CN103696787A - 螺纹钢高压注浆锚杆及其加固巷道的支护方法 - Google Patents

Abstract

一种螺纹钢高压注浆锚杆，包括锚杆主体，还包括排气管，锚杆主体外表面设有螺纹，锚杆主体尾端设有弯折，锚杆主体尾部外面焊接有注浆管，锚杆主体外壁固定排气管。应用螺纹钢高压注浆锚杆加固巷道的支护方法，孔网采用梅花型布置，孔网间距小于注浆液体二倍的扩散半径；锚杆孔孔径40～44mm，锚杆孔孔底端位于原岩深度1.2m处，锚杆孔孔深比锚杆主体锚固端深150～200mm；向锚杆孔插入锚杆，使弯折紧贴岩面，用浸泡好的水泥卷挤入锚杆孔孔口将锚杆固定，对巷道进行全断面喷砼，利用锚杆孔采用水泥浆对巷道进行加压注浆。水泥浆加压扩散使巷道围岩松动圈与充填浆体形成一整体承压拱，锚杆的抗拉增加承压拱的抗压强度，限制围岩松动圈进一步扩大。

Description

螺纹钢高压注浆锚杆及其加固巷道的支护方法

技术领域

本发明涉及一种矿井、隧道施工使用的材料，具体涉及一种螺纹钢高压注浆锚杆，本发明还涉及应用螺纹钢高压注浆锚杆加固巷道的支护方法。 

背景技术

在倾斜层状软弱岩体或破碎岩体中及深井开拓时，由于地压增大，造成巷道收敛变形严重。某铜矿井下工程地质揭露及调查结果表明，矿山井下岩性主要以各类凝灰岩、沉凝灰岩、流纹岩、玄武岩等火山碎屑沉积岩及火山岩为主。矿山开拓巷道主要布置在各类凝灰岩、玄武岩中，区内断层构造发育，岩体极其破碎，蚀变破碎带及软弱夹层多见。凝灰岩中的巷道开挖后，初期多呈现沿层理发生片帮冒顶现象，随着暴露时间的延长，巷道四周发生鼓帮及隆地，收敛变形非常严重，甚至造成整个巷道封闭。玄武岩中开挖的巷道，由于节理裂隙极其发育，岩体极其破碎，初期所呈现的破坏特征为巷道顶板塌方，随着时间的推移，巷道两帮开始鼓帮，特别随着开采深度的增加，巷道收敛变形现象表现得更加突出。针对不同岩性，不同时期巷道变形收敛的特点，施工中初期采用了喷锚网支护，中期采用了钢架支护或混凝土支护。但这些支护形式，最后都没有达到预期的效果。支护巷道随着地压的重新分布及释放，造成钢支架变形或混凝土支护层破裂，两帮收敛，最后导致整个巷道报废。 

发明内容

针对矿山软弱及破碎岩体中的巷道破坏特征及现有支护形式无法解决巷道变形乃至整个巷道报废的问题，本发明要解决的技术问题在于提供一种螺纹钢高压注浆锚杆，本发明要解决的另一技术问题在于提供一种应用螺纹钢高压注浆锚杆加固巷道的支护方法，该方法适用于软弱及破碎岩体中的巷道支护，能限制巷道收敛变形的发生，保持开挖巷道稳定性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种螺纹钢高压注浆锚杆，包括锚杆主体，其特征在于：还包括排气管，锚杆主体外表面设有螺纹，锚杆主体尾端设有弯折，锚杆主体尾部外面焊接有注浆管，锚杆主体外壁固定排气管。

