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楔管式锚杆在煤矿软岩 巷道支护中的应用 汾西矿务局科 研所 韩忐军 锚 杆是 近代 地质工程 支护特别是地下工 程 包括煤矿 井巷 支护的最重要的方法之 一 。锚杆的应 用越 来越普遍， 由于地质工程 的类型不同，地质条件不同，而对锚杆提出 了不 同的要求，近些年来，各式各样的新式 锚杆不断涌现，树脂锚杆、膨胀性锚杆、金 属楔缝式锚杆、可伸缩性金属锚杆 、胀 壳式 锚杆和楔管式锚杆 等相继 问世 。它们为不 同 地质条 件的工程支 护起到 了极大作 用。 由于 岩体结构类型多种多样， 岩体性质各不相同， 工程的寿命和工作条件都不尽相同。因此， 在工程实践 中对 锚杆的选择 ，除 了要考 虑尺 寸和成 本外 ，特 别是要考 虑各种类 型锚杆的 适用范 围和工作条件 。 我们在软岩巷 道的支护 中，推 广使用 了 这种新式锚杆，自1 9 8 5 年春使用以来，巷道 开挖支护的工人普 遍 反映这种锚杆的性 能优 良，并在软岩巷道的支护实践中，获得了比 较 理想的支 护效果 。 一 ，楔蕾式镭 轩的结构量工作晨 理 1 ．楔 管式锚杆 的结构 楔管 式锚 杆 由 开 缝 异 径管 上楔、下 楔、定位销、挡环和碟形垫板所组成。 锚 杆长一般在1 ． 2 ～2 ． 4 m，管缝段长度 一 般为1 ～1 ． 2 n l ，锚杆外径 为 4 0 m m，管壁 厚 为3 ． 2 5 ram， 由普通碳钢带或 普 通水煤气 管加工而成，其材料最好是无焊缝的 其结 构如 图 1所示 。其 中一侧开 缝的下半 段径胀 开后 似管 缝式锚杆，其上半段则保 留原管状 态 ，并 且在顶 部焊上 上楔 ，紧靠上撰 为下楔 及定位销，这部分所起的作用是为了增加顶 部 的锚 固力 ，保 存了点锚 锚杆 之优 点。这种 1 2 锚杆的主要技术指标如下 ①总锚 固力 1 2 t ； ② 顶部锚头 初始锚 固力i i 1 4 ’③垫板对 岩层的预压力约5 t}④管 缝段 初 始锚 固力 约5 ，⑤杆体拉 断力 1 2 J⑥锚 杆 长 度及 外径1 2 0 0 --3 0 0 0 mr n ， 4 0 ram} ⑦管壁厚度3 ． 2 5 m J⑧锚杆重量7 k g 。 2 ．楔子 的结构及其独特性 能 楔管式 锚杆是在楔缝式锚杆的基础上研 制成 功的一种新型锚杆。它吸收 了磨擦式锚 杆的优点，并克服了管缝式锚杆顶锚欠缺的 问题。此种锚杆和管缝式锚杆 的主要不 同之 处在 于锚杆端 头内的楔子结构 。其结构如图 2所 示 。 这种楔子 结构 ，从 外表看，像双楔式锚 图I 楔 管式 锚杆 的 结构 l 一留 缝异径 管 2 一上 楔 j 3 一 下楔J I 一定 位 销 5 一 挡环J B 一碟形垫片 维普资讯 图2 杆 从 楔子的胀紧过程来看 ，似两翼 胀壳 式 锚杆 。从使 用的安装工具看 ，它 和楔 管式锚 杆 的下 楔是在 管壁的保护下逐步楔入 和胀紧 的，有足够 的锚 固力 ，并 对 围 岩 有挤压作 用 。这种楔 子结构对 安装的孔径大小有较大 的适应性，对于页岩 则以 3 4 ～4 2 mm 为宜 。 楔 子的锚固力一般在1 2 t左右 。而 管缝式锚 杆 灼锚 固力 一般 等于安装 推 入 力。 由 此可 见 ，楔 管式锚杆 的楔 子结构既解决 了管 子的 楔紧 问题， 又具 有结构简单 、安装 方便 ，适 应性强 等优 点。而 一般的锚杆在注浆凝 固硬 化前锚 固力较小 ，即初始锚固力低。 3 ．楔 管式 锚杆 的工作原理 楔管式锚杆 的加 固原理 有两个 ；一是 由 坚固的顶 锚所造成的 “ 悬 吊”原理，二是由 于顶 锚段和缝管段对孔 壁的 压力及锚 杆的预 拉力共 同作用在顶 板上，而 形成 的 “ 三向应 力场 ”原理。因此 ，楔 管式 锚杆兼具有点锚 锚杆及管 缝式锚杆 的优 点，所 以它具有两种 锚 固力 。 根据长沙矿山研 究所做 的 楔 管 式 锚 杆” 的光弹性试验，单根锚杆灼缝管段， 它 仅有环向应力而没有轴 向预应力，只有当锚 杆受拉时它才受力。 