锚杆支护“三径”匹配的研究

摘要:锚杆支护因具有技术先进、经济合理、安全可靠等优点,而被许多煤矿广泛地推广应用,但有时也存在设计不合理、支护强度大、支护费用高,或支护强度不足,安全性差的情况。文章通过对“三径”匹配的研究,提出了合理匹配方案,为描杆支护提供了借鉴。

Abstract: Anchor bolt support has the advantages of advanced technology, reasonable economy,reliable safety which has been widely used in many coalmines. But sometimes, there are situation of unreasonable design, strong support, high support cost or lack of support, poor safety. Through the study on the"diastyle" match, the reasonable match scheme is put forward which provides reference for supporter.

关键词:描杆支护;支护参数;“三径”匹配

Key words: anchor bolt support ; support parameter; diastyle match

中图分类号:TD35 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)03-0084-01

1支护原理

锚杆支护是树脂锚固剂配以各种材质杆体的锚杆进行工程支护的锚杆支护技术。它的工作原理是把以树脂胶泥为基础的胶粘剂和固化剂(二者完全分开)用锚杆轻轻装入钻孔,随后将锚杆以一定速度边旋转边搅拌地推入到眼孔底部,把两种化学物质充分混合,使胶粘剂迅速聚合并使锚固段锚杆与钻孔孔壁紧密地粘结在一起取得较高的强度,并通过托板的安装和螺母的拧紧,对围岩起到支护作用。

2支护“三径”匹配原理

锚杆支护“三径”匹配是指钻孔直径、锚杆直径、锚固剂直径“三径”之间的最佳配合,从而使锚杆支护结构整体达到最佳的支护状态。本文以左旋无纵筋螺纹钢锚杆为例说明“三径”的匹配。其它类型的锚杆与之类似。

2.1锚杆钻孔直径的确定

钻孔直径应主要根据锚杆的锚固力、锚固成本和钻孔效率确定。

树脂锚杆锚固力在孔经为25～29mm区间内随着钻孔直径的增加而增大,到29mm时达到最大。超过29mm后则迅速降低。孔径为28mm时锚固力次之,孔径为33mm时,锚固力迅速下降直至为零。

同样通过实验可以得到:对于直径为18mm的锚杆,钻孔直径为26mm时锚固力最大;对于直径为16mm的锚杆,钻孔直径为25mm时锚固力最大。

实践结果表明:钻孔直径越大,锚固成本越高、钻孔时间越长。

2.2 锚杆直径的确定

对于锚杆直径,国外多数选用20～22mm。目前国内根据设计及施工情况来看,杆体直径大都在16~22mm。而且多集中在18mm左右,明显偏小。目前国内许多专家对锚杆长度和锚杆直径有深入研究,结果表明:锚杆长度和锚杆直径都存在着极限值,并不是通常认为的愈长愈好和愈粗愈好。

具有代表性的研究结果有:①对全长锚固锚杆的长度由锚杆尾部剪应力不超过粘结剂的极限粘结强度决定,岩石愈松软,巷道断面愈大,锚杆的极限长度愈小。认为当锚杆直径为20～25mm时,锚杆长度难以超过2.5m。而对锚杆直径,认为锚杆的极限直径是根据杆体的最大轴向力和最大剪应力同时达到极限值来决定的;②锚杆的极限长度宜大于塑性区厚度且不宜过多地超出塑性区范围;③利用计算机通过对近万个数据的分析,对锚喷巷道锚杆长度与锚杆直径与喷层厚度(反映围岩压力大小),锚杆提供的附加支护抗力(反映锚杆受力状态),以及围岩稳定的安全系数K2之间的关系研究表明,锚杆长度和锚杆直径都存在着一个合理值。我们充分汲取了以上论点,结合实验数据,根据多年的设计和施工实践,对“三径”匹配做进一步研究,提出了“三径”匹配方案。

杆体直径的增大必然提高锚杆的锚固力,同时支护成本必然增加。通过实验对比如下:在钻孔直径为29mm、锚固长度与外部条件相同的情况下,以直径为l4mm锚杆支护成本为基准,其他直径锚杆支护成本增加的百分比见表1,锚固力增加的百分比见表2。

表1不同直径锚杆支护成本增加百分比(%)

对比表1和表2可以明显看出,随着锚杆直径增大,锚固成本增大,其增加的幅度为2%～14%;锚固力也增大,其增加幅度为13%～147%。两个增加幅度相差悬殊,后者增加幅度是前者的10～11倍。由此可见,适当加大锚杆杆体直径在经济上是十分有利的。

但是锚杆直径的确定应综合考虑各种因素。在保证锚杆具有可靠支护阻力的同时,还应考虑在技术上可行,经济上合理。

(1)满足支护阻力的要求。(2)技术上的可行性。(3)经济上的合理性。综合上述分析,结合设计、施工实际,锚杆直径一般选取18~22mm。

2.3 树脂药卷直径的确定

树脂锚固剂直径确定的原则:一是应在确定的钻孔直径条件下,保证树脂锚固剂能够得到顺利安装;二是保证树脂锚固剂能够顺利安装的条件下,将其直径尽量加大。树脂锚固剂药卷尽量加大有如下好处:一是在锚杆搅拌树脂锚固剂时,有利于树脂胶泥和固化剂充分混合,树脂锚固剂锚固强度能够得到充分发挥;二是在用相同体积的树脂锚固剂时,由于药卷直径的加大,药卷总长度可以缩短,减少装入时间和锚固剂在孔中的占据长度,方便锚杆安装。

综合分析研究结果及实践经验证明:在29mm钻孔中可以使用直径18～22mm无纵筋左旋螺纹钢锚杆或16～20mm有纵筋建筑螺纹钢锚杆时,使用树脂锚固剂直径为23～25mm比较合适;对与直径为33mm钻孔,使用直径24～26mm无纵筋螺纹钢锚杆或22～24mm有纵筋建筑螺纹钢锚杆时,使用树脂药卷直径为28mm比较合适。

3结论

(1)钻孔直径对锚杆支护成本和锚固力大小影响很大。相同锚固长度需要较多的树脂药卷、支护成本较高。在目前技术条件下,直径20mm的无纵筋左旋螺纹钢锚杆和直径18～20mm的有纵筋建筑螺纹钢锚杆宜选择28、29mm的钻孔,直径18mm及以下的无纵筋螺纹钢锚杆宜选择26mm的钻孔,可以获得较大的锚固力和较好的技术经济效益。(2)锚杆直径对于是否能够有效充分地均匀搅拌树脂药卷以及锚杆是否能够顺利安装起着非常关键的作用。钻孔直径与锚杆直径之差在6～10mm之间时,可以获得较大的锚固力和较好的支护效果。(3)树脂锚固剂直径应比钻孔直径小3～6mm。(4)在全长或加长锚固时,锚杆直径增大后不会引起锚固成本的大幅度提高。适当地加大锚杆直径,技术经济效益十分显著。