自钻式锚杆新发展

1、自钻式锚杆技术新发展摘要：采用泵送水泥浆至锚头的自钻式锚杆已成功在隧道和民用工程中使用很多年了，泵送水泥浆所能提供的优势在于，自钻式锚杆能完全封住承载空间，包括锚杆孔周围的裂隙和空洞。但是水泥浆不能满足煤矿工业即时承载的要求。本文描述采用泵送锚固剂到锚杆钻孔内的一种新型自钻式锚杆系统。它不仅具有泵送锚固剂系统的所有优势，同样能满足煤矿工业顶板与锚杆即时支护要求。本文进一步说明自钻式锚杆技术的最新进展，包括：（1）自钻式锚杆延伸，其在安装期间可以延伸近一倍长度，特别适用于薄煤层和支护高度低。（2）预紧自钻式锚杆，可以在安装过程中，提供预紧式载荷。这种新式自钻式锚杆系统不仅在围岩支护可以提供相当大

2、优势，同样可以提供生产效率。简介煤矿工业一直在努力寻求一种更有效的巷道顶板和帮部的支护方法。在最近50年里，锚杆支护被证明是地下工程支护最重要的改进之一。世界范围内地下采矿工业几乎都采用锚杆支护方式，也有许多不同样式的锚杆。锚杆传统上都是采用钢铁或玻璃纤维制造，用一种可摩擦的锚固装置锚固到钻孔中，诸如：扩张外壳装置、水泥浆或者化学树脂。可摩擦锚固锚杆被广泛使用于澳大利亚金属采矿业，主要用于临时支护，它们同样用于与树脂锚固锚杆相关联的需要长期支护的地方，树脂锚固锚杆被用于煤矿工业中。可摩擦锚固锚杆能提供即时承载，但是它们的载荷转移能力相对于树枝或水泥锚固锚杆还是差的。除此之外可摩擦锚固相比树脂或

3、水泥锚固锚杆更容易被腐蚀。树脂锚固锚杆通常使用一个包含胶泥和催化剂的塑料树脂卷，两者用很薄的塑料膜分隔开，树脂卷在锚杆之前被塞入钻孔中，锚杆与树脂锚固卷一起被推入孔底，然后锚杆捅破树脂药卷，旋转搅拌混合胶泥和催化剂，树脂混合物就会缠绕、凝固和硬化在孔中锚杆的锚固端，由于混合树脂通常会在60s内硬化，这些树脂锚固了的锚杆将发挥作用和提供顶板即时支护。TOOSPEEDIER树脂胶囊被使用时，它通常会在15s内凝固。尽管如此，用树脂药卷锚固的锚杆有一个非常明显的缺点，就是需要耗费人力和有好多安装步骤，诸如手动钻孔、安装锚杆和锚固剂。相比而言，用水泥浆锚固的锚杆就不需要锚固药卷，这种锚杆通常是中空的，

4、水泥浆通过锚杆被泵送进去钻孔，也是采用自钻式锚杆，中空锚杆前端有一个钻头，在打钻作业时水可以通过中空结构泵送进去。待到钻孔完成，水泥浆软管接头被拧到锚杆尾部，用水泥浆填充锚杆和钻孔。这个系统通常被使用在隧道行业中，可以提前完全封闭锚杆，尽管如此，水泥浆锚杆有一个缺点就是不能即时承载，和需要相当大的手动操作去连接和拆除注浆装置。确切地说，这涉及到两阶段过程，注浆队伍不得不返回施工。本文介绍一种采用可泵送树脂注浆的新式自钻式锚杆系统，它具有提高即时承载的优势，能够完全封闭锚杆，即使是破碎或离层的岩体力，这种新式自钻式锚杆系统可以更快地安装和减小人工操作以改善安全和采矿效率。水泥浆自钻式锚杆目前世界

