页岩胶结巷道倒楔形孔底扩孔锚固的机制与应用

守住脆弱的矿井巷道

在深部地下，许多煤矿巷道穿越富含粘土的软岩，这类岩石遇水膨胀、蠕变并随时间碎裂。传统的钢支架乃至现代锚杆在这种弱变形的岩体中常常失去抓持力，增加顶板坍塌和修复的风险。本研究探讨了一种通过重塑钻孔末端形状来更可靠地“锚固”支护锚杆的新方法，使岩石与树脂像楔形互锁，从而长期保持巷道更安全、更稳定。

为何软岩巷道难以支护

许多中国煤矿巷道切穿的是页岩类或含粘土的胶结岩，含有遇水变弱的矿物。这类岩体结合差、强度低，遇水易膨胀和泥化。在持续的开采应力作用下，巷道围岩和顶板会蠕变变形。最初看似有效的钢架可能随着底板隆起而下沉，而顶板则下垂开裂。锚杆作为主要支护方式，旨在将弱层系束缚在一起。但在这种环境中，用于将锚杆粘结于孔壁的树脂常在振动和潮湿作用下与岩体脱离，导致锚固力迅速下降。

把孔底做成楔形

研究者提出了一个简单却有效的想法：不将锚孔底部保持圆筒形，而是用专用扩孔工具把孔底放大为倒置的楔形腔体。然后将锚杆与树脂一起灌注到这一扩大的腔体中。这样，锚杆不再仅仅依靠光滑孔壁上的粘结力，而是机械地锁入更宽的岩体口袋中。研究团队建立了一个力学模型，把锚杆沿长度分成三段：近巷道开口的自由段、常规锚固段和末端的扩孔锚固段。利用岩石力学方程，他们证明了这种楔形腔体能显著提高树脂—岩体界面的剪切和咬合力，即使在其他部位开始相对位移时，也能增强锚杆的轴向承载力。

从方程到实验模型与拔出试验

为验证该概念，团队用配比模拟弱低强度软岩的材料制作了缩尺巷道墙模型。在聚氯乙烯管内钻孔并手工对孔底进行扩孔，形成不同长度、直径和角度的倒楔形腔体。使用常用矿用树脂（K2335），他们首先检查了树脂在这些扩孔腔体内的混合与固化情况。若楔形过大或过长，部分树脂会混合不良或未完全固化。研究者定义了“固化率”来量化树脂完全固化的比例。最佳组合为扩孔长度100 mm、最大直径58 mm、楔角9°，固化率达92.9%，表明腔体被致密且均匀地填充。

破坏前后更强的抓持力

随后，研究者在实验室进行了拔出试验，将常规锚杆与在倒楔腔内锚固的锚杆（总锚固长度相同）进行比较。两种情况下，拔力随位移增加至峰值，随后在树脂—岩体间开始滑动时出现下降。常规锚杆的下降较陡，残余力较低，主要来自弱滑动摩擦。相比之下，倒楔腔内的锚杆在开始滑动后仍保持较高的残余力，因为喇叭状的腔体在机械上阻挡了锚杆的完全拔出。数值模拟支持了这一结论：在相同160 kN载荷下，楔形设计使锚固区的平均剪应力提高约47%，并使应力有效集中在扩孔段附近，而非仅集中于孔底。

在真实煤矿中的现场验证

随后，团队在山西省一处软岩巷道进行了现场试验。他们用自行设计的单翼扩孔工具钻凿并扩大孔底，将树脂胶囊推入扩孔腔体，并在锚杆上混合树脂直至树脂填满并咬住破碎与完整的岩体。对三根顶板锚杆的监测显示，随着围岩变形其轴力上升并在高水平处稳定，而不像传统锚固那样出现快速丧失支护力。顶板沉降观测也证实，采用倒楔形扩孔锚固的巷道沉降明显小于使用标准锚杆的巷道，表明巷道更安全、更稳定。

对矿山安全的意义

对普通读者来说，结论是：改变锚孔隐蔽末端的几何形状能显著提升巷道安全。通过在岩体中开出一个小型倒楔形腔体并用树脂与钢筋填充，工程师实际上制造了地下的“锚头”，更不易被拉出且不易随时间减弱。研究表明，在精心选择尺寸的条件下，该设计不仅提高了初始持载力，而且在部分滑移后仍能保持大部分承载能力。对于穿越脆弱、遇水敏感岩体的煤矿，这种改进的锚固方式可减少顶板事故、降低维护成本并提升地下作业安全性。

引用: 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

关键词: 软岩巷道, 锚杆锚固, 煤矿巷道, 扩孔锚孔, 地层支护