玻璃鋼錨桿在金屬礦巷道中的應(yīng)用

玻璃鋼錨桿在金屬礦巷道中的應(yīng)用

在金屬礦床地下采區(qū)，礦巖性質(zhì)和地壓活動(dòng)是影響道路穩(wěn)定性的重要因素。合理的道路維護(hù)可以有效預(yù)防或減少圍巖變形，確保道路的穩(wěn)定性。從AlfredBusch于1912年在Friedens煤礦使用錨桿支護(hù)頂板開始,錨桿支護(hù)已經(jīng)過(guò)了百年實(shí)踐,錨桿支護(hù)理論也得到了深入研究和發(fā)展,有LouisA.Panek提出的懸吊理論、德國(guó)科學(xué)家Jacobio等人提出的組合梁作用理論、T.L.V.Rabcewicz提出的拱形壓縮帶作用等。此外,我國(guó)研究人員也取得了大量研究成果,如孫鈞和宋德彰的理論分析模型、孫學(xué)毅的全長(zhǎng)錨固無(wú)托板錨桿力學(xué)模型、王明恕的中性點(diǎn)理論、董方庭的松動(dòng)圈理論等。錨桿支護(hù)理論的發(fā)展不但解釋了錨桿與巖體的相互作用,而且為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和方法。因此,錨桿支護(hù)已經(jīng)成為金屬礦山最普遍的支護(hù)形式。但是金屬礦山開采條件復(fù)雜,且礦巖中硫化物遇水后形成的酸性成分對(duì)金屬錨桿有較大腐蝕作用,導(dǎo)致金屬錨桿因腐蝕而大量失效,從而降低了巷道穩(wěn)定性,增加了生產(chǎn)安全隱患。此外,采用金屬錨桿支護(hù)的巷道破壞后,進(jìn)行二次支護(hù)的成本和難度都較高。20世紀(jì)90年代以來(lái),國(guó)外開始采用纖維塑料筋非金屬錨桿來(lái)替代傳統(tǒng)的鋼錨桿進(jìn)行支護(hù),并在邊坡、基坑、礦井、隧道、地下工程、壩體、航道、機(jī)場(chǎng)、港口以及抗傾、抗浮結(jié)構(gòu)等工程建設(shè)中得到應(yīng)用。纖維增強(qiáng)塑料錨桿在日本和歐美的應(yīng)用實(shí)例表明,該技術(shù)已經(jīng)成熟,安裝在工程中的錨桿性能符合預(yù)期要求,與鋼錨桿相比,具有一定的經(jīng)濟(jì)性和不可替代性。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究認(rèn)為,纖維增強(qiáng)塑料錨桿具有抗腐蝕、抗拉強(qiáng)度高、自重輕等特點(diǎn),因此,用纖維增強(qiáng)塑料錨桿代替鋼錨桿,具有不需要防腐保護(hù)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、易于制造、易于運(yùn)輸和安裝、預(yù)應(yīng)力損失小等優(yōu)點(diǎn)。玻璃鋼錨桿是一種由玻璃纖維和樹脂組成的復(fù)合材料錨桿,其抗拉強(qiáng)度相對(duì)較大,但其抗剪、抗扭、抗彎強(qiáng)度相對(duì)較低,目前已成為非金屬塑料纖維錨桿中最常用的錨桿類型,在巖土、水利工程中已經(jīng)有著較廣泛應(yīng)用。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、煤炭科學(xué)總院、遼寧工程技術(shù)大學(xué)等單位近年來(lái)對(duì)非金屬錨桿在煤礦巷道支護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,取得了一定成功并獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是金屬礦山開采技術(shù)條件及開采方式與煤礦截然不同,非金屬錨桿在金屬礦山的支護(hù)應(yīng)用缺少理論研究和工程實(shí)踐,因此,研究金屬礦山玻璃鋼錨桿支護(hù)技術(shù)對(duì)于改善金屬礦山巷道支護(hù)現(xiàn)狀具有重要意義。