矿用中空注浆锚索Word格式文档下载.docx

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（2）作为搅拌树脂锚固的支护体系，锚索索体直径偏小，不符合合理的“三径”匹配关系，树脂锚固剂固化后形成的环形体厚度达到6mm以上，对锚固力有不利影响。

同时，由于锚索直径偏小，在安装过程中搅拌树脂的效果差，容易因树脂锚固剂包装袋塑料薄膜包裹住钢绞线形成“两层皮”而降低锚索的锚固力，起不到应有的支护作用。

（3）同样由于锚索直径偏小，插入钻孔过程中容易把树脂药卷挤在一侧或者穿过树脂药卷，使树脂锚固剂不能完全到达孔底，或孔底的树脂锚固剂不满，导致锚索的实际锚固位置下移而无法按设计要求锚固到稳定层位中，这样的锚索其有效性、可靠性是可想而知的，相应地，采用这种锚索作为补强加固措施必然会存在严重的安全隐患。

（4）锚索索体偏软，安装时在锚杆机推力作用下容易打弯，而一旦脱出，由于锚索索体弹性大，容易伤人，有时还会因树脂凝固而造成安装失败。

针对国内现有矿用锚索产品存在的缺点和问题，开发高强度注浆锚索及配套施工机具是解决上述问题的有效途径，也是在以厚煤层动压巷道为代表的复杂困难条件下对普通锚杆支护进行补强加固的有效措施。

济南澳科公司在借鉴和吸收国外先进技术的基础上，于近期成功开发了用螺旋肋预应力钢丝制造的用于深孔强力锚注支护体系的中空注浆锚索,具备了推广应用的条件。

2．新型中空注浆锚索研发出发点和支护机理

2.1研发的出发点

（1）把注浆锚固锚索和树脂锚固锚索合二为一，通过二者之间的取长补短，兼有二者的优点，克服它们各自的缺点，形成一种全新的锚索品种；

（2）通过提高注浆压力，使浆液在充满钻孔、实现全长锚固的同时，向钻孔周围岩石裂隙中扩散，对围岩起到粘结固化作用，实现深孔锚注。

2.2支护机理

实践证明，对松动范围和松动程度都比较大的应力集中区巷道围岩进行锚注加固具有很好的效果。

锚注加固的原理是将锚索的支护作用与注浆加固的作用组合起来，共同作用于巷道围岩，通过注浆锚索压注有机或无机浆液，不仅能从根本上保证锚索锚固可靠，而且浆液能够渗透到钻孔周围较大范围的煤岩体中，对出现松动的煤岩体产生粘结固化作用，显著改善其整体性，提高煤岩体的自撑能力，从而大大改善巷道支护效果。

与单纯采用锚杆支护相比，由于锚注支护既通过注浆加固了围岩，又给锚杆锚索提供了可靠的着力基础；

既能有效地提高围岩的自身强度又能改善支护体的支护特性，使围岩承载能力得到显著提高，巷道变形量明显降低，是一种非常好的主动支护形式，它具有强初撑、急增阻、高承载的特性，能够比较好地解决高应力区、断层带附近以及“三软”地层由于巷道围岩松动破碎和大变形引起的锚固力迅速衰减和丧失的难题。

初步的试验数据表明，同样条件下其实际锚固力可比普通锚杆/锚索提高1～3倍，能够有效地控制破碎松动范围和程度都比较大的应力集中区以及“三软”地层巷道围岩的剧烈变形，从而扩大锚杆/锚索支护的适用范围，对于解决应力集中区以及“三软”地层巷道围岩支护问题具有现实意义。

锚注支护机理由内注浆锚索为核心所形成的锚注支护体系，通过注浆改变岩体的力学性能,提高其支护效果，见图1-3。

其支护机理主要包括以下几个方面：

1、采用注浆锚索注浆，可以利用浆液封堵围岩裂隙，隔绝空气，防止围岩风化，且能防止围岩被水浸湿而降低围岩的本身强度。

2、注浆后浆液将松散破碎的围岩胶结成整体，提高了岩体强度和内聚力、内摩擦角及弹性模量，从而提高了岩体强度，可以实现利用围岩本身作为支护结构的一部分；

且与原岩形成一个整体，使巷道保持稳定而不易产生破坏。

3、利用注浆锚杆注浆充填围岩裂隙，配合锚喷支护，可以形成一个多层有效组合拱，即喷网组合拱、锚杆压缩区组合拱及浆液扩散加固拱，从而扩大了支护结构的有效承载范围,提高了支护结构的整体性和承载能力；