弯折与锚杆主体垂直，锚杆主体由螺纹钢筋制作，排气管进气口与锚杆主体锚固端设有间距，注浆管进浆口与弯折之间设有间距。

一种应用螺纹钢高压注浆锚杆加固巷道的支护方法，包括下述步骤：

a、制作螺纹钢高压注浆锚杆

根据巷道变形程度及地压大小选用φ12mm～φ24mm的螺纹钢筋，作为螺纹钢高压注浆锚杆的锚杆主体，根据巷道围岩松动变形范围确定锚杆长度，并确保锚杆长度在锚杆安装完成后伸入原岩的长度不小于1.0m，锚杆长度通常取3.0～5.0m；将锚杆尾端加热弯曲制作成弯折，同时在锚杆尾部焊接钢管作为锚杆注浆管，注浆管长度为500～800mm、直径为φ12mm～φ16mm，在锚杆主体上绑扎φ6mm普通聚乙烯软管，做观察及排气管之用；

b、确定锚杆网孔间距与制作锚杆孔

孔网采用梅花型布置，孔网间距小于注浆液体二倍的扩散半径；采用YT-28型凿岩机施工制作锚杆孔，锚杆孔孔径40～44mm，锚杆孔孔底端位于原岩深度1.2m处，锚杆孔孔深比锚杆主体锚固端深150～200mm；

c、锚杆安装固定及岩面的封闭

安装锚杆之前，对锚杆孔进行验收和清洗；保证锚杆孔内无堵塞，孔深超出锚杆主体锚固端不小于150mm；将高压风管插入锚杆孔内，打开风管阀门采用高压风对全孔进行高压风流清洗；然后向锚杆孔插入制作好的螺纹钢高压注浆锚杆，使锚杆主体尾端设有的弯折紧贴岩面，选用水泥卷锚杆粘结剂作为锚杆安装固定剂，用浸泡好的水泥卷挤入锚杆孔孔口将锚杆固定，锚杆单孔用量1～2卷，堵塞长度200～300mm，完成锚杆安装；而后，用废纸或小木楔堵塞锚杆注浆孔，对巷道进行全断面喷砼，以封闭岩面，砼强度为C20，喷砼厚度为50～100mm；

d、高压注浆

巷道喷砼完成2～3天后，选用2TGT型注浆泵进行高压注浆；根据巷道围岩的破碎及节理裂隙发育程度配置浆体浓度，水泥浆水灰比为W/C=0.3～0.5； 

注浆前，取掉锚杆注浆管口堵塞物，在锚杆注浆管头40～50mm处绑扎400～500mm高压橡胶软管，并将高压橡胶软管与注浆泵上的浆体输送管相连接，开动注浆泵阀门进行注浆，保证螺纹钢高压注浆锚杆排气管畅通，当浆体充满锚杆孔后，排气管就会有浆体连续流出，当排气管流出浆体连续、平稳时，对折锚杆孔外排气管，用细铁丝绑扎，以切断孔内注入浆体流出；此时，注浆泵压力表压力值急剧上升，根据巷道围岩破碎、节理裂隙发育程度，浆体会在一定的压力下进行扩散，此时压力表变化较为平缓，当注浆泵压力表压力上升至4～5Mpa时，维持注浆2～3min后，对折锚杆注浆管上的高压橡胶软管并用铁丝绑扎对折的高压橡胶软管，以阻断注入浆体溢出，同时，关闭注浆泵阀门，注浆完成；注浆过程要求连续加压注浆，切忌间断性注浆。

步骤c所述的水泥卷锚杆粘结剂为商业途径获得的产品，它是八十年代在中、内外矿山广泛使用的一种锚杆粘结剂，它安装方便，粘结速度快，具有一定量的体积膨胀，而且强度高，因而有利于锚固。

本发明应用螺纹钢高压注浆锚杆加固巷道的支护方法，为解决在软弱及破碎岩体中巷道支护提供了一种新的有效的方法，采用螺纹钢材制作锚杆，利用锚杆孔采用水泥浆对巷道进行加压注浆，经过水泥浆加压扩散，最终使巷道围岩松动圈与充填浆体形成一整体承压拱，随着围岩应力的重新分布，利用锚杆的拉应力使形成的承压拱与原岩紧密结合，通过锚杆的抗拉增加承压拱的抗压强度，以限制由于巷道周围应力重新分布及释放造成巷道围岩松动圈进一步扩大，从而达到限制巷道收敛变形的发生，保持开挖巷道稳定性的目的。经在本公司某矿300m水平以下主斜坡道及650m水平上盘沿脉巷道中的使用，取得了很好的效果。

