安徽某鐵礦巷道錨桿錨固性能試驗研究

安徽某礦工程條件復(fù)雜，礦巖穩(wěn)定性差。這是中國最難的采礦山之一。該礦需要支護(hù)的巷道達(dá)到70%以上,曾經(jīng)用過砂漿錨桿、管縫錨桿和長錨索進(jìn)行巷道支護(hù),現(xiàn)場試驗過快硬水泥卷錨桿支護(hù)。為了進(jìn)一步弄清這幾種錨桿在該礦礦巖巷道中的錨固性能,選擇合理的錨固參數(shù),進(jìn)行了不同巖性,不同齡期條件下錨桿的拉拔試驗,以便為工程應(yīng)用提供依據(jù)。1粉礦和塊礦接角帶礦巖的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。礦體的上盤為角頁巖、矽卡巖和閃長玢巖,下盤圍巖為石英閃長巖、矽卡巖和大理巖。礦體為急傾斜礦體,粉礦主要分布在礦體中靠近上盤,塊礦主要分布在靠下盤;粉礦和塊礦接角帶處有大量的閃長玢巖和矽卡巖穿插,且有斷裂破碎帶出現(xiàn),使此處巷道的穩(wěn)定性極差。粉礦是一種特殊的礦石,根據(jù)粉礦性質(zhì)和顆粒組成,按照土力學(xué)中的工程分類,可將粉礦劃分為粉砂土或極細(xì)砂土類,粉礦礦量占總量的40%以上,處在粉礦中的巷道穩(wěn)定性極差,掘進(jìn)和支護(hù)的難度很大,所以合理地選擇粉礦巷道中錨桿支護(hù)類型至關(guān)重要。2錨桿拉桿試驗及結(jié)果分析2.1纖維錨桿錨固力對比砂漿錨桿采用全長注漿,砂漿的灰砂比為1∶1～1∶1.5,水灰比為0.4～0.5;錨桿體為18mm螺紋鋼和18mm圓鋼,錨固長度為1.8m,現(xiàn)場拉拔試驗結(jié)果見表2。分析表2可得出以下結(jié)論。(1)螺紋鋼的砂漿錨桿在粉礦中的錨固效果較好,3d齡期平均錨固力可達(dá)69kN,7d齡期的平均錨固力為87.7kN,而28d齡期的平均錨固力高達(dá)131.7kN。(2)在塊礦和閃長玢巖中,螺紋鋼的砂漿錨桿7d齡期的平均錨固力可達(dá)93.1kN,28d齡期的平均錨固力可達(dá)136.7kN,與粉礦中的錨固力基本相近。(3)圓鋼的砂漿錨桿因材料的抗拉極限強度較低,28d齡期的錨桿拉力平均達(dá)81.2kN時即被拉細(xì)、進(jìn)入流限后被拉斷。(4)分析上述結(jié)果后可以認(rèn)為,砂漿錨桿無論是在一般砂巖巷道中,或是在粉礦巷道中,其錨固效果都比較好,故應(yīng)采用螺紋鋼做錨桿體。2.2高速硬水泥涂層2.2.1試驗材料(1)由水泥卷組成快硬水泥卷用525#普通硅酸鹽水泥加NX型硬化劑制成。硬化劑采用夾心式裝填,把硬化劑小卷置于水泥大卷之中。(2)長度、重量水泥和硬化劑均采用專用濾紙包裝,硬化劑卷直徑為14mm,長度為150mm,重量為45g;水泥卷直徑為30mm,長度為215mm,重量為225g,水泥卷裝填密度為1.48g/cm3。(3)錨桿水泥卷錨桿采用18mm圓鋼制成,長度為1.8m,頭部敲扁開叉,尾部帶絲扣。2.2.2安裝和拉張測試(1)水泥卷浸泡先在水泥卷上部用細(xì)鐵絲刺5～6個小孔后浸入清水中,旋置約1min左右,待水泥卷上小孔無連續(xù)冒泡后將其取出。(2)制作水泥墊用炮棍把所需的水泥卷一個接一個地分別推入孔底。(3)安裝錨桿先用氣扳機旋轉(zhuǎn)推進(jìn)錨桿至孔底,然后繼續(xù)轉(zhuǎn)動拌合10s以上,使水泥和硬化劑均勻混合。(4)測試錨桿安裝15min后即可進(jìn)行拉拔試驗,分別完成了1h,1d和7d不同齡期的拉拔試驗。2.2.3錨固力試驗結(jié)果快硬水泥卷錨桿拉拔試驗均在粉礦巷道中進(jìn)行,結(jié)果見表3。分析表3可得出以下結(jié)論。(1)快硬水泥卷錨桿用在粉礦巷道中,齡期15min的錨固力可達(dá)14.7～31.4kN,平均為28.6kN;齡期1h的錨固力為28.4kN。此種錨桿初凝速度快,安裝后即有一定的錨固力。(2)試驗結(jié)果表明,齡期1d的錨固力為31.4～74.5kN,平均為56.1kN;齡期7d的錨固力為62.7～76.4kN,平均為67.3kN。由于有些錨桿在焊接處拉斷,實際錨固力要大于上值,錨固效果較好。(3)端錨快硬水泥卷錨桿使用的水泥卷數(shù)為2個、3個和5個時,隨著卷數(shù)的增加錨固力略有增大,但不顯著;而齡期為15min和1h比較、1d和7d比較,錨固力也沒有明顯差別。分析認(rèn)為,這種錨桿的初凝時間在15min左右,1d之后的錨固力即可達(dá)到最大錨固力的80%以上。