4、注浆后使得作用在顶板上的垂直载荷能有效地传递到两帮，通过对帮的加固，又能把荷载传递到底板；

同时由于组合拱厚度的加大，这样又能减小作用在底板上的荷载集中度，从而减小底板岩石中的应力，减弱底板的塑性变形，减轻底臌；

且底板的稳定，有助于两帮的稳定，在底板及两帮稳定的情况下，又能保持顶板的稳定。

3.新型中空注浆锚索

3.1新型中空注浆锚索的组成

新型中空注浆锚索主要由锚索索体、托盘、索具、止浆塞部件组成。

新型中空注浆锚索索体采用高强度螺旋肋预应力钢丝编绞而成。

高强度螺旋肋预应力钢丝是一种新型变形钢丝，其主要特征是将压延拉拔工艺处理后的半成品经过最后一次塑性变形拉拔，使钢丝表面形成3至6条连续状的凸起的螺旋肋，螺旋肋同基圆为一体，共同组成同一个截面的钢丝，也就是说无论多长的钢丝在任一点其截面积都相等。

因此，无论是外形加工方法、材料性能均有光面钢丝、刻痕钢丝和三股钢绞线不可替代的优良特性。

具有强度高、塑性好、松弛值低、伸直性好、与锚固剂的握裹力强等特点。

图3-1所示为高强螺旋肋预应力钢丝外形特写，图3-2为用螺旋肋钢丝制造的新型中空注浆锚索外形特写。

图3-1高强螺旋肋预应力钢丝外形特写

图3-2用螺旋肋钢丝制造的新型中空注浆锚索外形特写

螺旋肋钢丝的特点主要有：

1、良好的锚固性能，合理的外形使钢丝与锚固剂间形成连续的凹凸咬合齿，与锚固剂的握裹力大，从而达到理想的锚固效果。

螺旋肋钢筋不仅具有较高的锚固强度和刚度，且大滑移时仍具有较大承载力（锚固延性好），有利于承受冲击载荷。

螺旋肋钢丝表面凸起的多条螺旋肋与锚固剂咬合齿宽厚且连续不间断，不易破碎、剪断。

挤压面积大，相对肋面积大，劈裂力均匀无方向性，因此早期滑移小而后期大变形时又具有较高的锚固延性。

而一般带肋钢筋横肋咬合齿分散易挤碎切断，大滑移下即失去锚固力，锚固延性差。

关于钢筋外形与锚固性能之间的关系，中国建筑科学研究院和山东省建筑科学研究院曾对冷拔螺旋肋筋钢丝的锚固性能做过试验，通过利用螺旋肋加工的钢绞线锚固力是光面钢绞线锚固力的2.47倍。

2、螺旋肋外表比较合理，虽然钢丝经过拉拔而形成凹凸不平的表面外形，但由于采用连续螺旋肋，肋部面积仍可承受拉力，且螺旋肋可随拉力与基体部分同步变形，钢丝通体横截面相等，横截面积几乎没有任何损失。

而一般带肋钢筋因横肋不能受力，有效面积要损失6%-11%左右。

3、预应力传递长度明显降低。

螺旋肋钢丝因其外形特点具有良好的锚固性，因此预应力传递长度不大于42D，特别适用于施加很高的预应力。

与同等重量、同等横截面积的光面预应力钢丝比较，螺旋肋预应力钢丝凹凸的螺旋肋和放大的外轮廓，加大了钢丝与锚固剂的咬合面积，钢丝所受应力能有效、均匀地分解，提高锚固强度和钢丝的承载能力。