1支護(hù)方式采用噴錨網(wǎng)支護(hù)金山店鐵礦是典型的矽卡巖型鐵礦床,礦巖松軟破碎,巷道垮冒嚴(yán)重。礦山目前采用的支護(hù)方式眾多,主要支護(hù)形式有噴錨支護(hù),噴錨網(wǎng)支護(hù),以及鋼支架聯(lián)合支護(hù)等。在各種支護(hù)形式中,錨桿支護(hù)方式占主導(dǎo)地位,而使用最為普遍的錨桿是直徑16mm,長(zhǎng)度2000mm的螺紋鋼砂漿錨桿。金山店鐵礦采用掘支一體化的掘進(jìn)技術(shù),掘進(jìn)超前支護(hù)3～5m。巷道掘進(jìn)之后,采用噴錨網(wǎng)進(jìn)行支護(hù),錨桿排距1m,每排11根,鋼筋網(wǎng)采用250mm×250mm的網(wǎng)度,噴層厚度100mm。金山店鐵礦通過(guò)錨網(wǎng)支護(hù)有效保證了回采巷道穩(wěn)定性,但是在含硫量較高且礦巖破碎、受采動(dòng)壓力影響嚴(yán)重的區(qū)域,支護(hù)的金屬錨桿失效嚴(yán)重,巷道變形較大,并以垂向變形為主,在局部區(qū)域也發(fā)生較大側(cè)向擠壓變形,但沒(méi)有出現(xiàn)巷道底鼓現(xiàn)象。調(diào)查顯示,受巷道較大變形影響,其拱頂以及拱角部位首先發(fā)生破壞,此后巷道兩幫和幫腳也發(fā)生片幫脫落破壞,進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)巷道發(fā)生破壞。針對(duì)金山店鐵礦目前巷道支護(hù)中存在的問(wèn)題,分析認(rèn)為在地質(zhì)條件及開采環(huán)境惡化的情況下,現(xiàn)有支護(hù)方式采用的金屬錨桿容易受到礦巖中硫化物的腐蝕而過(guò)早失效,且現(xiàn)用的無(wú)托盤金屬錨桿無(wú)法施加預(yù)緊力,因而無(wú)法提供對(duì)巖體的擠壓作用,巖體容易發(fā)生離層破壞。因此,研究采用尾部帶托盤和螺母的全螺紋玻璃鋼錨桿進(jìn)行支護(hù),分析其在金山店鐵礦支護(hù)條件下的支護(hù)效果,并進(jìn)行工程實(shí)踐對(duì)改善金山店鐵礦錨桿支護(hù)中存的問(wèn)題具有重要意義。2應(yīng)錨桿參數(shù)分析金山店鐵礦采用無(wú)底柱分段崩落法開采,回采巷道布置在礦體中,將巷道支護(hù)數(shù)值計(jì)算模型中巖體類型全部簡(jiǎn)化為磁鐵礦。根據(jù)對(duì)金山店鐵礦巖體力學(xué)參數(shù),計(jì)算出相應(yīng)的巖體體積模量K和剪切模量G。計(jì)算中對(duì)于模型的開挖以及開挖后的空區(qū)選用FLAC3D內(nèi)置的零模型(Null),而對(duì)于開挖前以及開挖后的非空區(qū)部分都采用摩爾-庫(kù)侖塑性模型。選擇的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。根據(jù)拉拔試驗(yàn)獲得的錨桿錨固力,計(jì)算出相應(yīng)錨桿參數(shù)見表2。錨桿支護(hù)數(shù)值計(jì)算中,對(duì)全螺紋玻璃鋼錨桿在尾部托盤螺母處施加20kN的預(yù)緊力,2種類型錨桿均采用全長(zhǎng)錨固方式計(jì)算。計(jì)算后將不支護(hù)以及采用螺紋鋼錨桿和玻璃鋼錨桿支護(hù)分析結(jié)果進(jìn)行整理,結(jié)果見表3。