(4)分析國內(nèi)十幾個礦山的幾十種不同巖性條件下進(jìn)行過快硬水泥卷錨桿拉拔試驗數(shù)據(jù)可以看出,15min的錨固力可達(dá)22.4～34.9kN,1h的錨固力可達(dá)30～40kN,1d的錨固力可達(dá)70～80kN以上,這個結(jié)果與本次試驗結(jié)果基本接近,這說明在粉礦巷道中應(yīng)用快硬水泥卷錨桿與普通礦巖巷道的應(yīng)用效果基本相同。2.3拉拔試驗結(jié)果分析在現(xiàn)場已安裝好的管縫錨桿中選擇有代表性的進(jìn)行拉拔試驗,錨桿長度為1.5m,外徑為40mm,鉆孔孔徑為38mm,拉拔試驗結(jié)果見表4。分析表4的結(jié)果可以看出,管縫錨桿在粉礦中的錨固力僅有14.0～22.5kN,平均為18.4kN,大大低于砂漿錨桿和快硬水泥卷錨桿的錨固力,錨固效果很差;管縫錨桿在上下盤圍巖中的錨固力較大,為50.4～78.4kN,平均為61.4kN,試驗時因錨環(huán)拉壞無法拔出錨桿,可判斷實際的錨固力要大于此值,錨固效果較好。2.4采區(qū)變形支護(hù)現(xiàn)場應(yīng)用長錨索支護(hù)是錨桿支護(hù)的一個分支,由于錨索具有柔性,所以在施工空間很狹窄的情況下能夠被安裝成相對較長的長度。如井下采場及巷道或硐室中所使用的索長通常都在15m以上。視被加固巖層的具體情況可以達(dá)到50～60m,甚至更長。長錨索加固巖層技術(shù)已被廣泛地用于巖石工程中的失穩(wěn)巖體的加固。實驗分別在采礦進(jìn)路的頂板和進(jìn)路之間的礦柱中用長錨索進(jìn)行加固支護(hù),從采區(qū)應(yīng)用情況看效果較好。長錨索加固有預(yù)應(yīng)力和無預(yù)應(yīng)力兩種類型,錨索長度為8～10m,預(yù)應(yīng)力為60～120kN;錨索體使用直徑15mm的鋼絞線,錨具采用專用張拉錨具和礦山自制錨具兩種形式。錨索孔孔徑為80mm,錨索注漿采用后退式注漿,砂漿的灰砂比為1∶1,水灰比為0.3～0.35。在現(xiàn)場曾進(jìn)行錨索拉拔試驗,每個錨索孔安裝2根鋼絞線,注漿錨固段長度為1.0m左右;齡期為28d,拉拔試驗結(jié)果見表5。從表中可知,錨索在粉礦中每米左右錨固段的錨固力高達(dá)308.5～314.6kN,而在塊礦中高達(dá)384.0～390.5kN,比粉礦中的錨固力稍大,說明錨索在礦體中的錨固效果很好。3管縫錨桿支護(hù)20世紀(jì)80年代之前,該鐵礦使用的錨桿基本上都是全長注漿的砂漿錨桿,隨著管縫錨桿在國內(nèi)的大量推廣,80年代中期此類錨桿也開始在該礦推廣應(yīng)用,不久即全部取代砂漿錨桿。管縫錨桿具有工藝簡單,安裝方便和錨固及時等優(yōu)點,容易在礦山中推廣,但是在該鐵礦的粉礦巷道中這種錨桿的錨固力很低,這主要是因為粉礦松散、壓縮變形量大,管縫錨桿推入鉆孔后孔徑隨之增大,支護(hù)內(nèi)力很小,錨固性能很差。目前,管縫錨桿只在圍巖、塊礦和礦巖接觸帶處使用。90年代初,該礦在粉礦開采綜合技術(shù)攻關(guān)過程中,在粉礦巷道曾采用砂漿錨桿代替管縫錨桿支護(hù),取得了良好的效果,之后該礦重新開始應(yīng)用砂漿錨桿。通過借鑒國外長錨索的成功經(jīng)驗,該礦在局部極不穩(wěn)定地段采用長錨索進(jìn)行了加固支護(hù),也取得了較好的效果。4粉礦巷道采用砂漿錨桿作為支護(hù)對象分析上述四種錨桿在現(xiàn)場試驗和工程應(yīng)用情況,總結(jié)出以下幾點結(jié)論和建議。(1)全長注漿的砂漿錨桿無論是在塊礦、圍巖還是在粉礦中都具有良好的錨固性能,在粉礦巷道安裝3d后的錨固力即可達(dá)到69kN,28d的錨固力可達(dá)到131.7kN;但這種錨桿早期強度很小,在局部自穩(wěn)時間很短的流砂狀粉礦中的應(yīng)用效果很差。建議在粉礦巷道和接觸破碎帶處采用砂漿錨桿作為永久支護(hù),如要在自穩(wěn)時間很短的巷道中使用,則要考慮在砂漿中增添早強劑來提高錨桿的早期錨固力。(2)快硬水泥卷錨桿早期強度高,在粉礦中安裝后15min的錨固力即可達(dá)到28.6kN,1d的錨固力可達(dá)到56.1kN,這種錨桿適用于自穩(wěn)時間很短的巷道中及時支護(hù)。建議在流砂狀粉礦中應(yīng)用快硬水泥卷錨桿和噴射混凝土聯(lián)合作為巷道的臨時支護(hù)。(3)管縫錨桿在粉礦中的錨固力很小,僅為18.4kN,錨固性能很差;而在其它礦巖中錨固性能較好,錨固力為61.4kN。建議在塊礦和上下盤圍巖巷道中使用管縫錨桿,該錨桿也