自钻式锚杆VS小导管: 地下矿山中的应用结构及工艺分析

 在地下矿山开采过程中，随着开采深度增加，围岩条件逐渐复杂化，软弱破碎岩层、断层带、高地应力区域以及涌水地层等问题频繁出现，对巷道稳定性和施工安全提出了更高要求。小导管注浆支护技术和自钻式锚杆支护技术均被广泛应用于地下工程中，但在结构形式、施工方式、适用条件及综合经济性方面存在明显差异，小诺将从结构组成、矿山应用、施工工艺及技术优势等方面，对自钻式锚杆与小导管进行系统对比分析。

一、自钻式锚杆及小导管结构对比

1、自钻式锚杆结构

自钻式锚杆(亦称为自进式锚杆)是一种将钻进、注浆、锚固功能集于一体的中空锚固系统，它是一个完整的锚固系统，而不仅仅是一根钢管。锚杆体本身既是钻杆也是锚杆，施工过程中无需预先钻孔，可以充当钻杆兼作注浆管和筋体，使钻孔、塞锚杆、注浆、锚固在一个过程中一次完成。

自钻式锚杆通常由以下核心部件组成：

(1)钻头

位于杆体最前端，采用高强度合金材质制成，可以用于直接切削岩层，常见的钻头包括十字合金钻头、球齿全钢钻头等。钻头在钻进完成后永久留于地层中，既是钻进工具，也兼具锚固端头的功能。

(2)中空全螺纹杆体

杆体采用中空厚壁无缝钢管加工而成，表面加工为标准波形螺纹(常见R型和T型螺纹)。中空杆体作为注浆通道，外壁螺纹用于增大与注浆体的接触面积和握裹力。杆体材质通常为40Cr高强度合金钢，壁厚远大于普通钢管。常用型号覆盖外径22mm至200mm，其中地下矿山常见规格为R32、R51.

(3)连接套

连接套用于接长杆体，与杆体同等强度，确保注浆通道的连续性，实现深孔钻进和支护。

(4)止浆塞

当自钻式锚杆斜向上打时，安装于杆体尾部、垫板前端，保证注浆压力，防止浆液从孔口回流，提升锚固效果。

(5)垫板和螺母

安装于杆体外露端，用于施加预紧力，提供锚杆外部的承托力。通过张拉锁定，可以对不稳定岩层进行主动加固。

(6)居中器

用于保证杆体在钻孔中的居中性，确保注浆体均匀包裹杆体。

2、小导管结构

超前小导管(亦称为注浆小导管)是一种用于地下工程超前支护的空心钢管构件，属于一次性的功能性加固材料，管体本身仅作为注浆通道和锚固筋材，不具备施加预应力的功能。其结构相对简单，主要由以下部分组成：

(1)管体

采用普通无缝钢管加工而成，常用规格为外径Φ32~Φ50mm，壁厚3.0~4.0mm，长度通常为1.5~5.0m。管体为光面管壁，不具备螺纹结构。

(2)注浆孔

管身按梅花形布设注浆孔/出浆孔，这些孔用于使浆液从管内渗透到周围岩土体中。孔径通常为2mm左右，孔距50~150mm。

(3)前端锥头

管体前端加工成锥形或尖头封闭端，便于击入或顶入钻孔。

(4)尾部止浆段

管体尾部预留300mm以上的不钻孔段作为止浆段，用于安装止浆塞和连接注浆管路。

二、地下矿山中的应用区别

自钻式锚杆与小导管在地下矿山中的应用区别，体现在功能定位、适用地层和作用机理三个层面。

1、功能定位不同

自钻式锚杆的核心功能是提供集中、高强的点锚固支护抗力，主动控制围岩变形。它不仅是注浆通道，更是永久性的受力锚杆。通过尾部垫板螺母施加预应力，可以对不稳定的岩层进行主动加固和稳定。在矿山巷道中，自钻式锚杆既可用于超前支护，也可用于系统锚杆和径向支护。