從表3中不同計(jì)算方案的主要計(jì)算結(jié)果可以看出,采用螺紋鋼錨桿支護(hù)后,錨桿所受的最大軸力為58.9kN,最大軸向應(yīng)力為231.8MPa,而螺紋鋼錨桿水泥漿所受的最大應(yīng)力只有0.938MPa,且在拱頂部位錨桿發(fā)生水泥漿滑移現(xiàn)象;采用玻璃鋼錨桿支護(hù)后,錨桿所受的最大軸力為57.7kN,最大軸向應(yīng)力為227.3MPa,錨桿水泥漿所受的最大應(yīng)力則達(dá)到4.577MPa,沒(méi)有發(fā)生錨桿水泥漿滑移現(xiàn)象。分析發(fā)現(xiàn)玻璃鋼錨桿中性點(diǎn)基本靠近孔口以及托盤部位,這說(shuō)明阻止巖體向巷道壁面變形的主要是孔口部位小段錨桿以及錨桿托盤,發(fā)生向壁面方向變形的巷道巖體深度較小;而螺紋鋼錨桿中性點(diǎn)靠近錨桿中部,主要是中心點(diǎn)到孔口部位的錨桿以及水泥漿來(lái)阻止巖體向巷道壁面變形,發(fā)生向壁面變形的巖體深度較大。這表明,全長(zhǎng)錨固預(yù)應(yīng)力玻璃鋼錨桿相比螺紋鋼錨桿可以有效改變錨桿中性點(diǎn)位置,改善水泥漿應(yīng)力分布特征,提高錨桿及水泥漿抵抗圍巖向壁面變形的能力,且玻璃鋼錨桿在螺母、托盤以及錨桿聯(lián)合作用下抵抗巷道巖體離層破壞的能力遠(yuǎn)大于螺紋鋼錨桿抵抗巷道巖體離層破壞的能力。3鋼鏈固定安裝在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行3.1巷道工程地質(zhì)概況試驗(yàn)巷道選在金山店鐵礦余華寺采區(qū)-228m水平505礦塊中的16號(hào)、17號(hào)、18號(hào)、19號(hào)回采進(jìn)路中,試驗(yàn)巷道長(zhǎng)度分別為44、41、41、45m,設(shè)計(jì)巷道斷面高3.3m,寬3.8m。4條巷道圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí),均為粉礦和矽卡巖破碎帶,其中粉礦為粉砂狀純粉礦石,強(qiáng)度較低,巷道自穩(wěn)時(shí)間短;矽卡巖帶為礦巖接觸破碎帶,強(qiáng)度低且水理性強(qiáng),遇水即發(fā)生強(qiáng)烈膨脹變形和強(qiáng)度迅速下降。該區(qū)段是金山店鐵礦典型的難維護(hù)礦巖,已開采分段與其對(duì)應(yīng)部位的巷道均發(fā)生過(guò)大面積的垮冒和破壞現(xiàn)象,支護(hù)返修率達(dá)70%以上。因而,試驗(yàn)選擇的4條巷道工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜且具有典型性。試驗(yàn)中4條巷道同時(shí)掘進(jìn)和支護(hù),其中在16號(hào)、18號(hào)進(jìn)路安裝玻璃鋼錨桿支護(hù),在17號(hào)和19號(hào)進(jìn)路采用螺紋鋼錨桿支護(hù),從而形成玻璃鋼錨桿支護(hù)與螺紋鋼錨桿支護(hù)在相同支護(hù)條件下的直觀對(duì)比。試驗(yàn)巷道采用掘支一體化施工工藝,即在掘進(jìn)出渣后馬上采用噴錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行支護(hù),支護(hù)采用?16mm×1800mm的螺紋鋼錨桿和?18mm×1800mm的玻璃鋼錨桿。錨桿排距1000mm,錨桿間距根據(jù)不同部位采用不同間距參數(shù),即拱頂間距700mm,兩幫間距900mm;兩種類型錨桿均采用快硬水泥藥卷全長(zhǎng)錨固,錨固長(zhǎng)度1700mm;玻璃鋼錨桿在安裝托盤和螺母時(shí)通過(guò)風(fēng)動(dòng)扳手施加約20kN預(yù)應(yīng)力;錨網(wǎng)支護(hù)后噴射強(qiáng)度20MPa,厚度80～100mm的混凝土噴射層。