专题-浅析预应力中空注浆锚索在沿空留巷中的应用以及发展前景.doc

1、专题部分浅析预应力中空注浆锚索在沿空留巷中的应用以及发展前景摘要：深井沿空留巷是提高采出率、煤层群卸压开采，进而实施煤与瓦斯共采的关键技术。要经历两次工作面采动影响，加之深部巷道围岩变形具有高地压、大变形和长期蠕变的特点，巷道维护较浅部沿空留巷更加困难。然而预应力中空注浆锚索的出现为巷道维护提供了新的可行性安和全性都更好的支护方式和方法。本文以谢桥煤矿沿空留巷为工程背景，简述预应力中空注浆的发展历程以及在沿空留巷中的应用，并指出其在应用过程中出现的问题，并对其在未来的发展趋势做出预测。 关键词：预应力中空注浆锚索；沿空留巷；优缺点；发展趋势 1绪论1.1问题的提出与研究意义我国煤矿事故死亡人数

2、远远超过世界上其他主要采煤国家。在我国煤矿事故类型中，顶板事故非常严重，近年来的统计数据表明1，顶板事故次数占全国煤矿事故次数的50%55%，顶板事故死亡人数占全国煤矿死亡人数的30%40%，顶板事故发生频率高，死亡人数多，严重威胁着我国煤矿的安全生产。我国一些主要矿区自20世纪70年代以来陆续进入深部开采2。随着国民经济建设的大发展，资源需求量日益增加。2003年我国原煤产量16.67亿t，2004年产量达到了19.56亿t，2005年产量达到了21.1亿t，2006年产量已达到了23.8亿t。由于长期开采，浅部资源日益枯竭，因此，不得不转入深部开采。据统计3，20世纪50年代，我国的立井深

3、度平均不到200 m，而90年代平均深度已达600 m，相当于平均每年以812 m的速度向深部延伸。而东部矿井的向下延伸速度更快，平均每年达1025 m。早在“八五”期间，国内新建的65个矿井的平均深度就达到了588 m。目前我国许多矿区的开采深度都已超过了600800 m，深度超过千米的矿井就有数十个，最大开采深度已接近1200 m，如沈阳矿务局彩屯煤矿（1197 m），开滦赵各庄煤矿（1159 m），徐州张小楼煤矿（1100 m），北票冠山煤矿（1059 m），开滦林西煤矿（1040 m）、北京门头沟（1008 m）、长广矿区（1000 m）。可以预计，随着对煤炭需求量的不断增加，我国将有

4、更多的煤矿进入到1000m以下进行开采。深井沿空留巷维护将变得困难，随着矿井开采时间的延长，巷道围岩愈发地支离破碎，支护失效也就变得更加普遍，导致失修巷道逐步增多，安全生产存在重大隐患。导致支护失效的根本原因是巷道在动压作用下，围岩破碎严重。此时，我们需要一种支护形式将破碎的巷道围岩连成一个整体，而以往的锚杆、锚索支护形式是达不到的。于是注浆技术产生了，通过注浆管向锚杆或者锚索钻孔中注入水泥浆，达到整合破碎围岩，提高锚固力的效果。但是上述注浆技术操作复杂，施工不易，给井下工作人员带来很大的工作负担。在这样的工程背景下，预应力中空注浆锚索应运而生。预应力中空注浆锚索的应用，有助于我们将原破碎的岩

5、石裂隙面间通过水泥浆液胶结成整体，利于巷道围岩及永久支护的长期稳定。和传统的注浆锚索相比，中空注浆锚索通过注浆芯管对围岩注浆，并利用锚索锁具预紧,施工工艺方便可靠，实现了锚注一体,提高了锚索的承载力和支护效果。在沿空留巷中的应用取得了良好的支护效果，和端锚支护的巷道相比，采动影响后，巷道两帮和顶底板移近量明显减小，顶板深部离层得到了有效控制，节约了用于二次支护和补强支护的成本。加强预应力中空注浆锚索在煤矿沿空掘巷围岩控制中应用的研究，将有助于我们推广沿空留巷技术，并且与沿空留巷技术相配合实现合理开发煤炭资源、提高煤炭资源采出率、延长矿井服务年限、减少巷道掘进量、缓解采掘接替矛盾、取消孤岛工作面

6、及缩短搬家时间、防止发火有利于矿井安全生产和改善矿井技术经济效益等预期目标。因此，对预应力中空注浆锚索在沿空留巷中围岩控制中应用的研究，对于在推广沿空留巷技术，加快深部高产高效工作面建设，保障矿井安全生产，提高矿井经济效益，保证深部开采的健康可持续发展等具有重大意义。1.2国内外研究现状国外最早将中空注浆应用于煤矿巷道支护的国家是澳大利亚，他们主要用中空锚索支护用常规锚索难以胜任的软岩巷道、高应力巷道、大及特大跨度巷道。2005年澳大利亚开发中空注浆锚索开始在煤矿中应用。这种新型锚索产品的应用不仅在提高煤巷锚杆支护安全可靠性和总体成巷速度方面带来了显著的效果，而且为解决复杂困难条件下围岩加固问