小导管的核心功能是通过压力注浆对区域范围内的松散围岩进行整体改良。浆液渗透到岩土体裂隙中并进行黏结，形成具有承载能力的加固拱圈。小导管自身的机械强度有限，支护作用主要依赖于注浆后的加固体来承载应力。其主要作用是被动地改良土体性质，提高围岩自稳能力。

2、适用地层不同

自钻式锚杆专为解决极易破碎、塌孔的地层中难成孔的问题而设计。适用于破碎岩体、断层破碎带、砂卵层、高地应力软岩等难成孔地质条件。在矿山深部开采(深度800~1000m以上)的高应力环境中，传统支护方式成孔困难、锚固力不足，自钻式锚杆具有不可替代的优势。

小导管更适用于软弱松散土体、粉土、砂土、黏性土等相对均质的地层。在围岩完整性较好、能正常成孔的条件下，小导管可以发挥其整体加固的优势。

3、作用机理不同

自钻式锚杆的力学机制以悬吊作用、组合梁作用为主。锚杆穿过潜在破裂面，将不稳定岩层悬吊于深层稳定岩体之上，同时通过注浆体将多层岩体组合成承载拱。

小导管的力学机制以土体改良作用、壳体效应为主。浆液渗透固结后，在开挖轮廓线周围形成一层加固壳体，提高围岩自身的承载能力。

三、两者施工工艺对比

1、小导管施工工艺

小导管采用分步作业的施工流程：

(1)钻孔：使用凿岩钻机在掌子面或围岩中按设计角度和间距开孔。钻孔直径需大于导管直径，以便后续插管。

(2)清孔：用高压风或水清洗钻孔，清除孔内岩屑。

(3)插入导管：将加工好的小导管插入孔中，必要时使用锤击或顶管机顶入。在破碎地层中常遇卡管、插不进的问题。

(4)封堵孔口：安装止浆塞，密封孔口与管壁之间的间隙，防止注浆时返浆。

(5)注浆：连接注浆系统，通过小导管将水泥浆或其他固化材料注入地层。注浆压力通常控制在0.1~0.3MPa。

(6)与钢拱架焊接：将小导管外露端与钢拱架焊接，形成联合支护体系。

传统小导管施工存在明显的工序间歇，钻孔完成后需退出钻杆，再插入导管，各工序之间设备需要切换，平均耗时较长。在破碎岩层中，钻孔后孔壁极易坍塌，导致小导管无法插入，废孔率达到15%~30%。

2、自钻式锚杆施工工艺

(1)组装：将合金钻头连接至中空杆体前端，杆体尾部连接钻机。

(2)钻进：启动钻机，杆体即钻杆，直接旋转钻进至设计深度。全过程杆体始终停留在钻孔中，为孔壁提供全程支撑。如需深孔钻进，可通过连接套接长杆体继续钻进。

(3)洗孔：钻进至设计深度后，用水或空气冲洗杆体内孔，检查钻头出浆孔是否畅通。

(4)注浆：将注浆机与杆体尾端连接，浆液通过中空通道从钻头出浆孔注入。浆液从孔底向孔口充盈，确保全孔段饱满注浆。注浆压力可达0.5~2.0MPa。

(5)安装锚固：安装垫板和螺母，施加预紧力。

自钻式锚杆单根综合耗时从传统小导管工艺的48~72分钟缩短至20~28分钟，节约比例约58%。由于避免了钻杆退出导致的孔壁坍塌，成孔率从70%提升至95%以上。

四、自钻式锚杆优势

1、掘进效率提升

自钻式锚杆将钻孔、注浆、锚固三道工序整合为一道连续作业，消除了传统支护方式中常见的工序间歇，设备转换时间缩短了100%。中硬岩层进度加快35%~50%，破碎带提速达60%~80%，岩层越破碎、越难成孔，自钻式锚杆带来的效率提升越明显。

2、解决塌孔难题

传统支护在松散、破碎地层中采用“先钻孔、后放锚杆、再注浆”的分步工艺时，面临成孔困难、锚固力损失、施工效率低下。自钻式锚杆钻杆即锚杆的设计从根本上解决了这一问题，钻进过程中杆体始终停留在钻孔中，为孔壁提供全程支撑，杜绝了孔壁失稳坍塌的可能，无塌孔现象。

