《武汉工程大学学报》 2014年04期
65-69
出版日期：2014-04-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
锚固剂玻璃钢锚杆支护工程力学特性与应用
0引言锚固剂玻璃钢锚杆支护是以锚固剂为粘结剂，将玻璃钢锚杆固定在被加固岩体中、共同承担地压的一种主动支护形式.其主要特点是施工简单、支护及时，因此在煤矿中得到广泛应用.玻璃钢锚杆是一种用玻璃钢纤维等复合材料研制而成的新型锚杆，其主要结构由锚头、杆体、锚尾三部分组成.玻璃钢锚杆与普通螺纹钢锚杆相似，其表面玻璃纤维筋呈左旋螺纹状分布，属螺纹型锚杆.在支护安装过程中，通过拧紧玻璃钢锚尾螺母而挤压托盘提供预应力.早在20世纪初，国外学者就开始研究玻璃钢纤维材料，试图通过改变锚杆材料来解决钢质材料易腐蚀等问题［1］.研制之初，遇到玻璃纤维与混凝土粘结困难、筋材锚固不牢和表面保护膜容易损坏等技术难题.到20世纪50年代，美国、前苏联、英国等相继开展了大量的研究活动，关键技术被攻克，玻璃钢纤维材料得到了迅猛的发展，并开始应用于岩土工程和地下矿山工程的支护中.我国对玻璃钢锚杆应用研究始于煤矿.在煤矿，由于瓦斯含量高，采用普通钢质材料锚杆进行巷道支护时，割煤机易与钢质锚杆发生摩擦，产生火花，引起瓦斯爆炸等安全事故，因此，开展了用玻璃钢锚杆替代普通钢质锚杆的科技攻关，试验获得了成功，相关产品已经定型批量生产.但是，玻璃钢锚杆在我国非煤矿山的推广应用只是近几年的事，特别是在金属矿山的应用还处于探索阶段，有关设计技术要求和施工质量检验标准也还处于空白状态，需要开展系统、全面的试验研究.锚固剂玻璃钢锚杆支护属隐蔽性工程，支护质量的好坏表面不易察觉，只有通过系统的抽样检验才能判断支护质量的优劣.2002年煤炭部颁布了《中华人民共和国煤炭行业标准(MT2192002)，水泥锚杆卷式锚固剂》（2002.9.1实施）［2］，规范中分别规定了锚固剂抗压强度、锚固力、膨胀性等几项工程技术指标.其中，卷式锚固剂与锚杆配套安装0.5 h后，所测定的锚固力应不小于50 kN，24 h的锚固力应不小于70 kN；卷式锚固剂的抗压强度不小于表1中的值；卷式锚固剂的膨胀性应在0.5 h内最大膨胀率不小于0.1%，28d膨胀率测定应大于0.表1卷式锚固剂抗压强度［2］Table 1Compressive strength of rolled anchoring agent锚固方式抗压强度/MPa0.5 h1 h24 h试验环境、相关条件端锚121825全锚91525养护温度：20±2 ℃；相对湿度：80%~90%；水灰比：0.3；拌和水温：20±1 ℃.锚固剂玻璃钢锚杆支护系统的工程力学特性，与锚固剂、锚杆材质、被加固岩体工程力学性状等因素息息相关.支护系统各组成部分，只有各自发挥到能力的极限，并保持变形协调，才能表现出整体较好的工程力学性状.因此，在标准的质量检测体系中，还需要根据被支护地段巷道围岩变形特点，增加检测支护系统抗变形能力技术指标；另外，锚杆拉拔力随锚固长度呈线性变化，不能用一个固定的锚固力作为各种长度锚杆是否合格的评价标准，需用单位锚固长度锚固力修正原技术指标；标准中也没有明确锚杆材质不同对支护质量的影响，笼统用一个标准，在实际生产中指导性不强.基于以上原因，在金山店铁矿井下-270 m~-340 m段，开展锚固剂玻璃钢锚杆支护系统的工程力学特性试验研究，针对该矿工程地质和技术特点制定锚固剂玻璃钢锚杆支护的技术要求，为该中段采准巷道支护设计和支护质量检测提供切合实际的依据和标准.第4期朱汉明，等：锚固剂玻璃钢锚杆支护工程力学特性与应用武汉工程大学学报第36卷2工程地质特性武钢金山店铁矿属矽卡岩矿床类型.矿石类型有块矿、浸染状矿和粉矿三种.块矿中金属矿物紧密相生，平均干抗压强度为127 MPa；浸染状矿石在区内较常见，在矿床东部最发育，金属矿物在矽卡岩或大理岩中作较均匀的星散状分布，单轴抗压强度27 MPa；粉矿中金属矿物与脉石矿物呈细粒集合体，结构松散，一接触即成散砂状，单轴抗压强度仅为5 MPa.围岩有角页岩、大理岩、岩浆岩、矽卡岩等，与采准巷道关系较大的围岩有大理岩和矽卡岩.大理岩：遭受各种蚀变作用较强烈，单轴抗压强度普遍较低，平均值为68 MPa.矽卡岩为接触交代变质岩，分布于碳酸盐类岩石与矿体的接触部位，在接触带附近的断层两侧也有分布.多呈条带状、似脉状和透镜状，厚度一般5～20 m.