4、松弛值低。

螺旋肋预应力钢丝松弛值一直保持在70%应力状态下其应力损失1.2-1.8%/KH之间，低于世界任何一个国家预应力钢丝标准规定的松弛指标。

5、经过特殊加工，内部晶粒组织也发生相应螺旋状变化。

螺旋肋钢丝的延性、韧性均优于光面钢丝和刻痕预应力钢丝，抗疲劳性能的多次检验均在应力状态80%正弦波实验次数300万次，疲劳后的钢丝试件仍保持屈强比83%以上，延伸、冷弯指标仍在正常钢丝的标准合格范围内。

中空注浆锚索用于锚注支护，其支护效果方面的优越性不言而愈，而采用高强度螺旋肋预应力钢丝为原料开发新型的中空注浆强力锚索，由于高强度螺旋肋预应力钢丝具有前面所述的突出优点，使得新型的中空注浆锚索在支护效果方面的优越性更加显著。

其中，最突出的就是其锚固强度、载荷传递特性和锚固延性较之用钢绞线截割成的锚索有大幅度的提高。

澳大利亚所做的对比试验结果表明，采用高强度螺旋肋预应力钢丝制造锚索的锚固强度比相同直径的用钢绞线截割成的锚索提高15%以上，而锚固延性可提高25%以上，这一结果与前面提到的国内一些研究机构所做的单股螺旋肋钢丝与其它钢丝的对比结果也是基本一致的。

图3-3所示为用螺旋肋钢丝制造的新型中空注浆锚索。

图3-4所示为中空注浆锚索现场使用情况。

图3-3新型中空注浆锚索外观

图3-4中空注浆锚索现场使用情况

同以往的注浆锚索相比，新型中空注浆锚索有以下优点：

1、锚索索体为新型中空结构，自带注浆芯管，采用反向注浆方式，不仅消除了产生气穴空洞的可能，保证锚固浆液充满钻孔，而且省去了排气管和注浆管专用接头（直接利用螺纹锁紧机构作为注浆管接头），也无须在现场绑匝注浆管、排气管以及封堵注浆孔，使施工步骤大为简化；

2、索体上部为搅拌树脂药卷端锚，下端采用螺纹锁紧，安装后能立即承载，这一点是现有的各种注浆锚索产品均无法作到的，而对于自稳能力差的顶板岩层又是非常有利和必要的；

3、采用螺纹锁紧方式，锁紧机构工作可靠，不会打滑，不会产生火花，对井下潮湿、淋水环境的适应性是采用夹片式锚具锁紧方式所无法比拟的；

锚索的安装、预紧方式与树脂锚杆完全相同，取消了张拉工序，不但能实现搅拌、张紧一体化快速安装，而且使锚索与锚杆能同步承载，形成整体支护作用；

4、索体及锁紧机构采用新型结构，在保证注浆通径的前提下，使索体直径达到最小化，所需安装孔径小，实现了小孔径、大吨位，索体结构本身满足高压注浆的要求，可以实现锚注结合；

5、由于安装后能立即承载，因此注浆可以安排在迎头后方一定距离将一定范围的锚索一次注完，因此施工非常便利；

6、螺纹锁紧机构具有调心功能，锚索外露长度小且均匀一致，不影响巷道有效高度。

3.2新型中空注浆锚索技术参数

（1）钢丝公称直径：

6.0mm

（2）锚索索体直径；

Ø

22mm

（3）长度：

8000mm

（4）安装孔径：

32mm

（5）强度及破断力：

强度1760Mpa，破断力≥420KN

（6）树脂锚固长度：

1000～1500mm

（7）中空注浆管规格：

内径Ø

7.5mm外径Ø

10mm

（8）注浆压力：

≥5.0MPa，最大7.0MPa

4.注浆添加剂

4.1使用注浆添加剂的必要性

以往“锚注”加固注浆料普遍采用水泥净浆，虽然具有材料来源广、价格低廉等优点，但从水泥特性和现场应用中发现水泥净浆存在以下问题：

（1）水灰比太高，大大降低了其强度。

水泥水化所需的用水量为水泥重量的15%～25%，为了便于注浆现场施工时用水量为水泥重量的50%～60%，在水泥硬化后多余的水在水泥石中形成大量的孔隙和气泡，导致水泥硬化后强度下降。