試驗(yàn)巷道支護(hù)后立即在巷道中每隔10m間距布置1排位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)并及時(shí)監(jiān)測(cè)巷道收斂變形情況。3.2試驗(yàn)巷道變形量金山店鐵礦試驗(yàn)巷道收斂變形量如圖1和圖2所示。從圖1中巷道兩幫變形監(jiān)測(cè)量看,金山店鐵礦不管是采用玻璃鋼錨桿還是螺紋鋼錨桿支護(hù),試驗(yàn)巷道兩幫均發(fā)生持續(xù)性收縮變形,而沒(méi)有出現(xiàn)明顯的兩幫變形減緩或穩(wěn)定現(xiàn)象,其中18號(hào)試驗(yàn)巷道變形量最大,達(dá)到304.73mm。從圖2中巷道頂板變形量看,金山店鐵礦采用玻璃鋼錨桿支護(hù)或采用螺紋鋼錨桿支護(hù)后,其頂板都發(fā)生較大變形,其中18號(hào)回采巷道監(jiān)測(cè)位置發(fā)生的頂板變形量達(dá)到111.95mm。從4條試驗(yàn)巷道變形量看,其變形量相對(duì)值大小依次是18號(hào)、19號(hào)、17號(hào)、16號(hào)?？梢?在錨桿長(zhǎng)度、間排距等支護(hù)參數(shù)相同的情況下,玻璃鋼錨桿和螺紋鋼錨桿在控制巷道整體變形方面沒(méi)有明顯的優(yōu)劣,可以取得相同的巷道變形控制效果。但是,由于玻璃鋼錨桿尾部托盤及螺母施加了預(yù)緊力,有效防止了巷道巖體的離層破壞及片幫現(xiàn)象,改善了巷道整體穩(wěn)定性程度。3.3試驗(yàn)中存在的問(wèn)題金山店鐵礦試驗(yàn)巷道采用全螺紋玻璃鋼錨桿支護(hù),并由托盤螺母施加一定預(yù)緊力后,巷道整體穩(wěn)定性較好,沒(méi)有出現(xiàn)大范圍巖體冒落、坍塌以及離層破壞現(xiàn)象,也沒(méi)有發(fā)生玻璃鋼桿體被拉斷或剪切破壞現(xiàn)象,整體支護(hù)效果良好。但是玻璃鋼錨桿在支護(hù)中仍存在一定問(wèn)題和不足之處。首先,試驗(yàn)用玻璃鋼錨桿螺母承載力不足,難以承載巷道較大變形。螺母較低的承載力導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中出現(xiàn)一定程度的螺母和托盤滑動(dòng)脫落現(xiàn)象,即螺母托盤在巖體擠壓作用下沿桿體螺紋發(fā)生滑絲直至完全脫落。由于托盤螺母的脫落而使玻璃鋼錨桿失去對(duì)金屬網(wǎng)及部分離層巖體的擠壓和承載能力,從而導(dǎo)致部分由螺母托盤固定的金屬網(wǎng)、水泥漿噴層及少量巖體發(fā)生離層脫落破壞。其次,裸露于錨桿孔外的玻璃鋼錨桿尾部及托盤螺母在回采大爆破中易受爆破沖擊波損壞而發(fā)生回采巷道眉線部位金屬網(wǎng)及部分巖體垮冒現(xiàn)象。因此,在采用玻璃鋼錨桿支護(hù)時(shí),裸露于巖體外的桿體長(zhǎng)度只需滿足掛網(wǎng)、安裝托盤和螺母即可,而在安裝后進(jìn)行噴漿時(shí)應(yīng)將托盤及螺母完全覆蓋,從而減少爆破沖擊波及飛石對(duì)玻璃鋼錨桿尾部的破壞。4金屬礦山巷道離層片幫變形治理中第一大鋼錨桿支護(hù)方案玻璃鋼錨桿支護(hù)數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,在相同地質(zhì)及開采技術(shù)條件下,玻璃鋼錨桿在控制巷道變形方面可以取得與螺紋鋼錨桿相同的維護(hù)效果,但是玻璃鋼錨桿施加托盤預(yù)緊力后可以有效改變錨桿中性點(diǎn)位置,并改善錨固水泥砂漿的受力特征,提高了錨桿及水泥漿共同抵抗圍巖向壁面變形的能力,從而有效防止了巷道離層片幫破壞。工業(yè)實(shí)踐表明,玻