矽卡岩中因多含软质矿物，结构比较松散，受构造作用较强烈，所以强度普遍较低.矿区围岩的近矿强蚀变与远离矿体的弱蚀变普遍存在且具有多样性.围岩蚀变多在成矿前或成矿过程中发生，如矽卡岩化、透辉石化、蛇纹石化、绿泥石化等，唯有碳酸盐化蚀变是晚期的热液蚀变.围岩蚀变一般对岩体力学性质有弱化作用，如矽卡岩化、金云母化、绿泥石化、碳酸盐化，本区围岩弱化蚀变有矽卡岩化和碳酸盐化.强烈的矽卡岩化产生于矿岩接触带及其附近，而碳酸盐化普遍存在于区内各种岩石之中，多呈细脉及网脉状充填于节理裂隙中，当其呈网脉状发育时常导致岩石呈碎裂状.结构面特征主要表现在：近矿围岩节理裂隙发育、短小不规则，其密度5~15条/m，局部地段可达30条/m，其延展性和连续性均较差，多为不规则杂乱节理，成组性不强，且岩体结构以镶嵌结构及碎裂结构为主；远离矿体围岩完整性提高，节理密度在5条/m左右，节理裂隙成组性增强，岩体结构逐渐转为块状结构和镶嵌结构并存.两种情况下的围岩都存在陡倾节理较缓倾节理更为发育的工程地质特征，节理大多呈闭合或微张（隙宽一般大于3 mm）状态，隙壁平滑或粗糙，无充填或少量碳酸盐质充填，部分地段具较厚的碳酸盐质充填，在围岩蚀变较强的地段，多为矽卡岩、绿泥石等充填.矿区水平构造应力较大，是垂直自重应力的1.7倍；矿区在-410 m有疏干系统，围岩中含水率不高.3锚固剂玻璃钢锚杆支护工程力学特性试验3.1锚固剂力学性能试验3.1.1抗压强度按MT2192002规范要求，对金山店铁矿使用的锚固剂进行抗压强度试验，结果如表2所示. 表2锚固剂抗压强度试验Table 2Compressive strength test of anchoring agent养护时间0.5 h1 h24 h123123123抗压强度/MPa8.98.27.716.114.215.828.228.429.1平均抗压强度/MPa8.315.428.6 由表2可见，锚固剂的抗压强度基本符合规范技术要求，略为偏小.3.1.2膨胀性试验按MT2192002规范要求，制作了100×100 ×100 mm标准试块9块，测定不同养护龄期锚固剂的膨胀率，结果如表3所示.表3锚固剂膨胀性试验Table 3Expansion test of anchoring agent试块侧面平均间距/mm膨胀率/%0.5 h28 d0.5 h28 d1100.12100.530.120.532100.20100.750.200.753100.13100.410.130.414100.21100.640.210.645100.13100.490.130.496100.10100.530.100.537100.15100.370.150.378100.11100.330.110.339100.24100.620.240.62平均0.150.52由表3可知，现场试验用的锚固剂的膨胀率，在0.5 h的膨胀率为0.15%，28 d的膨胀率为0.52%，均达到标准规定的技术要求.3.2玻璃钢锚杆力学性能试验金山店铁矿使用的玻璃钢锚杆杆体规格为18×2 000 mm，杆体表面经过喷砂处理，并且缠绕纤维，其托盘和螺母均为工程塑料.锚杆采用拉挤一次成型技术，玻璃纤维质量分数为77.5%，树脂质量分数为22.5%.按规范要求进行试验，同时引用了其他研究成果［1,35］，经综合分析，结果如表4所示.3.3玻璃钢锚杆支护的巷道变形监测文献［67］介绍了金山店铁矿余华寺采区-242 m分段回采进路进行玻璃钢锚杆支护试验结果.试验巷道采用掘支一体化施工工艺，即在掘进后马上进行喷锚网支护.16#进路采用玻璃钢锚杆喷锚网支护，加有预应力，采用玻璃钢锚杆配塑料螺母和托盘挂网.锚杆采用锚固剂全长锚固，锚固长度1 900 mm.喷射混凝土强度C20、喷层厚度80～100 mm.试验巷道中的金属网采用6 mm钢筋编制的200×200 mm菱形金属网.巷道收敛监测变形结果表明，巷道变形为0.25 mm/d，属欠稳定巷道，这围岩条件在金山店铁矿带有普遍性.按90 d计，锚杆锚固长度1.9 m，则玻璃钢锚杆延伸率δ为1.18/%，小于1.44%，说明锚固剂玻璃钢锚杆是可以满足巷道变形要求的.