7、题提供了有效的技术手段。譬如，兖矿集团在澳大利亚投资的澳思达煤矿大量采用澳大利亚Mage.bolt公司的MS7R.TT强力注浆螺纹锁紧锚索，用以支护跨度达8m的切眼不需要打任何支柱或木垛。德国采用从澳大利亚进口的中空注浆锚索成功地应用于采深达1200米的大断面煤巷全锚索支护。通过对国外注浆锚索技术的学习以及与国外相关企业的合作，国内的注浆锚索技术也有了长足发展，取得了一系列的成就。澳科公司（中澳合资）在注浆锚索技术方面得到了较大的发展，它在成功引进澳大利亚现今注浆锚索技术的基础上努力革新，采用螺旋肋预应力钢丝制造成新型中空注浆强力锚索，并将该技术成功应用于矿井支护。近2年来已在山东、陕西、山西

8、、内蒙、河北、黑龙江等地得到应用，取得了非常好的应用效果。山东中煤工矿物资有限公司采用螺旋肋预应力钢丝加工的内有注浆管的螺纹紧固杆体，其突出的特点就是锚固强度、载荷传递特性和锚固延性较之用螺纹钢制成的锚杆有大幅度的提高。通过注浆芯管对围岩注浆,并利用锚索锁具预紧,施工工艺方便可靠,实现了锚注一体化,提高了锚索的承载力和支护效果。在山西高河煤矿井下沿空巷道支护加固中取得了良好的支护效果,和端锚支护的巷道相比,采动影响后,巷道两帮和顶底板移近量明显减小，顶板深部离层得到了有效控制,节约了用于二次支护和补强支护的成本。注浆锚索尾端为螺纹结构，通过螺帽进行预紧，和使用传统锚索索具进行预紧操作更为方便，

9、且螺纹锁紧不打滑，更为可靠。2中空注浆锚索的结构以及施工方式2.1中空注浆锚索结构中空注浆锚索为采用螺旋肋预应力钢丝加工的内有注浆管的螺纹紧固锚索，螺旋肋预应力钢丝是一种新型的变形钢丝，其主要特征是将压延拉拔工艺处理后的半成品经过最后一道塑性变形拉拔，使钢丝表面形成3至6条连续凸起状的螺旋肋，形成凹凸不平的表面外形（图2-1），使其锚固结合强度得到大幅度提高，而螺旋肋同基圆为一体共同组成同一个截面，也就是说钢丝通体横截面相等，具有强度高、松弛值低、伸直性好等突出优点。图2-1 中空注浆锚索外形中空注浆锚索由8根金属丝围绕直径约为7mm的金属圆管制成（图2-2）。图2-2 中空注浆锚索内部结构图

10、其封孔装置包括密封卡箍、膨胀软胶管、塑料硬管。密封卡箍在锚索出厂时已装配在锚索索体上，安装锚索时，按顺序先套上膨胀软胶管，后套上塑料硬管，确认硬管露出孔口5080mm，然后放上托盘、锚具即可。其封孔原理是：张拉时，通过张拉千斤顶的挤压作用推动塑料硬管，进而使软胶管受压膨胀实现封孔。继续加压，与软胶管在钻孔内膨胀的同时，锚索托盘则紧紧压实靠近孔口段的煤岩体，形成可靠的封孔作用（图2-3）。图2-3 封孔装置内置式中空注浆锚索中空注浆锚索最主要的结构特点是索体中空结构，自带注浆芯管，锚固段有三个鸟巢(图2-4)，这样不仅有利于出浆，而且有利于锚索-锚固剂-围岩之间的紧密粘结，可以实现与大孔径钻孔的

11、耦合。图2-4 中空注浆锚索注浆段结构2.2直径22mm中空注浆锚索施工工艺施工工艺大致分为打眼、安装、张拉、注浆。打眼钻孔：使用单体顶板锚杆钻机和支腿式帮锚杆钻机按设计位置钻顶板和帮锚索孔。孔径为32mm。按照设计要求掘进出毛断面后，要求采取有效的临时支护措施，保证迎头施工作业安全，钻孔按锚索孔施工技术要求进行。钻孔时应注意：帮或顶较破碎的地方，要将碎体放下来，清理出打孔位置，这样做也是为了便于封孔和控制打孔深度。拱顶锚索必须紧靠迎头安装，两帮锚索原则上应该尽可能靠近迎头，考虑到迎头堆渣，允许适当滞后，一般按滞后迎头两个排距掌握。钻取锚索孔要求先顶板然后再两帮，顶板先中间然后再两边，两帮由上