5、上有近18种自钻式锚杆，大部分的设计都是用来泵送水泥浆，它们通常由外带粗螺纹中空杆体或管子，以改善浆液压力传递特性，和锚杆前端的钻头组成，粗螺纹常常在锚杆尾端附着螺母，以便紧固托盘。在操作时，锚杆尾端拧进一个用车床加工的母丝套筒内，然后将锚杆旋转着钻进钻孔内，丝筒能够密封水以便使水在打孔过程中通过锚杆。一旦钻孔完成，水接头附件应从锚杆尾部拧下，接上注浆接头，水泥浆就会泵进锚杆，填满钻孔和完全封住锚杆，一旦水泥浆注浆完成，注浆接头也应从锚杆拧下，浆液就会被保留，然后凝固、硬化。一般而言，水泥浆应该留下凝固超过一夜，然后将托盘和螺母配上锚杆，螺母应对着岩面张拉紧固。水泥浆自钻式锚杆对于隧道行业有很

6、大的优势，但是这要求比较大的施工量。通常在采矿业，水泥浆锚杆应用在岩层移动课题上，使他们注浆非常困难，通常也不会再去注浆。可摩擦锚固锚杆另外，许多制造商也利用可摩擦锚固端改良自钻式锚杆，这种锚杆就是锚固钻孔中锚杆头端，这种自钻式锚杆通常由在锚杆头部带张拉壳锚固端的中空杆体或管子，和锚杆张拉壳前端的钻头组成，锚杆通常在前端有螺纹段，在螺纹段有螺母用于张拉，螺母最初用剪力销子或其他破坏设备被固定在螺纹上。在操作时，锚杆连同被剪力销子固定在螺纹上的螺母一起随着钻机旋转的方向旋转，由于前端的钻头一起跟着旋转，并钻出钻孔，一旦钻孔被钻到全长了，锚杆的旋转成为反向了，张拉壳装置就会延伸和锚固住钻孔中锚杆的

7、前端，锚杆将旋转直到张拉壳不能再延伸，螺母进一步的旋转将会导致剪力销子或其他破坏设备装置失效。这会使螺母沿着锚杆螺纹前进和对着岩面张拉锚杆，通过中空结构，锚杆会被泵入的水泥浆完全封闭。可摩擦锚固锚杆有着能够即时承载的优势，也能完全被水泥浆所封闭，但是，有一个缺点就是张拉壳常常会被拧到锚杆前端去，导致锚杆直径增加明显，这样就需要钻一个大一点的钻孔与张拉壳匹配，反过来也形成了一个大的环形空间不得不填充水泥浆以提供好的顶板支护。如果在钻孔过程中，张拉壳被破坏了，锚固端也同样没用了。另外，如果在锚杆安装后几天或几星期再注浆，顶板移动可能已经发生。最后，如果张拉装置仅仅是用来锚固锚杆的话，顶板支护系统将

8、是非常差的，支护情况取决于钻孔内岩石强度和完整性。采用树脂药卷的自钻式锚杆为了克服上述水泥浆锚固自钻式锚杆和张拉壳锚固的一些弊端，研究者提出来采用树脂药卷锚固的自钻式锚杆概念。值得一提的是，Hilti改进了一种自钻式锚杆，它的中空结构中包含树脂药卷，再将它放入更大直径的钢管中。在操作时，通过外管与内管之间空间将水泵入钻孔，然后高压水将树脂推出内管，封闭锚杆，树脂通过一个静态混合器流出锚杆前端，沿着锚杆外缘的环形空间流下。这个系统的优势就是锚杆采用树脂锚固，可以即时承载和通常可以实现全锚，这套系统可以提供足够高的载荷转移能力，因为相对于外部空间，它具有更大直径的管子，这个系统的最新进展是双速树脂

9、药卷的应用，锚固前端周围的树脂最先凝固，优先于锚固稍下部分的树脂凝固，提供预紧载荷。尽管如此，这个系统的缺点是树脂药卷包含在锚杆内部。这就意味着锚杆必须冷冻运输和保存以保持干燥，另外双管设计形式和锚杆直径必然导致相比其他锚杆更沉，而且，锚杆中树脂量是有限的，如果锚杆安装在断层、高应力环境中，全封闭是不可能的，与内部装有树脂药卷的大直径相匹配而增加的锚杆直径也会显著增加锚杆重量，也会导致更多水流量，尽管如此，采用树脂药卷的自钻式锚杆在许多条件下应用还是很好的。采用泵入树脂的自钻式锚杆采用泵入树脂的自钻式锚杆概念已经被提出好多年了，因为它在地下控制和生产效率上具有显著优势的潜力，对于自钻式锚杆，它