表418 mm玻璃钢锚杆的力学性能指标Table 4mechanical parameters of 18 mm GFRP bolting试件直径D/mm抗拉极限抗拉荷载Pu/ kN极限抗拉强度fptk/MPa弹性模量E/GPa抗剪极限抗剪荷载c/kN极限抗剪强度τmax/MPa延伸率δ/%18121.5847546.5877.151401.443.4锚固剂玻璃钢锚杆的工程力学特性试验试验地点选择在金山店铁矿东采区-298 m水平610XK以东的采准巷道中进行，测点布置如图1所示.主要试验卷式锚固剂玻璃钢锚杆的工程力学特性.图1玻璃钢锚杆力学特性试验测点布置图Fig.1Observation point arrangement of mechanical test on GFRP bolting分别在15#进路下盘花岗闪长岩地段及粉矿地段布置了3组测点（见图1），每组测点在垂直方向上分别钻3个水平孔，为方便进行锚杆抗扒拉试验，玻璃钢锚杆要求外露350 mm，锚杆长度2 000 mm，严格按照操作规程进行安装，安装好后挂吊牌做好标记，养护0.5 h、24 h、28 d后进行试验.每次只选一组上的一根进行破坏性拉拔试验，3根数据进行平均，即为不同支护龄期的抗拉强度与变形强度.试验结果如表5所示，锚杆抗拉拔力与变形曲线如图2所示.由表5可知，两种岩石试验结果在单位长度锚固力指标上差别不大，在延伸率指标上粉矿地段测试结果较花岗闪长岩地段的结果大，但没有达到1.44的指标.表5锚固剂玻璃钢锚杆试验结果Table 5Test results of GFRP bolting with anchoring agent岩性序号抗拉拔力/kN位移/mm锚固长度/m延伸率δ/%单位长度锚固力/kN·m-1龄期石英闪长岩126.27.51.6600.4515.780.5 h242.09.51.6600.5725.3024 h369.411.51.6600.6941.8128 d粉矿125.35.81.5950.3615.860.5 h243.510.51.3960.7531.1624 h368.313.81.4630.9446.6828 d图2锚固剂玻璃钢锚杆抗拉拔力应变试验曲线（28 d）Fig.2Pull force and strain curve of GFRP bolting with anchoring agent (28 d)由图2可见，锚固剂玻璃钢锚杆抗拉拔力应变近似线性变化.3.5金山店铁矿锚固剂玻璃钢锚杆支护的技术要求基于现场和室内试验的研究结论，参考煤炭行业标准，同时考虑施工质量的差异，取强度折减系数0.8，初步拟定锚固剂玻璃钢锚杆在金山店铁矿井下采准巷道支护的技术要求：锚杆系统配套安装后0.5 h所测定的单位长度锚固力应不小于11 kN·m-1（22 kN，2 000 mm锚杆），24 h锚固力应不小于20 kN·m-1（40 kN，2 000 mm锚杆），28 d锚固力应不小于30 kN·m-1（60 kN，2 000 mm锚杆），延伸率小于1.44.4应用基于3.5节的技术要求，进行巷道支护优化设计，并对锚固剂玻璃钢锚杆支护质量进行了检验.试验在金山店铁矿东区-312 m水平采准巷道中进行，抽检结果如表6所示.表6玻璃钢锚杆检测结果Table 6The detection results of GFRP bolting地点岩性序号抗拉拔力/kN位移/mm锚固长度/m延伸率δ/%单位长度锚固力/kN·m-1合格情况备注18进路及中沿脉粉矿11312.51.650.677.88不合格24 h235.613.41.650.8121.57合格24 h330.69.01.430.6321.46合格24 h432.412.51.650.7519.64合格24 h552.5121.650.6431.82合格28 d6926.51.650.3555.76合格28 d750.831.650.1630.79合格28 d由表6可见，施工质量合格率较高，进行长期观察，巷道没有明显地压显现，处于稳定之中.需要补充说明的是，现场抽检主要是对锚杆尾部露出较长的锚杆，以利于安装拉拔计，没有抽到的锚杆施工质量更好一些.5结语a.在金属矿中，锚固剂玻璃钢锚杆支护的工程力学特性与MT2192002规范中的技术要求有较大的差异，提出了金山店铁矿锚固剂玻璃钢锚杆支护的技术指标和要求.b.基于锚固剂玻璃钢锚杆在金山店铁矿现场试验的结果而制定的技术要求，作为-270 m~-340 m中段采准巷道支护设计和施工质量检测的依据，具有较强的针对性和可操作性，试验表明效果明显.致谢感谢国家自然科学基金项目(51374049)的资助！