本发明对巷道的加固原理及主要优点如下：

1）渗透浆液在压力作用下，使浆液充填岩石的裂隙，排挤出裂隙及空虚中的自由水和气体，而基本不改变原有岩体结构及体积，对原岩没有破坏，经浆液固化，从而使破碎岩体与浆液形成一个整体，提高了岩体整体抗压强度，使巷道围岩形成抗压强度较高的承压层，达到限制巷道围岩在二次应力作用下，巷道围岩松动圈进一步扩大，从而导致巷道收敛变形的作用。

2）根据岩体节理裂隙发育、破碎情况及渗透浆液在压力作用下的球形和柱形扩散原理，设计锚杆孔网参数，对孔网采用梅花型布置，裂隙破碎愈发育，孔网参数愈大；由于孔网间距小于注浆液体二倍的扩散半径，浆液在压力作用下形成相互叠加，在巷道周围形成浆液充填层，经浆液固化，最后在巷道周围形成拱形岩石浆液固化带，使围岩整体性增强，达到充分利用岩石的抗压强度的目的。

3）本发明提供的螺纹钢高压注浆锚杆充分发挥了螺纹钢的抗拉能力与摩擦力；螺纹钢高压注浆锚杆与现有技术通常使用的管缝式锚杆、楔管式锚杆、螺纹钢水泥卷锚杆相比较：管缝式锚杆为全长摩擦式锚杆，经试验最大拉拔力只有56.9KN；楔管式锚杆最大拉拔力可达到130.8KN；螺纹钢水泥卷锚杆拉拔力与杆体直径有较大关系，φ18mm普通螺纹钢平均锚固力达到104.4KN，平均位移量15mm，大部分破坏形式为上扣处拉断或杆体外露出被拉长变细。而本发明提供的螺纹钢高压注浆锚杆与上述三种锚杆相比，螺纹钢高压注浆锚杆由于浆体固化后与浆体为一整体，螺纹钢与浆体及浆体与孔内岩面接触更为充分，接触面更大，所以，锚杆与固化浆体及固化浆体与孔内岩面的摩擦力更大，与巷道周围固化带整体性更强，抗拉性能更高。

4）本发明提供的螺纹钢高压注浆锚杆具有支护强度高的特性；由于螺纹钢锚杆呈麻花状嵌套在浆体中，不但有一定的摩擦力，而且有较高的内聚力，杆体在外力作用下，向孔口移动时整个浆体均受外力作用，因而其拉拔强度更高。室内试验的拉拔力为386.8KN，其锚固长度为4.0m，平均每米锚固力达到96.7KN，现场试验的拉拔力为144.8KN，平均每米189.2KN。

5）本发明提供的螺纹钢高压注浆锚杆由于采用了排气管措施，锚杆孔内气体排挤更充分，浆液扩散面积更大，注浆更加充分，最终形成的承压拱层较厚，使承压能力得到有效保障。

6）本发明提供的螺纹钢高压注浆锚杆使锚杆，其悬吊和组合梁作用的特性得到更好的发挥；由于锚杆孔有部分孔深布置在原岩中，锚杆最终都生根于原岩，经注浆形成承压拱后，原岩应力再次作用在承压拱上后，通过锚杆最后作用于原岩，从而使螺纹钢高压注浆锚杆的悬吊和组合梁作用得到有效发挥，使承压拱与原岩有效的形成了一个整体，使巷道围岩在应力释放过程中的位移得到了有效限制，达到了有效控制巷道收敛变形的目的。