由于这种锚杆在其 全长 上 都与岩层 相接 触，所 以岩层 可以从各个移 动 位置上将力传 给锚杆， 于是岩层 移动 的力 便作用到锚杆上，然后 又从锚杆末端 垫板将 力重新传给岩层 。由此可见，受锚杆 影响的 岩 层范围，在很 大程度 上与岩 层内部应力 的 传递能力或岩层 位移 的传 递能力 有关 。楔 管 式锚杆的工作原理如 图 3所示 。 二 、楔管式锚杆的锚 周力 1 ．楔子锚固力 用7 6 5 5 型凿岩机 安装 冲击 锚杆 时，最大 推 入力为7 t，楔子的放大倍数为1 ． 8 ，因此 它的顶 锚固力为1 2 ． 6 t。 2 ．缝管段的锚固力 缝管段 的锚 固力为5 ～7 t。 3 ．顶锚段 的预 拉力 楔管式锚杆 的应力 ，在 用手锤敲击下， 楔 子在安装顶锚 的过程 中，可附带的使顶 锚 段获得3 ～4 t 的预拉力。在 现场 用凿岩机 冲 击安装，楔管式锚杆所得的预拉 力更大，它 把碟形弹簧垫片 据实测这种垫板的 弹性 吨 位为4”拉成反 凹形。 从安装工艺来看 ， 利 用凿 岩机 便可完成顶 锚安装 。又可获得预拉 力， 这是楔管式 锚杆的明显 优点之一 。 4 ． 楔管式锚杆的总锚固力 楔管式锚杆既有机械式 锚 杆 的 点锚功 能，又有 缝管式锚杆的摩 擦锚固作用，但 它 的总锚固力并非为两 种 锚 固 力的代数和， 而 为 ； ’ 周 3 楔 管式 锚杆 工 作原 理 1 3 维普资讯 F l f 2 式 中 f 缝管式 锚固段的锚固力 f 2 预 锚 固力， 当拉拔力超过 缝 管 段 锚固力 时，缝管段锚固力衰减系数 。 楔管式锚 杆的这种双重功能，这是机械 式 点锚 锚杆和缝管式锚杆所达不到的 。在性 能上楔 管式 锚杆的缝 管段可 以将孔壁挤紧， 顶 锚段 由于下楔的压入而 便锚头胀紧，而 且 抗弯截面的模量也较高， 因此，楔管式锚杆 在加固围岩方面具有很大的作用。 三、樱瞥式锚杆在软岩巷支 护中的应 用 1 ． 以往 ， 在柳湾煤矿巷道 中使用 了两种 形式的锚杆， 即倒楔式锚杆和钢丝绳锚杆 。 通过对该矿几千米巷道的调查 ，两种锚杆 的 有效支护只能达到5 0 ，尤其是在软岩巷道 中有效率仅3 O ％左右。倒楔式锚 杆失 败的主 要原 因，一是锚头在软岩 中安装往往把 内部 岩 层戳破，投有顶锚的预拉力，二是 孔壁 塌 坍和锚杆安装好后注浆效果差，在岩体大变 形阶段对围岩不能及时加固，使锚杆脱落， 锚 杆垫板也失去抗力作用。而钢丝绳锚杆失 效 主要 因钢丝绳往孔内插的时侯伸不直，造 成灌浆不实，而使许多锚杆失去支护能力， 使巷道产生大量 的破坏，从而危害 了煤矿 的 安全生产，致使该矿不 得不投入大量的人力 和物力 重新支护 。 自1 9 8 5 年年初以来，我们 在柳湾 矿8 8 0 m水平运输大巷和一号井9 5 0 m水 平 运 输 大 巷，共使用了3 5 3 0 根楔管式锚杆。到 目前为 止 ，使用期有的 已达3 ～ 5 年，有效率几乎 达 百分之百，还没有发现一根失效的，这一事 实有力地说明了该种锚杆在软岩巷道支护 中 的优越性能。为柳湾矿软岩巷道的支护开辟 了一条新路。 2 ．楔管式锚杆的安装工 艺 1将套好 垫板的锚秆上半 段圆管 自 由地插入 孔中。 2在锚杆尾部插入 一根带圆环的短 14 钎后，将钎尾插入凿岩机卡套内，开动凿岩 机 ，将锚杆下半段强行 冲入钻孔 内 钻孔直 径 比缝管 外径约小2 mm 直至垫板压紧顶 板岩石表面 为止 。 3关 闭凿岩机 ，换一根长度稍 长于 锚杆的钢钎 ，将其插入锚杆 内和凿岩机卡套 内，开动 凿岩 机，磨掉 定位销 ，并反复冲击 下楔 ，直 至冲不进 为止 ，这 就迫使下楔往上 冲挤 ，增大 了上下楔 的叠加 厚度，进而把 上 楔 处的管壁牢牢地胀紧在 钻孔内。 4关 闭凿岩 机 ，取 出 钎 杆，安装 结束 。 安装一根锚杆 仅需l ～2 分 钟 如 图4 所 示。由于三条大巷 均属永久性巷道 ，且巷 道 岩层 中无 水渗出，因此 ，锚 杆体 内必须注 入 砂浆 。 3 ．