（2）水泥硬化过程中具有一定的干缩性，并在内部产生微裂隙，不利于提高加固围岩的整体强度。

（3）流动性和可泵性差，注浆阻力大。

（4）稳定性较差，容易离析和沉淀。

（5）水泥颗粒度大，使浆液难以注入细小裂隙或孔隙中，扩散半径小。

（6）凝结时间不易控制，结石率低。

因此为了适应各种不同工程的需要，可在浆液中加入不同的添加剂，以降低成本和满足单一浆液不能实现的性能，可以采用有机和无机复合材料来改善水泥浆的性质。

为此济南澳科矿山工程技术有限公司在山东建材设计研究院的协助下，针对煤矿井下锚注加固使用环境开发了ACZ—Ⅰ型水泥注浆添加剂，其主要用途是在对围岩进行锚注加固时对水泥基注浆材料起到减水、增塑、增强、微膨胀作用，克服目前水泥浆水灰比高、强度低、硬化收缩、泵送阻力大、稳定性较差等问题。

将ACZ—Ⅰ型水泥注浆添加剂按一定比例加入到525#水泥中配成锚注加固注浆材料可以大大改善锚注加固的效果，按水灰比0.5：

1，在锚固长度仅为300mm的情况下，拉拔力可达到110kN，比净浆提高了2倍多。

目前，ACZ—Ⅰ型水泥注浆添加剂实际使用量已经达到100吨。

除兖矿集团外，在鹤岗、开滦、淮北、等矿区以及一些地方矿得到实际应用。

4.2ACZ—Ⅰ型水泥注浆添加剂特性

水泥注浆添加剂是由多种有机和无机成分复合而成的，包括早强剂、超塑化剂、微膨胀成份等，使水泥基锚注加固注浆材料具有较好的早强与高强、自流态、微膨胀和耐久性等优良性能，从而大大改善锚注加固的效果。

（1）早强、高强特性

为了使锚注加固中的中空注浆锚杆或注浆锚索能够尽快地形成锚固力，以便及时对围岩产生加固作用，同时使浆液对破碎围岩尽快起到粘结固化作用，一般希望锚注加固注浆材料有较高的早期强度，强度上得越快越好，即希望终凝时间尽可能的短。

但是初凝时间又不宜过短，过短时易造成拌合物流动性降低而影响施工操作和压注质量。

ACZ—Ⅰ型水泥注浆添加剂针对井下使用环境，经过大量的对比试验确定了合理的早强剂含量指标，在保证浆液有良好的流动性的前提下，使得1d强度最高可达25MPa以上，注浆锚杆或锚索安装完毕1d后即可承载。

（2）自流态特性

ACZ—Ⅰ型水泥注浆添加剂中包含超塑化剂使得水泥浆体具有高流态性能，从而使水泥注浆料具有自密实性能，靠泵注便可填充锚孔全部间隙。

其塑化原理是：

影响水泥浆体流动性是它浓稠的分散体系，在其中的分散相——水泥颗粒具有相当大的比表面积，即具有较大的界面自由能，要降低它，就需从溶液中吸收种种物质。

超塑化剂之类的有机化合物一经吸附到水泥颗粒表面，便形成双电层，电位发生变化，颗粒间静电斥力作用，使颗粒趋向分散而难以凝聚，释放出凝聚结构中的水，达到减水或增大流动的作用.但分散体系中的水泥颗粒众多，颗粒之间还受到范德华引力的作用，使水泥颗粒趋向凝聚。

因此，两个颗粒之间的总电位V总由静电斥力电位VR和范德华引力电位VA构成。

V总=VR+VA，胶体粒子周围的双电层斥力电位，由于Ka≥1，即从电层的厚度1/K与颗粒半径r相比可以忽略不计。

当粒子间距较大或较小时，粒子以相互吸引为主，范德华引力占主导.在中间状态时，则要考虑斥力和吸力的共同作用.在总的电位能曲线上有两个极小值，较深的一个称作第一极小值，较浅的称作第二极小值，表明了粒子间距较大或较小时，范德华引力占优势，在总的电位能曲线上，还有一个极大值Vb称作位能势垒。

