作者：张毅
国内外学者经过十几年的科技攻关，主要从提高松软煤层的锚固力及保持巷道围岩的完整性出发研究松软煤层巷道支护难题，取得了丰硕的成果，但某种程度上也存在一些问题：①林健等增加锚杆的锚固长度，实现锚杆加长锚固或全长锚固，在一定程度上显著提高了锚杆的锚固性能，但对于受采动影响的巷道，锚固力衰减很快，后期巷道变形量较大；②李磊等煤层注浆与锚杆锚固进行联合加固，完全可以满足松软煤层巷道围岩控制的要求，但注浆成本太高，施工工艺复杂，难以在回采巷道中广泛应用；③郝凤山等对松软煤层孔底扩孔锚固也进行一定程度上的研究，但多是理论上的，对实现孔底扩孔锚固技术方面的研究却很少。
孔底扩孔技术在岩土领域应用较多，主要有机械扩孔，爆炸扩孔，水力扩孔和压浆扩孔。受煤矿井下特殊的工程地质条件影响，锚固孔采用爆炸扩孔、水力扩孔和压浆扩孔难以实现井下煤层孔底扩孔的目的。而机械扩孔由于其扩孔方向的不同可分为正楔形和倒楔形扩孔，正楔形扩孔由于在锚杆锚固时难以实现孔底锚固剂密实，导致锚固性能提高不明显。鉴于此，本文提出采用锚固孔孔底倒楔形扩孔提高锚杆锚固性能的方法，并研发了锚固孔孔底单翼扩孔装置，在不增加锚固长度的条件下，提高了锚杆的锚固力，并有足够长度可以施加高预
紧力，保证了锚固范围内煤体的完整性，确保了巷道围岩的长期稳定，为松软煤层巷道锚杆支护的广泛应用奠定了基础。
1 松软煤层锚固孔孔底扩孔锚固原理
1.1 锚固孔孔底扩孔原理
锚固孔孔底扩孔采用自行研制的锚固孔孔底单翼扩孔装置，如图l所示。由于锚杆孔直径小，空间范围受到限制，双翼刀具很难满足小孔径的需要。因此，设计采用单翼刀片，充分利用锚杆孔有限空间。
锚杆孔钻打到设计深度后，退出钻头，将安装有单翼扩孔装置的钻杆推入孔底，连接钻机进行扩孔。在钻进旋转推进过程中，扩孔装置内的推杆将刀具逐渐推开，刀具将进行有效切削孔底煤岩，直至推杆完全被推人；推杆在内部弹簧作用下被弹出，刀具进入刀具槽内退出孔外，完成孔底扩孔任务。孔底形成倒楔形的空间，如图2所示锚杆孔孔底扩孔前后示意图。
1.2锚杆孔孔底扩孔锚固原理
树脂锚固剂作为锚杆与围岩钻孔的黏结材料，是连接锚杆与周围煤岩体的介质，其作用是使锚杆发挥支护作用，锚固剂锚固效果的好坏直接关系到巷道的支护效果。而影响锚固剂锚固效果的因素很多，主要包括围岩性质，钻孔直径与孔壁的粗糙程度，锚杆的直径等。锚杆在松软煤层中锚固时，其锚固失效的主要原因是受松软煤层力学性质的影响。
如图3所示为锚杆不同锚固状态示意图。图3(a)是正常锚固特征，锚杆的锚固性能主要受松软煤体的影响，在外力的作用下，锚固剂与锚杆孔孔壁较容易脱离而失去锚固性能；其次，脱锚后的残余锚固力主要是锚固剂与孔壁煤体之间的摩擦力，受软煤的影响，造成残余锚固力较低。图3(b)是扩孔后锚固特征，锚杆孑L孔底扩孔后，必须采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆进行锚固，在锚固过程中，锚固剂是向孔底挤压，使得锚固剂在扩孔区域充实，形成倒楔形结构体。锚固后，在锚杆受力过程中，锚杆脱锚后，倒楔形的结构体与煤体之间形成挤压区，这种结构在很大程度上增大锚固体与扩孔处钻孔壁的剪切阻力，起到增强锚杆锚固性能的效果。
2 锚杆钻孔孔底扩孔锚固效果实验研究
2.1 实验室相似模拟试验
为进一步验证孔底扩孔增强锚杆锚固性能的科学性，在实验室采用相似模拟的试验方法，搭建相似模拟试验台，试验台尺寸为：长×宽×高为1. 5m×1. 5m×1.2m，模型的材料为水泥、沙子、石膏等按一定比例混合配比，单轴抗压强度为0. 8MPA，近似为赵家寨煤矿井下煤体的强度。