3、注浆饱满密实

自钻式锚杆的中空注浆通道实现了孔底返浆的注浆方式，浆液从孔底向孔口充盈，能将孔壁的缝隙和节理填充完整，确保了全孔段饱满注浆，锚固粘结强度显著提升。小导管的注浆从孔口注入，受止浆塞密封能力限制，注浆压力较低，注浆饱满度难以保证。

4、高强度支护

自钻式锚杆采用40Cr高强度合金钢材质，抗拉强度和屈服强度远高于普通钢管，以R51型号为例，抗拉力达800kN，屈服力630kN。自钻式锚杆通过尾部垫板螺母施加预应力，可以在支护完成后立即为围岩提供主动支护力。而小导管需要等待浆液凝固后才能发挥作用，支护效果延迟生效。

5、综合成本更具经济性

虽然自钻式锚杆的单根材料成本高于小导管，但在复杂地质条件下，综合考虑避免了小导管在破碎地层中15%~30%的废孔率及重复施工成本，省去了退钻、清孔、拔杆等工序，大幅节省人工和台班费用，单根锚杆即可达到多根小导管的支护效果，减少了材料用量，支护质量可靠，避免了后期巷道返修的高昂成本，综合成本更低。

五、自钻式锚杆替代方案

自钻式锚杆对小导管的替代并非简单的材料替换，而是基于地质条件、工程需求和经济效益的综合判断。

1、适用条件

(1)难成孔地层

当围岩为卵石层、砾岩层、断层破碎带、风化岩等难以成孔的地层时，小导管面临钻不了孔、插不进管的困境，自钻式锚杆是必然选择。

(2)深孔支护

当设计锚固深度较大(>15m)时，小导管越长越难插入，且孔轴线偏差难以控制。自钻式锚杆通过连接套可接长，适用于深孔支护场景。

(3)高应力软岩

矿山开采深度超过800m后，高地应力导致围岩破碎、变形大，传统小导管支护效果不稳定。自钻式锚杆的高强度和高锚固力能够有效控制围岩变形。

(4)沉降控制严格

对于地表沉降要求严格的工程，自钻式锚杆因注浆加固效果好、支护刚度高，能更有效地控制沉降。

(5)工期紧迫

自钻式锚杆将单根综合耗时从48~72分钟缩短至20~28分钟，在工期紧张时具有显著优势。

2、替代方案设计

(1)选型匹配

根据地质条件和设计荷载选择合适的锚杆型号，常用矿山支护型号包括HER25N、HER32S、HER32N、HER38S、HER51N等，地层越破碎、荷载越大，应选择外径更大、壁厚更厚的型号。

(2)布置优化

自钻式锚杆的单根支护能力优于小导管，在替代设计中可适当增大间距，减少布设数量。破碎带采用自钻式锚杆，间距1.0m×1.0m的梅花形布置，相比小导管0.3~0.5m的密集布置，数量大幅减少。

(3)注浆参数

自钻式锚杆可采用更高注浆压力(0.5~2.0MPa)，浆液水灰比可控制在0.4~0.5.根据围岩裂隙发育程度选择合适的注浆材料和压力参数。

(4)配套设备

需配备自钻式锚杆专用钻机，具备高频率冲击和高速旋转功能，且带有夹持器，实现快速接长，提高施工效率，钻机扭矩远高于普通风钻。

3、替代原则

· 围岩完整、干燥、孔深<10m：小导管仍具经济优势

· 围岩破碎、断裂、孔深>10m：建议采用自钻式锚杆

· 断层破碎带、高地应力软岩：必须采用自钻式锚杆

· 抢险工程、沉降敏感工程：优先采用自钻式锚杆

自钻式锚杆与小导管在地下矿山支护中各有其适用场景，小导管作为一种成熟、经济的超前支护手段，在围岩条件较好的情况下仍具有不可替代的价值。而自钻式锚杆在破碎地层、深孔支护、高应力软岩等复杂条件下拥有更高的性价比，安全性也更有保障。在合适的场景下采用自钻式锚杆替代小导管，是实现安全、高效、经济矿山支护的关键要素。