粒子布朗运动平均位能为1.5kT，溶胶粒子热运动能量与位能曲线上两个极小值和位能势垒的大小相比较，如果位能势垒比热运动能小，即Vb＜1.5kT，或者由于固体表面电位ψ比较低，或电解质浓度ε比较小，或哈马克常数H比较大等各种原因，而使总电位能曲线上没有位能势垒，由于吸引力，胶粒就要互相粘结，直到第一极小值，此时发生胶结聚结。

加入表面活性物质的超塑化剂后，由于超塑化剂含有可电离的基团，水泥颗粒间双电位斥力增加；

超塑化剂含有吸附层使哈马克常数大大地减小，导致水泥颗粒间范德华引力减弱；

超塑化剂大分子物质吸附在水泥颗粒表面，高分子链伸入到介质中，引起这些键之间的相互作用，同时伴随着熵的减少，则斥力位能VR增加，总的位能V总升高，因而位能势垒也增加，使水泥颗粒间要达到凝聚，必须克服更高的位能势垒，因而在相当长的时间内保持稳定的分散状态，从而使得水泥浆体具有流动性能。

（3）微膨胀性

ACZ—Ⅰ型水泥注浆添加剂中包含有微膨胀成份，可以补偿收缩，将ACZ—Ⅰ型水泥注浆添加剂加入到水泥中，加水拌和后生成大量膨胀性结晶水化物，即钙矾石，使水泥基注浆浆料产生适度膨胀，在整个锚固体系中建立0.2～0.7MPa预应力，这一预应力可抵消注浆浆料在硬化过程中产生的收缩拉应力，以保证注浆材料固化后与锚孔孔壁以及锚杆或锚索之间产生主动结合，从而防止注浆浆料收缩开裂，使水泥注浆材料机体内部结构更加致密，改善了注浆浆料机体的孔结构，大孔数量降低，总孔隙率减少，注浆材料固化后的机体抗渗性大大提高。