所用的机具及注砂浆 的配合 比 钻具 采用 7 6 5 5 型凿岩机 ，立式注浆器 。 注浆砂浆 的配 合比为水泥 石子 1 2 。 标 号不 低于1 5 0 号 。 口 圈 4 楔 管 式锸杆 的安装 l 一 锚杆j 2 一 垫板 3 一 钢钎 j 4 一凿岩 机 l 5 一圆 环 维普资讯 4 ．施工要求 锚 杆长 度 为1 ． 6 ～2 ． 2 m 巷 遒 尺 寸不 同 ， 采用不 同的 长度 }锚杆 外径 为 4 6 mm， 顶锚段外径 为 3 3 ． 5 ram。 锚固深度 利用 率必须在 9 O 以上。 采用钻头直径 4 5 mm，钻锚杆 孔 时要 求孔平直 。对 于打在松 软岩体上 的锚杆 ，锚 杆 孔要求 比所 用锚 杆长 l 0 O ～ 2 O O mm，以保 证 锚固深度 的利用率 。安装完 毕后要对 锚杆 注浆， 以便 加大锚固力 。 5 ．质量要 求及 安全技术措施 1 锚杆 布置 要按设计要求 。在层状 岩体 中，锚杆应 斜交层 理面布置， 防止 平行 于层理 方 向布置 。在 非层状岩体 中锚杆应垂 直 于巷道周 边布置 。锚 杆问的排距误差不超 过1 5 0 mm。 2掘进 中锚 杆要紧跟工作面，空顶 距不超过锚 杆排 距 f o rum，否 则必须先打锚 杆 以维 护帮顶 ，后千 其它工作。 3每根 锚杆只准上一个托板，锚杆 安装好后，不得用来 吊挂重物。 6 ．楔管式 锚 杆应用情况 1二号井8 8 0 m水 平运输 太 巷 试验 情况 试 验巷 道长1 2 5 m，主 要 围岩 为 半 软质 高岭石泥岩 ，硬质 高岭石泥岩、黑色页岩 ， 炭 质页 岩等 。巷 道毛断面2 O 。在巷道 中共 施工了5 5 m长的锚 网喷联 合支护 和 7 0 m长的 锚喷 u型钢联合支护，共使用 了1 5 0 0 根楔 管 式锚 杆。 2一 号井 9 5 0 m水平运 输 大 巷 ，试 验段长度为3 0 m，主要穿过半软 质和 硬 质高 岭石泥岩，巷遘毛断 面1 2 m2 ，该巷 道采 用锚 网喷联合支护，共使用楔管式锚杆6 3 0 根 。 3二号井8 8 0 m水平材料运 输 平巷 ， 试验段总长7 2 m，巷道 毛 断 面8 ． 9 m ，穿过 的主要岩层为铝土层，其 中锚喷支护巷遘 4 2 m，钢钎维喷射混凝土支护 巷 道3 0 m，共使 用楔管式锚 杆1 4 0 0 根 。 在柳湾煤矿使用楔管式锚杆施工的巷遭 总长度2 2 7 m，锚杆总 数 3 5 3 0 根，在 柳 湾矿 巷道 支护中发挥了重要作用。 7 ．锚杆 的拉 拔试验 结果 现场条件下的拉拔试验 结果 ，是检验锚 杆性能和施工质量的定量指标 b我们在二 号 井8 8 0 m水 平运输大巷试验段 所 做 的 5根拉 拔试 验结果表明，除二根 因锚杆 挡环 焊接不 牢拉脱和安装的原因外，都 达 到 了l O t 以上 的锚 固力 。试验 结果表明，此种锚杆不仅锚 固力较 高，而且在 拉应力 作用下有一定的变 形能力。 四、楔 管式锚杆 的优 点 理论分析和 我们在 汾西矿务局 柳湾煤矿 软岩巷遭支护实践结果表 明，这种 锚杆有如 下的优点t 1 ． 安装方便 、迅速 采用普通 凿岩 机便 可安装 ，安装 一根 锚 杆只 需l 2 mi n ，不需要拧 螺母 ，因 此，省 工、省力 、安全。在安装过程 中凭钢钎上的 油 漆标记，可 以判断 锚杆的安装质量 。质量 检查员可通过一根轻便的小竹杆，可随 时抽 查锚杆的安装质景。 2 ．对 孔深无严格要求 孔深只要超深5 c m以上均可使 用，对孔 径的要求不象管缝式锚杆那样严格。 3 ．安装后 即可受力，锚杆 的锚 固 力一 般在1 O 1 2 t 左右， 比管缝式、倒 楔 式 锚杆 高一倍 。 楔 管式 锚杆是 目前金属锚杆中比较先 进 的一种锚 杆，具有安装方便 、支 护及 时，具 有预应力，有较 高的锚 固力 ，对 围岩 变形适 应性强等 优点 。在 软岩巷 道 中应 用具有很大 的经济效 益和社会效益 。是适用于柳 湾煤 矿 软岩支护 的一种 比较理想 的锚 杆。 维普资讯