10、的基本优势就是可以自己钻孔，锚杆和锚杆孔，包括裂隙和离层，都会被注入可以快速凝固、硬化和锚固钻孔中自钻式锚杆的树脂，但是这种理念转换到现实中仍有很多工程上的需要考虑的挑战。自钻式锚杆的设计标准必须满足减少人工操作和增加采矿效率要求，相比普通锚杆，它必须可以改进井下支护特性，另外，树脂必须具有可泵性，然后快速凝固、硬化去锚固钻孔中的锚杆。在改进泵入树脂的自钻式锚杆过程中所遇到的主要问题之一就是泵入聚酯纤维树脂本身，聚酯纤维树脂胶泥在普通树脂药卷中是厚的和粘稠的，在澳大利亚通常粘稠度在60000厘泊，在美国要达到300000厘泊甚至更多，最初树脂改进的焦点聚集在聚酯纤维的粘稠度上，以更适合注浆使用

11、，小于10000厘泊粘稠度的聚酯纤维已经被开发出来了。尽管如此，聚酯纤维树脂胶泥包含两部分：胶泥树脂部分和催化剂部分，这两部分都需要按照正确的比例进行配比，达到所要求的凝胶时间和强度。通常胶泥部分和催化剂部分都用碳酸钙颗粒填充作为组分，这些组分将会导致明显的泵送和磨损问题，以致使开发一种可靠的树脂泵送系统变得困难。新型低粘稠度树脂：Carbothix诸多改进工作后，更低粘稠度的聚酯纤维树脂都发现出现太多问题，Minova终于开发出了适用于自钻式锚杆工程的新型树脂。这种新型树脂就是Carbothix，它由两部分组成：甲基二异氰酸酯和硅酸盐树脂，不包含任何颗粒填充料，但是它却具有普通树脂药卷中聚酯

12、纤维相近的强度，Carbothix具有很低的粘稠度，不到400厘泊（与液压油相似）材料特性见图1。低粘稠度可以使树脂泵入微小的裂隙中，完全封闭住钻孔中的锚杆（图1b）。Carbothix可以被长距离泵送，Minova曾经在德国泵送过1.25英里（2.1km）距离。而且这种树脂不仅可以泵送填满钻孔，同样可以封住托盘，保证全封闭，固定住锚网位置，如图1c所示。图1新型低粘稠度树脂：Carbothix（a）Carbothix具有和液压油一样低的粘稠度（b）锚杆横截面显示锚杆内外部均被封闭了（c）可泵树脂可用来加固托盘确保全封闭最后，一种新型注浆和阀门系统被开发出来，完成三项工作：（1）在打钻期间使水

13、顺利泵入锚杆；（2）在注浆工序中，两种独立组分能被泵入锚杆中；（3）在冲洗工序中，能够注入水。自钻式锚杆设计采用注入树脂的自钻式锚杆基本设计包含一根中空钢管，在它外表面带有粗的、冷轧螺纹，以提供高载荷转移能力，在锚杆后端头上有一段与螺母匹配的细的、有斜度的螺纹，锚杆前端头上有一个一体的钻头，杆体横截面被设计成可提供高达接近38吨张拉强度，直径1.187英寸（30mm），其强度达到16lbs/6-ft（计7.26KN/1.87m）。与泵入水泥浆的自钻式锚杆是相似的。尽管如此，为满足注入树脂要求，自钻式锚杆必须能够适应和液压密封住能够泵入打孔用水及化学树脂两个组分进入锚杆的外连注浆机。另外，无论是

14、打孔旋转还是锚杆锚固好期间，锚杆必须都能液压密封住注浆机。也就是说，锚杆必须保证化学树脂两组分完全分开直至进入锚杆内部，只有这样，树脂才不会阻塞外连注浆机。采用注入树脂的自钻式锚杆基本设计见图2。图2 采用泵入树脂的标准自钻式锚杆基本设计布局采用注入树脂的自钻式锚杆安装工序图3 采用泵入树脂的标准自钻式锚杆安装工序（1）锚杆顶住顶板增加轴向推力（2）锚杆旋转，打开水，开始钻孔（3）钻孔完毕，继续打开水流冲洗钻孔（4）钻孔完成，卸下钻机，关闭水管（5）打开树脂泵，树脂自上而下填充钻孔和裂隙（6）继续注浆直到钻孔和裂隙中充满树脂（7）树脂固化和凝固，上紧螺母安装工序见图3。通常锚杆安装直径为1.3