7）本发明提供的应用螺纹钢高压注浆锚杆加固巷道的支护方法把锚杆支护、注浆支护、喷砼支护进行了有效的结合，不但充分发挥了各种支护方式的优点，同时，经组合的支护方法，产生了独有的更有效的支护效果和特征。本发明提供的应用螺纹钢高压注浆锚杆加固巷道的支护方法，各项工艺、用材和施工简单，有利于大面积使用和推广。

附图说明

图1是本发明螺纹钢高压注浆锚杆的结构示意图，

图2是锚杆与围岩的结构关系示意图，

图3是锚杆孔孔网采用梅花型布置示意图。

图中：1—锚杆主体，101—弯折，2—排气管,3—注浆管，4—捆扎铁丝,5—锚杆孔，6—高压橡胶软管，7—水泥卷锚固段，8—砼层，L—锚杆主体长度，L1—进气口至锚固端间距，L2—进浆口至弯折间距，L3—弯折长度，H—原岩中锚杆孔深度，H1—围岩松动圈的深度，H2—锚固端至锚杆孔底的距离,H3—水泥卷锚固段长度, H4—喷砼厚度,D—孔间距，d—锚杆孔直径。

具体实施方式

产品实施例    如图1所示：一种螺纹钢高压注浆锚杆，包括锚杆主体1，还包括排气管2，锚杆主体1外表面设有螺纹，锚杆主体1尾端设有弯折101，锚杆主体1尾部外面焊接有注浆管3，锚杆主体1外壁通过捆扎铁丝4固定排气管2。弯折101与锚杆主体1垂直，锚杆主体1由螺纹钢筋制作，排气管进气口与锚杆主体锚固端设有进气口至锚固端间距L1,该间距L1通常为200mm，注浆管进浆口与弯折之间设有进浆口至弯折间距L2，该间距通常为200mm。根据巷道变形程度、围岩松动圈的深度H1及围岩压力等，确定选用φ12mm～φ24mm的螺纹钢筋作为锚杆主体1，锚杆长度L通常为3.0 m～5.0m；排气管2为φ6mm的聚乙烯软管；弯折长度L3为150mm。

方法实施例    试验地点选择在某矿山350～300m主斜坡道的施工支护中。该地段主要以玄武岩为主，岩石节理裂隙极其发育，围岩极其破碎，岩体开挖后，用手搬动即可脱落。在350～300m主斜坡道上部，采用喷锚网支护后，巷道发生鼓包，局部发生塌方，中部采用了300mm混凝土砌碹支护，经过一段时间后，顶板混凝土层发生开裂及下沉，大部分巷道帮壁发生整体位移，单侧位移量在300～500mm左右，巷道收敛变形非常严重。据此，经过论证采用本发明螺纹钢高压注浆锚杆进行支护。步骤如下：

a、制作螺纹钢高压注浆锚杆：参见图2，根据已收敛变形巷道二次掘砌实际测量得巷道围岩发生松动的围岩厚度即围岩松动圈H1在1.7m左右，顶板最高可达3.0m。同时，根据岩体声波测试，测得巷道开挖成形后7天的岩体的松动深度0.8m～1.2m，14天后岩体的松动深度1.2m～1.5m，1个月后岩体的松动深度1.8m～2.0m，根据锚杆支护需符合加固岩体松动层的条件，确保锚杆长度在锚杆安装完成后伸入原岩的长度不小于1.0m，使原岩中锚杆孔深度H为1.2m,锚固端至锚杆孔底的距离H2为150mm，最终确定锚杆的最大长度为4.0m，选用φ18m的螺纹钢筋，作为螺纹钢高压注浆锚杆的锚杆主体；将锚杆尾端加热弯曲制作成弯折，同时在锚杆尾部焊接钢管作为锚杆注浆管，注浆管长度为650mm、直径为φ12mm，在锚杆主体上绑扎φ6mm聚乙烯软管，做观察及排气管之用。