12、至下的顺序进行。安装张拉：在安装中空注浆锚索时，先放一卷MSCK2835树脂锚固剂，再放一支MSZ2835中速树脂药卷用中空注浆锚索徐徐推入钻孔，再距锚索尾部1米处缠绕包装布或面纱，然后用锚杆机进行搅拌，之后装上锥形橡胶止浆塞与托盘，再旋转尾部螺母进行封孔和张拉预紧。钻孔时，如遇到位岩破碎较严重，容易导致钻孔孔口处形成喇叭口，这是需要用纱布配合锥形橡胶止浆塞，以保证注浆质量。封孔质量的好坏会直接影响到注浆效果，因此一定要做好封口工作。严格控制锚索孔的排距、角度和深度，完成锚索的锚固后，等待30min左右达到锚固强度后，在进行锚索的张拉和固定，锚索安装后30min张拉至预紧力不低于10吨,且各个

13、锚索的预应力应该保持一致。张拉机具包括60MPa液压张拉泵、大行程油缸和专用张拉器。设计预应力为250kN。利用螺旋紧固或者锁片紧固实现锚索预应力的维持。配料注浆：使用洁净的搅拌桶，严禁桶内有杂物硬块，严禁使用在井下长期存放的水泥，严禁使用结块水泥，且保证水泥内部不能混入砂子、岩块等杂物。仔细检查注浆设备及连接管路，有隐患禁止开机。根据一次注浆孔的数量确定水量，向搅拌桶内注入清水，向桶内加入#425水泥，边加入边搅拌。水泥须慢慢加入，并不断搅拌，水灰比为1:2，避免大量水泥倒入桶内影响效果。加水泥的同时加入8%的ACZ-I注浆添加剂。注浆之前先检查注浆管和注浆头是否通畅，由于锚索内部中空圆管直

14、径较小，注浆速度要放缓慢，并且边搅拌边注浆，以防沉淀。首次注满后可关闭注浆泵，等浆液有效渗透后再次注浆，直至再次注满。注浆过程力求一次性注满，并且在注浆结束后及时将锚索后注浆口用螺丝堵上，以防浆液倒流。3中空注浆锚索的作用机理以及采用添加剂的必要性3.1中空注浆锚索的作用机理 利用中空注浆锚索进行锚注加固的原理是将锚索的支护作用与注浆加固的作用组合起来，共同作用于巷道围岩，通过中空注浆锚索压注有机或无机浆液，不仅能从根本上保证锚索锚固可靠，而且浆液能够渗透到钻孔周围的煤岩体缝隙中，对出现松动的煤岩体产生粘结以及固化作用，显著改善巷道围岩的整体性，提高煤岩体的自撑能力，从而大大改善巷道支护效果。

15、中空注浆锚索具有强初撑、急增阻、高承载的特性，能够比较好地解决高应力区、断层带附近以及“三软” 地层由于巷道围岩松动破碎和大变形引起的锚固力迅速衰减和丧失的难题。其作用机理为：1、采用注浆锚索注浆，可以利用浆液封堵围岩裂隙、隔绝空气、防止围岩风化，且能防止围岩被水浸湿而降低围岩的本身强度。 2、注浆后浆液将松散破碎的围岩胶结成整体，提高了岩体强度和内聚力、内摩擦角及弹性模量，从而提高了岩体强度，可以实现利用围岩本身作为支护结构的一部分；且与原岩形成一个整体，使巷道保持稳定而不易产生破坏。 3、利用注浆锚杆注浆充填围岩裂隙，配合锚喷支护，可以形成一个多层有效组合拱，即喷网组合拱、锚杆压缩区组合拱

16、及浆液扩散加固拱，从而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； 4、注浆后使得作用在顶板上的垂直载荷能有效地传递到两帮，通过对帮的加固，又能把荷载传递到底板；同时由于组合拱厚度的加大，这样又能减小作用在底板上的荷载集中度，从而减小底板岩石中的应力，减弱底板的塑性变形，减轻底臌；且底板的稳定，有助于两帮的稳定，在底板及两帮稳定的情况下，又能保持顶板的稳定。3.2使用添加剂的必要性以往锚注加固注浆料普遍采用水泥净浆，虽然材料来源很广泛，价格相对低廉，但是，从水泥凝固特性和在现场中的应用中发现水泥净浆存在如下不可回避的问题：（1）为保证注浆的顺畅，一般水灰比比较高，大大降低了其强度。水泥水化所需用水量仅为水泥重量的15%-25%，为了便于注浆，现场施工时用水量为水泥重量的50%-100%，在水泥硬化后会有多余的水在水泥石中形