15、8英寸（35mm）。首先锚杆放到作为注浆口的钻孔位置，钻机以右手方向旋转锚杆，钻孔打出过程中，水通过锚杆泵入钻孔，当钻孔完成时，停掉钻机和水流，打开树脂注浆泵。树脂两个组分会在锚杆中汇合，然后通过内部静态混合器混合。混合好的树脂被泵入锚杆中间孔中，在锚杆外部周围环形空间中回流。一旦树脂被静态混合器混合了，它就会变厚和在5s内粘稠度增加，从锚杆中流出的速度就会变慢，在树脂沿着钻孔回流下来时，同样树脂也会流入钻孔周围的裂隙、空隙中，接下来它就会凝固和硬化以防止无限制的流入裂隙中，不停注入树脂直到从空口处看到树脂流出，这时将注浆机关掉。树脂的凝胶时间基本上是与注树脂的时间是相等的。以便一旦注浆完成，

16、螺母可以以右手方向旋转上紧托盘，螺母通常要上紧直到钻机达到最大钻矩，当螺母上紧后，钻具卸下，注浆器拆下来，以确保锚杆尾端清洁。这就完成了采用注入树脂的自钻式锚杆的安装工序。整个锚杆的安装时间接近60s。注入树脂的预紧自钻式锚杆澳大利亚所有煤矿普通张拉螺纹钢锚杆都使用双速树脂药卷，以使锚杆实现预紧载荷，双速树脂药卷也同样被美国采用替代分离式快慢速树脂药卷，所以，客户通常更喜欢使用预紧式锚杆，类型取决于支护要求和地下控制条件。上述的注树脂的自钻式锚杆不是预紧式锚杆，而是全封闭式销子。尽管如此，螺母仍能锁紧托盘和锚网，支护住岩面。为了满足客户要求，采用注树脂的预紧自钻式锚杆，就像上述描述的那样，已经

17、开发出来了。要想预紧任何锚杆，就必须在钻孔中锚固锚杆的前端头，和对锚杆尾端的螺母提供张拉力，以使其对岩面的支护提供主动载荷。锚杆其余长度可以在钻孔中锚固。预紧锚杆可以采用以下方法：l 采用一卷快/慢树脂药卷，使孔底的树脂初步锚固住锚杆，以便螺母可以预紧岩面。然后锚杆其余部分用慢速树脂药卷锚固，凝固、硬化。l 采用张拉壳锚固锚杆前端，这样前端可以初步锚固在孔底和螺母也可以预紧。然后锚杆就可以采用水泥或树脂全封闭了。预紧式自钻式锚杆采用后一种模式来预紧锚杆，利用新型、较细张拉壳锚固头来锚固钻孔中自钻式锚杆的前端，这种新型张拉壳与锚杆整体直径是一样的，允许它匹配自钻式锚杆标准的钻孔尺寸，预紧自钻式锚

18、杆的基本设计见图4。图4 预紧自钻式锚杆基本设计布局采用注树脂的预紧自钻式锚杆的安装工序图5 采用注树脂的预紧自钻式锚杆的安装工序（1）锚杆顶住顶板增加轴向推力（2）锚杆旋转，打开水，开始钻孔（3）钻孔完毕，继续打开水流冲洗钻孔（4）钻孔完成，卸下钻机，关闭水管（5）螺母反向旋转张拉摩擦锚固端（6）锚固端固定住后继续旋转螺母使其贴紧岩面（7）打开树脂泵，树脂自上而下填充钻孔和裂隙但不需等待树脂固化钻孔工序与上述自钻式锚杆标准钻孔方式是相同的。完整安装步骤见图5。钻孔完成后，锚杆卡盘就会被逆转，这会引起孔底张拉壳膨胀和锚固住锚杆前端，锚杆继续旋转，直到张拉壳不再膨胀，螺母的进一步旋转就会使得剪力