b、确定锚杆网孔间距与制作锚杆孔：注浆孔即锚杆孔5的间距受岩石破碎程度影响，由于松动带在巷道断面基本呈对称结构，根据巷道两帮比顶板岩石变形较大等特征，参见图3：最终确定顶板孔网的孔间距D为2m×2m，两帮孔网间距1.5m×1.5m，孔网梅花型形布置；锚杆的方向尽可能垂直岩面，这是由于垂直方向布置有利于发挥锚杆的组合梁作用，最终提高承压层与原岩的整体强度；采用YT-28型气腿式凿岩机施工制作锚杆孔5，孔深和倾角按设计的参数布置，锚杆孔孔径42mm，锚杆孔孔底端位于原岩深度1.2m处，锚固端至锚杆孔底的距离H2为150mm；锚杆孔直径d为42mm。

c、锚杆安装固定及岩面的封闭

安装锚杆之前，对锚杆孔进行验收和清洗；保证锚杆孔内无堵塞，孔深超出锚杆主体锚固端不小于150mm；将高压风管插入锚杆孔内，打开风管阀门采用高压风对全孔进行高压风流清洗；然后向锚杆孔插入制作好的螺纹钢高压注浆锚杆，使锚杆主体尾端设有的弯折紧贴岩面，选用水泥卷锚杆粘结剂作为锚杆安装固定剂，用浸泡好的水泥卷挤入锚杆孔孔口将孔口堵塞并将锚杆固定，锚杆单孔用量1～2卷，水泥卷锚固段7的长度250mm即水泥卷锚固段长度H3为250mm，同时对锚杆尾部注浆管堵塞保护，完成锚杆安装；而后，用废纸或小木楔堵塞锚杆注浆孔，对巷道进行全断面喷砼，以封闭岩面，砼强度为C20，喷砼厚度H4为100mm，在围岩松动层表面形成砼层8；

d、高压注浆

巷道喷砼完成2～3天后，选用2TGT型注浆泵进行高压注浆；根据巷道围岩的破碎及节理裂隙发育程度配置浆体浓度，水泥浆水灰比为W/C=0.45；注浆前，取掉锚杆注浆管口堵塞物，参见图2，在锚杆注浆管头40～50mm处绑扎长400～500mm高压橡胶软管6，并将高压橡胶软管与注浆泵上的浆体输送管相连接，开动注浆泵阀门进行注浆，保证螺纹钢高压注浆锚杆排气管畅通，当浆体充满锚杆孔后，排气管就会有浆体连续流出，当排气管流出浆体连续、平稳时，对折锚杆孔外排气管，用细铁丝绑扎，以切断孔内注入浆体流出；此时，注浆泵压力表压力值急剧上升，根据巷道围岩破碎、节理裂隙发育程度，浆体会在一定的压力下进行扩散，此时压力表变化较为平缓，当注浆泵压力表压力上升至4～5Mpa时，维持注浆2～3min后，对折锚杆注浆管上的高压橡胶软管并用铁丝绑扎对折的高压橡胶软管，以阻断注入浆体溢出，同时，关闭注浆泵阀门，至此，注浆完成；注浆过程要求连续加压注浆，切忌间断性注浆。 

Claims (5)

1.一种螺纹钢高压注浆锚杆，包括锚杆主体，其特征在于：还包括排气管（2），锚杆主体（1）外表面设有螺纹，锚杆主体（1）尾端设有弯折（101），锚杆主体（1）尾部外面焊接有注浆管（3），锚杆主体（1）外壁固定排气管（2）。

2.如权利要求1所述的一种螺纹钢高压注浆锚杆，其特征在于：弯折（101）与锚杆主体（1）垂直。

3.如权利要求1或2所述的一种螺纹钢高压注浆锚杆，其特征在于：锚杆主体（1）由螺纹钢筋制作，排气管进气口与锚杆主体锚固端设有进气口至锚固端间距（L1），注浆管进浆口与弯折之间设有进浆口至弯折间距（L2）。