在实验台上完全模拟井下现场钻打锚固孔的情况，随机钻打6个正常的锚固孔，锚固孔直径为ф28mm，深度为1000mm，其中任选3个锚固孔利用自行开发的孔底扩孔装置进行孔底扩孔（图1所示）。所采用的锚杆为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，杆体直径为ф20mm．长度为1200mm；锚固剂为MSK2335树脂锚固剂，如表1所示。
分别对未扩孔的锚固孔3个，扩孔的锚固孔3个进行锚杆锚固试验，每个钻孔1根树脂锚固剂，1天后进行锚固力性能拉力试验，如图4所示。并用锚杆测力计观测锚杆锚固力的变化过程。
锚固性能试验结果如表2所示。
从表2可以看出，孔底扩孔锚杆的锚固力明显大于正常状态下的锚固力，这是由于扩孔锚杆锚固端呈倒楔形，其锚固力是正常锚固状态下的2.5倍左右。在锚杆受力过程中，倒楔形的锥体与锚固孔形成较高的剪切应力。表明锚杆孔底扩孔锚固显著提高其锚固性能，为松软煤体巷道锚杆支护奠定了基础。
2.2现场试验
井下现场试验是检测试验装置能否被广泛应用的最有效手段。任何设备的创造最终都是要被应用，只有现场应用才是检测设备装置设计合理的最直接依据。在井下实施锚杆钻孔及扩孔施工工艺包括施工机具选择与配置，施工人员组织，施工工序安排，安全技术措施等内容。根据巷道地质与生产条件，合理配置施工机具与施工人员，安排锚杆支护各工序和时间，并与巷道掘进、运输等环节相配套，实现施工工艺的优化，是保证锚杆支护施工质量、提高
施工速度的重要途径。
将制作的锚杆孔底扩孔装置在赵家寨矿1221 1切巷帮部进行锚杆孔孔底扩孔锚固试验。采用锚杆钻机先钻正常锚固孔后，进行孔底扩孔试验，锚固孔深度为2. Om。然后换取扩孔钻头进行孔底扩孔钻进。试验共进行3个锚固孔扩孔试验，成孔效果均良好，未出现扩孔装置被卡和难以拔出的现象，表明锚固孔孔底扩孔装置设计的科学性和可行性。
将孔底扩孔后的锚固孔进行锚杆安装，所使用的树脂锚固剂数量相同，均采用1根MSK2335和1根MS22335进行锚固试验，1h后分别进行拉拔试验，试验结果如表3所示。
然后随机在试验地点随机抽取3根正常锚固状态下锚杆进行拉拔试验，试验结果如表4所示。
表3中的数据结果显示，扩孔后锚杆锚固力平均达到75. 6kN，与表4中锚杆在未扩孔时的锚固力40. 8kN相比显著提高。在使用相同树脂锚固剂数量的情况下，锚固力提高了近l倍，从而可以看出锚固孔孔底扩孔显著改善了锚杆的锚固性能。
3结论
1)分析了松软煤层锚网支护由于其煤体松软造成锚杆锚固性能特别差，制约松软煤层巷道锚杆支护技术的发展。并对锚杆孔孔底倒楔形扩孔锚固在一定程度上可以显著提高锚杆的锚固性能的原理进行分析。
2)研制了锚固孔孔底单翼倒楔形扩孔装置，进行实验室和井下现场试验，结果表明单翼锚固孔孔底扩孔装置扩孔效果好，完全可以满足现场的工业应用。
3)通过实验室试验及井下扩孔锚固试验得出，与正常状态下锚固相比，锚杆孔底倒楔形锚固，其锚固性得到显著提高，满足松软煤层锚网支护对锚杆锚固力的要求，为松软煤层巷道锚杆支护在井下工业应用奠定了基础。
4摘要：
针对松软煤层巷道锚杆锚固力低成为制约松软煤层巷道锚杆支护技术发展的瓶颈，提出锚固孔孔底倒楔形扩孔提高锚杆锚固性能的方法，研发了锚固孔孔底单翼扩孑L装置，并进行了实验室和井下现场试验，结果表明单翼锚固孔孔底扩孔装置设计的科学性和可行性。通过实验室试验及井下试验得出，锚固孔孔底倒楔形锚固，锚杆的锚固性能至少提高1倍以上，为松软煤层巷道锚杆支护的应用奠定了基础。