19、销子或其他螺母破坏装置失效，这样螺母就能够张拉紧锁住岩面了。一旦螺母被锁紧了，在锚固端和岩面之间锚杆就会产生张拉力，相应地提供对岩面的积极载荷。将树脂泵打开，锚杆和钻孔都会被树脂封闭住。钻孔填充满了之后注浆停止，锚杆卡盘从锚杆上卸下同时停水。不需要等待预紧锚杆上的树脂凝固和硬化，因为锚杆已经被钻孔中的张拉壳锚固住了。这样就完成了采用注树脂的预紧自钻式锚杆的安装流程了，整个流程大约需要60s时间。采用注树脂的可延自钻式锚杆对于自钻式锚杆技术的其他新型改进之一就是可延自钻式锚杆。对于采矿工程师和地质工程师来说，锚杆应用的主要限制之一就是巷道高度。提供更长顶板或帮部支护的仅有现实途径就是应用锚索或采

20、用双杆锚杆，但是锚索和双杆锚杆都需要考虑人工操作和安装时间，所以，它们都不会安装在工作面中，否则它们会减慢成巷速度。需要比煤矿巷道高度更长的自钻式锚杆的研制工作就摆在了面前。如果成功了的话，它将不仅节省了安装时间，同样更加了薄煤层煤矿的效益。图6 步骤1的可延锚杆原理图7 步骤2的可延锚杆原理图8 步骤3的可延锚杆原理图9 步骤4的可延锚杆原理所以，可延自钻式锚杆研制出来了，这种锚杆的基本设计就是采用了一根可以从外管拧出的内管。它的基本原理见图6，从中可以看出，如果内管旋转的话，外管仍会静止，然后内管将会从外管中拧出，整个组件都将加长。如果外管贴紧岩面，就像图7所示那样，它将不会旋转，内管就会

21、被拧出。如果现在内管和外管共同组成可延锚杆的部分，就像图8所示，如果外管前端有一个钻头，钻头将会阻止外管旋转，然后内管旋转的话，整个组件就加长了。钻机上的钻头卡盘通常旋转内管，如果钻头卡盘固定住，不能上下移动，就像图9那样，那么钻头卡盘与岩面之间的距离将不会变。如果内管旋转，它将会拧出外管。尽管如此，内管从外管拧出的唯一途径就是使整体锚杆的长度增加，但是那是不可能的，因为钻头卡盘与岩面之间的距离被固定住了。所以，内管的旋转强迫外管也相应地旋转，图9就显示了当外管旋转时，钻头就会对岩面旋转，开始钻孔。，只有钻孔出来了，整体锚杆长度增加了，内管才能从外管中拧出。实际应用中，内管与外管之间的螺纹连接

22、套通常以300-500rpm速度交替着锁定和拧松，因为钻机是不停地旋转的，锁定和拧松也在高速地发生转换，需要松开和延伸锚杆的旋转也就看不出来了。可延锚杆的设计就是使操作者可以看到外管从内管中移处，就像内管从外管中拧松一样，见图9。一旦内管拧到内部螺纹终止部位，钻头卡盘就会从锁定部位释放出来，轴向推力将可延锚杆全长推入钻孔。当可延锚杆钻出钻孔后，打开树脂注浆泵，锚杆就会被树脂全部封闭。在可延锚杆尾端的螺母这是就可按照正常程序张拉紧。可延锚杆的完整安装步骤见图10。可延锚杆从原本短长部分加上可延部分几乎是自身两倍长度，可应用于薄煤层、帮部支护以及交叉点支护。图10 采用注树脂的可延自钻式锚杆安装工序（1）锚杆顶住顶板增加轴向推力,钻头卡盘锁定在固定位置（2）锚杆旋转，打开水，开始钻孔，由于强制锁定双螺纹套，外管旋转钻进（3）钻孔部分完毕，配套锚杆不再变长，解除锁定双螺纹套，开始延伸锚杆（4）外管完全延伸，解除锁定钻头卡盘位置，继续提高推进力钻进（5）外管和内管同时旋转直到钻孔完成（6）填满树脂直到固化凝固，然后紧固螺母结论采用可泵入树脂的自钻式锚杆具有下面几大优势：l 树脂可以提供即时支护能力和在全长锚固锚杆中形成高载荷转移能力。l 锚杆外部环形空间和锚杆内部中空部分都由树脂填充，可以提供高质量的防腐蚀保护。l 在容易塌孔或很难塞