千米深井大斷面軟巖巷道錨噴—注漿加固技術(shù)＊

謝國強 楊軍輝 謝生榮 張廣超 肖殿才 張興娜

（1.冀中能源股份有限公司邢東礦，河北省邢臺市，054000；2.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

千米深井大斷面軟巖巷道錨噴—注漿加固技術(shù)＊

謝國強1楊軍輝1謝生榮2張廣超2肖殿才2張興娜2

（1.冀中能源股份有限公司邢東礦，河北省邢臺市，054000；2.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

針對千米深井大斷面軟巖巷道圍巖持續(xù)變形的控制難題，在總結(jié)附近區(qū)域巷道支護經(jīng)驗和分析軟巖巷道持續(xù)變形失穩(wěn)原因的基礎(chǔ)上，提出采用多層次錨噴及注漿加固技術(shù)，即三層噴漿、兩層錨桿和一次壁后注漿的綜合治理方案?，F(xiàn)場實踐表明：該方案可有效增強支護結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力，解決高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制難題。

千米深井 大斷面軟巖巷道 壁后注漿 錨噴-注漿加固

冀中能源邢東礦-980水平大巷埋深達千米以上，自掘進施工完成后發(fā)生持續(xù)變形，支護系統(tǒng)損毀，多次擴刷整修，仍未能有效控制巷道大范圍變形。邢東礦在總結(jié)該區(qū)域的巷道支護經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了采用多層次錨噴及注漿加固技術(shù)，即三層噴漿、兩層錨桿和一次壁后注漿的綜合治理方案，能有效增強支護結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力，并在-980水平上部車場進行試驗，以期實現(xiàn)深部軟巖的有效控制。

1 工程概況

冀中能源邢東礦井田面積14.5113 km2，地層平緩，傾角一般在10～15°之間。采深由600 m到接近1300 m，礦井分為兩個開采水平，分別為-760水平和-980水平，是華北地區(qū)煤層賦存最深的礦井之一。-980水平上部車場于2006年掘成，埋深達1040 m，巷道所處的煤系地層，多為灰白色、灰色和深灰色，薄層狀細粒砂狀結(jié)構(gòu)，夾粉砂巖薄層，裂隙發(fā)育，含植物化石碎片。煤層直接頂為粉砂巖，上部灰色、深灰色，下部灰白色含植物化石碎片；底板粉砂巖，碳質(zhì)頁巖，富含根化石裂隙發(fā)育，遇水變軟。

2 高應(yīng)力大斷面軟巖巷道破壞原因分析

2.1 巷道原有支護形式及破壞特征

-980水平上部車場為半圓拱形斷面，巷道凈斷面4.5 m×3.5 m （寬×高），原有支護為錨網(wǎng)噴支護，頂板、兩幫均采用?22 mm×2400 mm螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm，金屬網(wǎng)規(guī)格73 mm×73 mm，噴射C20混凝土，噴厚均為50 mm。

巷道使用過程中表面變形明顯，發(fā)生嚴重底臌，混凝土噴層多處開裂，頂板出現(xiàn)多處網(wǎng)兜，錨桿索拉斷、槽鋼扭曲、金屬網(wǎng)撕裂等現(xiàn)象嚴重。為此進行加強支護，頂幫錨桿改為?22 mm×3000 mm螺紋鋼錨桿，兩幫采用?21.8 mm×6500 mm鋼絞線錨索，此種高強支護下巷道變形仍難以控制，多次進行擴修加固，支護效果仍不理想，巷道底臌問題突出，已嚴重影響運輸和礦井正常生產(chǎn)，必須采取措施修復(fù)加固。

2.2 巷道圍巖變形破壞原因分析

巷道變形破壞是地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、圍巖特性、支護形式及參數(shù)等多種因素共同作用的結(jié)果。綜合-980水平上部車場地質(zhì)生產(chǎn)條件及附近區(qū)域巷道破壞特征進行分析，認為造成巷道圍巖持續(xù)變形的主要因素如下：

