Verkningsmekanism och tillämpning av hålutvidgningsankring med inverterad kilform vid bottenskruv i lerhaltiga cementerade gångar

Hålla spröda gruvtunnlar på plats

Djupt under jorden passerar många kolgruvtunnlar genom mjuk, lerig bergart som sväller, kryper och smular sönder över tid. Traditionella stålstöd och även moderna bergbultar tappar ofta sitt grepp när denna svaga bergart deformeras, vilket ökar risken för takras och kostsamma reparationer. Denna studie undersöker en ny metod för att ankra stödstag säkrare genom att omforma själva slutet av borrhålet, så att bergarten och hartset bokstavligen hakar i varandra som en kil — vilket håller tunnlarna säkrare och mer stabila under längre tid.

Varför mjuka bergtunnlar är svåra att hålla

Många kinesiska kolvägar skärs genom argillaceous, det vill säga lerkonsoliderad bergart som innehåller mineraler som försvagas vid fukt. Dessa bergarter är dåligt bundna, har låg hållfasthet och tenderar att svälla och bli leriga när de träffas av vatten. Under den konstanta belastningen från gruvverksamheten kryper och deformeras tunnelväggar och tak. Stålrörverk som initialt verkar effektiva kan till slut tryckas ner i det mjuka golvet när det bukter upp, medan taket sjunker och spricker. Bergbultar, som idag är den huvudsakliga stödmetoden, är avsedda att binda ihop svaga berglager. Men i denna miljö separerar ofta det harts som används för att limma bulten mot hålväggen från bergarten, särskilt under vibration och fukt, vilket gör att ankarkraften snabbt avtar.

Forma håländan som en kil

Forskarna fokuserade på en enkel men kraftfull idé: i stället för att lämna bultens hålände cylindrisk, förstorar de den till en inverterad kilform med ett specialverktyg för utvidgning. Bulten limmas sedan in i denna utvidgade kavitet med harts. I praktiken förlitar sig bulten inte längre endast på limning längs en slät vägg; den låses mekaniskt in i en bredare ficka av berg. Teamet byggde en mekanisk modell som delar upp bulten i tre zoner längs dess längd: en fri sektion nära tunnelöppningen, en normal ankarringssektion och den utvidgade ankarringssektionen längst ner. Med hjälp av bergmekaniska ekvationer visade de att denna kilformade ficka avsevärt ökar skjuv- och greppkrafterna i gränsytan mellan harts och berg, vilket förbättrar bultens axiella motstånd även när viss glidning börjar någon annanstans.

Från ekvationer till labbmodeller och utdragstester

För att testa konceptet skapade teamet skalade modeller av tunnelväggar med material blandade för att efterlikna svag, lågstyrkig mjuk bergart. De borrade bultborrar i PVC-rör och utvidgade manuellt håländan för att bilda inverterade kilformade fickor med olika längder, diametrar och vinklar. Med en vanlig gruvharts (K2335) kontrollerade de först hur väl hartset blandades och härdade i dessa utvidgade kavitet. Om kilen var för stor eller för lång förblev delar av hartset dåligt blandat och ohärdat. De definierade ett ”härdningskvot” för att kvantifiera hur stor andel av hartset som fullständigt hade härdat. Den bästa kombinationen visade sig vara en utvidgningslängd på 100 mm, en maximal diameter på 58 mm och en kilvinkel på 9°, vilket gav en härdningsgrad på 92,9 %, det vill säga kaviteten fylldes tätt och jämnt.

Starkare grepp före och efter brott

Därefter utförde forskarna utdragstester i labbet och jämförde normala bultar med bultar förankrade i dessa kilformade fickor, alla med samma totala ankarlängd. I båda fallen ökade utdragskraften med förskjutningen till en topp, för att sedan falla när glidning började mellan harts och berg. För normala bultar var fallet skarpt och kvarvarande kraft låg, huvudsakligen från svag glidfriktion. I kontrast bar bultar i den inverterade kilkaviteten fortfarande hög restkraft efter att glidningen börjat eftersom den utvidgade formen mekaniskt hindrade full utdragning. Numeriska simuleringar stödde detta: vid samma 160 kN belastning ökade medelvärdet av skjuvspänningen längs ankarringszonen med cirka 47 % med kilformen, och spänningen koncentrerades fördelaktigt nära den utvidgade sektionen snarare än enbart vid hålbotten.

Bevisa idén i en riktig kolgruva

Teamet tog sedan metoden under jord i en mjuk berggång vid en kolgruva i Shanxi-provinsen. De borrade och utvidgade hålbottnarna med ett självutvecklat ettvingat verktyg, tryckte hartskapslarna in i den utvidgade fickan och blandade dem med bulten tills hartset fyllde och greppade både sprucket och intakt berg. Övervakning av tre takbultar visade att deras axiala krafter steg när den omgivande bergarten deformerades men sedan stabiliserades på höga nivåer, utan den snabba förlust av stöd som ofta ses med konventionell ankarsättning. Mätningar av takkonsolidering bekräftade att tunnlar som stöddes med de inverterat-kilformade utvidgningsbultarna hade mycket mindre sättning än de som använde standardbultar, vilket indikerar en säkrare och mer stabil gång.

Vad detta betyder för gruvsäkerhet

För en lekmannaläsare är slutsatsen att omformning av den dolda änden av ett bultborrhål kan göra stor skillnad för tunnelns säkerhet. Genom att karva ut en liten kilformad ficka i berget och fylla den med harts och stål skapar ingenjörer ett slags underjordiskt ankare som är svårare att dra ut och mindre benäget att försvagas över tid. Studyn visar att med omsorgsfullt valda dimensioner ökar denna utformning inte bara det initiala hållfasthetsegenskaperna utan bibehåller även en stor del av den styrkan efter att viss glidning inträffat. För kolgruvor som bryter genom skör, vattenkänslig bergart kan en sådan förbättrad ankring minska takras, sänka underhållskostnader och göra det underjordiska arbetet säkrare.

Citering: Zhang, H., Li, G., Xu, Y. et al. Mechanism and application of reaming anchorage of inverted wedge-shaped hole bottom in argillaceous cemented roadway. Sci Rep 16, 5094 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35906-7

Nyckelord: gång i mjuk bergart, ankring med bergbult, kolgruvstunnel, utvidgat bultborrhål, markstöd