支护技术应用进行了探讨。基于研究针对原有支护,提出了“锚网索加强支护+帮部注浆补强加固”的支护对策,对支护参数及注浆施工参数进行详细设计。在改进支护前后对围岩变形情况进行实时监测与拉拔试验检验。结果表明,在工作面采动影响下,围岩变形量减小,该支护方案能提高巷帮抗变形能力与锚固能力,增强锚杆体锚固结构的弹性模量,能够有效解决锚杆索破断导致的锚固失效问题,极大提高了生产效率。     

全螺纹玻璃钢锚杆

淮北市金锚合成材料公司开发出一种全螺纹玻璃钢锚杆，有实心的，也有中空的，可用作软岩支护中的注浆锚杆。这种玻璃钢锚杆的抗拉强度比钢筋锚杆高20％，且抗疲劳性好，而重量仅为同类钢锚杆的25％。此外，该产品不仅防腐性能优越，而且与树脂锚杆的结合性极好。     

考虑围岩蠕变的锚固时空效应分析及控制技术

针对巷道锚杆锚索联合支护失效形式,基于围岩变形特征建立了能够反映围岩加速蠕变的本构模型以及锚杆工作特性的锚固体本构模型,通过求解出的锚固体蠕变方程分析锚固基础位置对围岩变形的控制作用,结果表明:锚杆支护对围岩的蠕变控制机理可概括为:分担围岩承受的载荷和等效增大围岩刚度,增强围岩抵抗变形能力两部分。充分发挥锚杆支护性能、延长锚杆支护时效、维持巷道处于稳定工作状态所需的空间需要同时满足两个条件:锚杆受载不超过杆体破断载荷,锚固基础位于塑性区之外;端锚形式的锚固基础位于弹性岩体中能够最大程度发挥支护系统的承载能力,端锚锚固形式的着力基础位于稳定的弹性围岩中,围岩变形后锚固基础能迅速发生锚固作用,优于全长锚固形式;可接长锚杆具有延伸率大、可灵活设置锚杆长度的优点,能解决蒲河矿西三采区集中运输大巷锚杆易发生滑脱失效、锚索易发生破断失效的问题。     

浅埋大跨度隧道预应力锚杆锚固参数及支护设计研究

为明确浅埋大跨度隧道预应力锚杆的锚固参数及支护方案,为主动支护设计提供依据,以青岛地铁6号线华山一路站为例,采用理论分析、数值模拟、现场试验的研究手段,探究不同支护参数下的隧道施工力学特征。研究结果表明:(1)主动支护通过补偿径向应力σ3,降低切向应力σ1,改善了围岩的应力状态,锚杆与围岩形成共同承载体,提高了围岩的弹性模量、黏聚力、内摩擦角等力学性能;(2)锚固段长度越大,剪应力的分布范围呈增大趋势,随着张拉载荷的增加,剪应力峰值由锚固段端部逐渐向尾部转移,锚固长度为锚杆长度的40%～50%时锚固体的安全储备高;(3)锚杆的预应力在0～120 k N增加过程中,围岩的变形量与变形范围呈下降的趋势,拱部塑性区逐渐消失,拱脚与边墙的塑性区分布范围不断降低;随着锚杆的支护密度的提升,围岩的变形与应力均得到了一定程度的控制,但提升效果不显著;(4)从现场监测结果来看,主动支护结构稳定且安全储备高,其中围岩变形量在5.7 mm以内,格栅钢筋应力最高值为48.2 MPa,锚杆轴力由张拉至隧道开挖完成变化率仅为3.5%。     

锚注支护在松软岩层大断面交岔点施工中的应用

采用自钻式中空锚杆先对巷道围岩进行注浆,浆液在巷道围岩裂隙及破碎带强化凝结后,再上紧注浆锚杆端部的托盘,锚固区内的围岩强度和抗压能力得到提高,在巷道周边轮廓形成一个嵌套强化锚固层,从而控制巷道的围岩变形与破坏。首次采用锚注支护在黄沙矿-500 m轨道暗斜井松软岩层大断面交岔点施工,取得了良好的支护效果。     

锚杆杆尾螺纹力学性能的实验研究

为提高锚杆杆尾螺纹段综合力学性能,在分析锚杆杆尾螺纹力学性能主要影响因素的基础上,对不同螺纹参数的锚杆螺纹段力学性能进行了试验研究,开发出螺纹力学性能测试试验台,加工不同公称直径、不同牙型、不同螺距等参数的螺纹段试件,进行多方案对比试验,得出不同螺纹结构参数与锚杆螺纹段力学性能的关系。试验结果表明：螺纹参数对锚杆螺纹段力学性能影响非常显著;通过减小螺纹的螺距,能够有效提高螺纹预紧力矩转化效率,并提高杆尾螺纹段的拉伸强度性能。     

章村矿锚杆支护控制围岩变形研究

通过对４２２５皮带下山不同支护方式巷道围岩变形特征的分析，认为采用高强度锚杆树脂药卷全长锚固支护顶板，两帮及底板采用锚枝支护，并用高水速凝材料注浆加固，可有效控制复合顶板，底软，煤软的巷道围岩变形。     

章村矿锚杆支护控制围岩变形研究

通过对４２２５皮带下山不同支护方式巷道围岩变形特征的分析，认为采用高强度锚杆树脂药卷全长锚固支护顶板，两帮及底板采用锚杆支护，并用高水速凝材料注浆加固，可有效控制复合顶板、底软、煤软的巷道围岩变形。     

松软破碎煤体钻封注一体化锚固实验研究

赵家寨矿"三软"厚煤层回采巷道为锚网支护全煤巷道,掘进过程中时常遇到松软破碎围岩段,该围岩条件下普遍存在锚固孔成孔质量差、塌孔现象严重及锚固力低下等瓶颈问题。为有效解决其支护难题,改善局部破坏严重段的巷道支护效果,研发了一种钻封注一体化注浆锚杆。采用理论分析、实验室实验及现场试验相结合的研究方式,对钻封注一体化注浆锚杆锚固机理、注浆效果及锚固性能进行了分析,研究结果显示:钻封注一体化注浆锚杆,具有较好的注浆封孔效果,可减少松软破碎煤巷注浆加固流程,加快施工进度;该注浆锚杆在松软和破碎煤体钻进过程中,注浆锚杆振动响应特征表现较大差异,依此实现煤体条件的判别,可为巷道围岩注浆参数设计及差异化注浆提供理论依据;实验室超声波无损检测注浆效果显示,该注浆锚杆能有效实现松软及破碎煤体注浆,且浆液扩散效果良好,说明该注浆锚杆可对该类巷道围岩实现良好的注浆加固作用;注浆锚杆现场拉拔试验结果显示,在松软破碎围岩条件下,相较于普通树脂锚杆,注浆锚杆锚固力提升约36.4%,说明该注浆锚杆能够对围岩起到更好的锚固作用。上述研究结果表明,钻封注一体化注浆锚杆,可明显简化松软破碎煤巷注浆加固流程,同时,可对松软破碎煤巷围岩起到更好的锚固效果,研究成果为提升松软破碎煤巷控制效果。