4.如权利要求3所述的一种螺纹钢高压注浆锚杆，其特征在于：锚杆主体（1）用φ12mm～φ24mm的螺纹钢筋，锚杆长度（L）为3.0 m～5.0m，弯折长度（L3）为150mm，进气口至锚固端间距（L1）为200mm，进浆口至弯折间距（L2）为200mm；排气管（2）为φ6mm的聚乙烯软管。

5.一种应用螺纹钢高压注浆锚杆加固巷道的支护方法，包括下述步骤：

a、制作螺纹钢高压注浆锚杆

根据巷道变形程度及地压大小选用φ12mm～φ24mm的螺纹钢筋，作为螺纹钢高压注浆锚杆的锚杆主体，根据巷道围岩松动变形范围确定锚杆长度，并确保锚杆长度在锚杆安装完成后伸入原岩的长度不小于1.0m，锚固端至锚杆孔底的距离为150mm；锚杆长度通常取3.0～5.0m；将锚杆尾端加热弯曲制作成弯折，同时在锚杆尾部焊接钢管作为锚杆注浆管，注浆管长度为500～800mm、直径为φ12mm～φ16mm，在锚杆主体上绑扎φ6mm普通聚乙烯软管，做观察及排气管之用；

b、确定锚杆网孔间距与制作锚杆孔

孔网采用梅花型布置，孔网间距小于注浆液体二倍的扩散半径；采用YT-28型凿岩机施工制作锚杆孔，锚杆孔孔径40～44mm，锚杆孔孔底端位于原岩深度1.2m处，锚杆孔孔深比锚杆主体锚固端深150～200mm；

c、锚杆安装固定及岩面的封闭

安装锚杆之前，对锚杆孔进行验收和清洗；保证锚杆孔内无堵塞，孔深超出锚杆主体锚固端不小于150mm；将高压风管插入锚杆孔内，打开风管阀门采用高压风对全孔进行高压风流清洗；然后向锚杆孔插入制作好的螺纹钢高压注浆锚杆，使锚杆主体尾端设有的弯折紧贴岩面，选用水泥卷锚杆粘结剂作为锚杆安装固定剂，用浸泡好的水泥卷挤入锚杆孔孔口将锚杆固定，锚杆单孔用量1～2卷，堵塞长度200～300mm，完成锚杆安装；而后，用废纸或小木楔堵塞锚杆注浆孔，对巷道进行全断面喷砼，以封闭岩面，砼强度为C20，喷砼厚度为50～100mm；

d、高压注浆

巷道喷砼完成2～3天后，选用2TGT型注浆泵进行高压注浆；根据巷道围岩的破碎及节理裂隙发育程度配置浆体浓度，水泥浆水灰比为W/C=0.3～0.5；注浆前，取掉锚杆注浆管口堵塞物，在锚杆注浆管头40～50mm处绑扎长400～500mm高压橡胶软管，并将高压橡胶软管与注浆泵上的浆体输送管相连接，开动注浆泵阀门进行注浆，保证螺纹钢高压注浆锚杆排气管畅通，当浆体充满锚杆孔后，排气管就会有浆体连续流出，当排气管流出浆体连续、平稳时，对折锚杆孔外排气管，用细铁丝绑扎，以切断孔内注入浆体流出；此时，注浆泵压力表压力值急剧上升，根据巷道围岩破碎、节理裂隙发育程度，浆体会在一定的压力下进行扩散，此时压力表变化较为平缓，当注浆泵压力表压力上升至4～5Mpa时，维持注浆2～3min后，对折锚杆注浆管上的高压橡胶软管并用铁丝绑扎对折的高压橡胶软管，以阻断注入浆体溢出，同时，关闭注浆泵阀门，注浆完成；注浆过程要求连续加压注浆，切忌间断性注浆。

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