新型中空注浆锚索山东中煤工矿集团1．新型中空注浆锚索开发背景锚索是采用有一定弯曲柔性的钢绞线，通过预先钻出的钻孔以一定的方式锚固在围岩深部，外露端通过工作锚压紧托盘对工程围岩进行补强加固的一种支护手段。

其特点是锚固深度大，承载能力高，并可以施加较大的预紧力，因而可以获得比较理想的支护效果，是目前最为可靠、最为有效的围岩加固方式，其加固范围、支护强度可靠性是常规锚杆支护所无法比拟的。

预应力锚索加固围岩的实质就是通过锚索对被加固围岩体施加应力，限制围岩的变形，从而保持围岩稳定。

锚索安设锁紧以后，锚索集中应力以45°的压力分布传递至支护结构物上。

预应力锚索施工简单，可以和多种支护措施相结合，工期短，费用低，尤其对破损巷道的加固比其它方法更具有优越性。

在围岩较差的巷道、大断面硐室、交岔点、断层带附近以及受动压影响的巷道，譬如长壁工作面跨采巷道，要加大支护长度，提高锚固效果，采用预应力锚索是一条有效途径。

锚索支护属于主动支护，一般只需要较小密度的锚索就能够达到良好的支护效果。

目前国内主要采用φ15.24、φ17.8钢绞线加工制作的树脂锚索进行煤巷补强加固。

树脂锚固锚索具有制作简单，安装速度快，承载及时等优点，很快得到大面积推广应用。

但在稳定性较差的厚煤层动压巷道，譬如沿空掘巷以及一些特殊地点如大断面切眼、破碎地带、受动压影响的跨采巷道等，其承载能力偏低，同时，由于锚固长度只有锚索长度的1/3，属于端部锚固锚索，对破碎顶煤的加固作用有限。

随着其用量越来越多，树脂锚固锚索也逐渐暴露出一系列的问题，其中有的问题还非常严重。

从现场使用的情况来看，这种锚索存在的突出问题是：（1）搅拌树脂锚固锚索只能采用单股，锚索承载能力小，支护强度低，钻孔利用率（即通过每个钻孔索能获得的支护阻力）低。

由于锚索索体没有经过专门的加工制作过程，索体的7根钢丝不能同步承载，现场实测其实际承载能力只有220—230KN，低于钢绞线的工程载荷，甚至比目前使用的Φ22mm高强锚杆的破断力（250KN）还低。

在高应力区、受冲击地压影响的巷道时常出现断锚索现象，给支护可靠性带来了很大隐患。

（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。

山东中煤公司在借鉴和吸收国外先进技术的基础上，于近几年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. 新型中空注浆锚索详情咨询左祥真 Tel：一八六⑥零⑦⑥一⑥⑥零3.1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详情咨询左祥真 Tel：一八六⑥零⑦⑥一⑥⑥零图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。

经过我们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。