4.3ACZ—Ⅰ型水泥注浆添加剂主要技术指标

外观：

砖红色粉末

膨胀率：

0.5～0.8％

1d抗压强度：

25MPa

28d抗压强度：

72MPa

添加量占水泥量8％

采用防潮包装，对锚杆金属杆体（钢筋）无锈蚀，无毒，无污染。

重量：

20kg/袋

5.注浆泵

5.1注浆泵的组成

注浆泵是安装注浆锚索使用的主要设备之一。

注浆系统在施工中的选型要根据工程要求考虑注浆压力、注浆流量、材料性能、动力选择、安全性能和施工地点的空间大小等因素。

针对煤矿井下施工特点和要求，济南澳科矿山工程技术有限公司开发MG—150型风动注浆设备，具有体积小、风动安全、使用方便、便于运输等特点。

采用风动搅拌设备，每套搅拌设备由一个搅拌机和一个搅拌桶组成，如图5-1所示。

搅拌机放置在搅拌桶上面，搅拌桶的侧面是一个底部与搅拌桶连通的方形筒,注浆泵吸浆口即插入该方形筒内。

这种安装配合非常便于操作和注浆完成以后整套设备的冲洗。

图5-1注浆系统实物照片

5.2注浆泵的技术参数

气源压力：

0.5～0.63MPa

气缸直径：

φ150mm

输出压力：

11MPa

出浆量：

60lpm

耗气量：

50m3/h

17.1Kg

6．新型中空注浆锚索的施工

6.1施工准备要求

根据结构和用途在中空注浆锚索运输过程中，应满足以下要求：

（1）在装卸车过程中，应小心轻放，以免损坏锚索尾部，影响注浆。

（2）在运输过程中应保持锚索表面清洁，避免锚索粘满泥、灰、煤粉、油和水影响锚索与树脂和注浆液体的粘结效果，避免杂质堵塞锚索出浆口。

（3）锚索可以适当弯曲，但弯曲半径不能小于1500mm，弯曲半径太小容易造成锚索注浆管折曲、变形，在注浆过程中形成大的阻力。

（4）在施工现场，准备好必备的工具，长螺丝刀、扳手、管钳、钢丝刷、棉纱等工具材料要备足，以备不时之需。

同时巷道迎头以及低洼处中设积水水窝，并配排水泵将施工用水以及围岩出水集中外排，作到用水必管、有水必排。

6.2钻注浆锚索孔

使用单体顶板锚杆钻机和支腿式帮锚杆钻机按设计位置钻顶板和帮锚索孔。

孔径为：

Φ32mm。

按照设计要求掘进出毛断面后，要求采取有效的临时支护措施，保证迎头施工作业安全，钻孔按锚索孔施工技术要求进行。

钻孔时应注意：

帮或顶较破碎的地方，要将碎体放下来，清理出打孔位置，这样做也是为了便于封孔和控制打孔深度。

拱顶锚索必须紧靠迎头安装；

两帮锚索原则上应尽可能靠近迎头，考虑到迎头堆渣，允许适当滞后，一般按滞后迎头2个排距掌握。

钻取锚索孔要求先顶板后两帮，顶板先中间后两边，两帮由上至下的顺序进行。

6.3安装注浆锚索及封孔

在安装中空注浆锚索时，先放一卷MSCK2835树脂锚固剂，再放1支MSZ2835中速树脂药卷用中空锚索徐徐推入钻孔，在距锚索尾部1.0米处缠绕包装布或面纱，然后用锚杆机进行搅拌，之后装上锥形橡胶止浆塞（锥头向里）与托盘，再旋转尾部螺母进行封孔和张拉预紧。

钻孔时，如果围岩比较破碎，容易导致钻孔孔口处形成喇叭口，这时需要用纱布配合锥形橡胶止浆塞，以保证注浆质量。

封孔质量得好坏会直接影响到注浆效果，因此一定要封好孔。

严格控制锚索孔的排距、角度和深度，完成锚索的锚固后，等待30min左右达到锚固强度后，再进行锚索的张拉和固定，锚索安装后30分钟张拉至预紧力不低于10吨，且各个锚索的预紧力应保持均匀一致，中空注浆锚索安装步骤按澳科公司的产品使用说明执行。

安装不合格或注浆失败的锚索需及时在其周围补打合格的锚索；

铺设钢筋网时，要对称布置，保证钢筋网的两端紧贴岩面，用锚索托盘和螺母将钢筋网压住，施加一定的预应力；

6.4配料

首先用清水将搅拌桶冲洗干净，严禁桶内有杂物、硬块等；

严禁使用在井下长期存放后的水泥，严禁使用结块水泥，且保证水泥内部不能混入砂子、岩块等杂物。

仔细检查注浆设备及连接管路，有隐患禁止开机。

根据一次注浆孔的数量确定水量，向搅拌桶内注入清水，向桶内加入#425水泥，边加入边搅拌。

水泥须慢慢加入，并不断搅拌，水灰比为1：

2，避免大量水泥到入桶内，影响搅拌质量和效果。

（此步骤需要先加水再加水泥）。

同时加入8%的ACZ—I注浆添加剂。

严格按照水泥搅拌机操作规程操作，以防发生意外！

按规定的水灰比配好浆液，搅拌均匀，使水泥水化后即可注浆。

根据现场实际情况配料，避免出现注浆孔还未注满就没料可注或者配料过多而用不完等情况发生。

6.5注浆

对锚索进行注浆的时机非常关键，过早、过迟都会影响到总体效果，必须按规定的时机进行全长高压注浆锚注。

锚索锚注时间由澳科公司专业技术人员根据现场条件和窥视仪观测情况确定。

检查与注浆泵连接的注浆管和注浆头是否畅通。

启动注浆泵进行注浆，注浆速度要缓慢，不可一次就把注浆阀门开到最大；

边搅拌边注浆，以防浆液发生沉淀。

注浆注满后，可关闭注浆泵，等待2～3分钟再注浆，直至再次注满。

及时将锚索后注浆口用螺丝堵上，否则会流出浆液。

注浆过程中每个钻孔应一次性注满，若中途停滞，可能会堵塞注浆管。