（1）高地應(yīng)力是巷道變形失穩(wěn)的主要原因。-980水平上部車場埋深達1040 m，地應(yīng)力高達25 MPa，巷道圍巖處于高應(yīng)力狀態(tài)，呈現(xiàn)軟巖特征，僅靠單純增加支護強度而不改善圍巖狀態(tài)，很難達到理想的支護效果。

（2）斷面大。巷道斷面的增大使巷道圍巖塑性區(qū)范圍增加，頂板巖層中的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力呈平方和立方數(shù)級急劇增長，大大降低了頂板穩(wěn)定性，增加了支護難度。

（3）構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜。-980水平上部車場為穿層巷道，依次穿過野青灰?guī)r，2＃煤層下部及2＃煤層等多個地質(zhì)層位中小斷層發(fā)育，圍巖松散破碎，且圍巖成分具有膨脹性，構(gòu)造應(yīng)力極其復(fù)雜。

（4）巷道底板未進行有效支護，成為圍巖壓力釋放的突破口，引起大面積的底臌，破壞了巷道底板穩(wěn)定性，進而引起巷道兩幫及頂板的大變形，導(dǎo)致支護體系承載結(jié)構(gòu)破壞。

（5）支護形式及參數(shù)不合理。-980水平上部車場圍巖軟弱破碎，加之多次修復(fù)擾動影響，圍巖松動圈增大，錨桿錨固區(qū)處于松動圈范圍內(nèi)，錨固力大幅衰減甚至喪失，支護結(jié)構(gòu)與圍巖不能形成一個有效整體。

3 錨噴-注漿加固技術(shù)機理及加固方案

3.1 錨噴-注漿加固技術(shù)機理

巷道錨噴-注漿加固技術(shù)是一種聯(lián)合的主動支護方式，其基本原理是通過錨桿與注漿相結(jié)合的方式，實現(xiàn)錨、注一體化，其維護巷道的重點體現(xiàn)在注漿對巖石的影響、注漿對巖體的影響以及漿液與錨桿的相互作用等3個方面。

（1）注漿改變了巖體內(nèi)部各種物相的比例，使破碎巖塊膠結(jié)成整體，一方面起到封堵圍巖裂隙、隔絕空氣的作用，減輕了巖塊的風(fēng)化，防止了巖塊被水浸濕而降低圍巖本身的強度，提高了圍巖的承載能力；另一方面增加了巖塊間的粘結(jié)力及內(nèi)摩擦角，改善了巖體弱面的力學(xué)性能，使巖體內(nèi)部各結(jié)構(gòu)面的相對位移阻力增大，提高了破碎圍巖的整體穩(wěn)定性和抵抗外力的能力。

（2）注漿使松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體，提高了巖體本身的強度，改善了圍巖的狀態(tài)，弱化了圍巖的脆性，能形成適合大變形的承載結(jié)構(gòu)，在一定變形范圍內(nèi)保持注漿加固后圍巖強度的穩(wěn)定，使圍巖本身作為支護結(jié)構(gòu)的一部分，充分調(diào)動了其自承能力；噴漿與原巖形成一個整體，在動壓作用下其振動頻率與原巖一致，不易被破壞，且噴層本身形成一定的薄拱狀態(tài)，在此情況下實現(xiàn)壁后密實充填，保證荷載均勻地作用在噴層和支護物上，避免了應(yīng)力集中而造成局部破壞繼而引起大面積破壞。

（3）圍巖的整體膠結(jié)狀態(tài)改善了錨桿錨固區(qū)的穩(wěn)定性，注漿增強了錨桿全長錨固效果，擴大了錨桿的作用范圍，將其自身形成的壓縮區(qū)組合拱、漿液擴散加固拱以及噴層薄拱聯(lián)成一個整體，共同承載，擴大了支護結(jié)構(gòu)的有效承載范圍，減小了拱頂傳遞到底板的力在底板的載荷集度，降低了底板巖層的應(yīng)力和塑性變形，從而減輕了底臌，保持了底板的穩(wěn)定，進而有助于維護兩幫及拱頂?shù)姆€(wěn)定性，提高了支護結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力。

3.2 錨噴-注漿加固方案

結(jié)合邢東礦-980水平上部車場的地質(zhì)生產(chǎn)條件，以錨注理論為基礎(chǔ)，提出采用 “三層噴漿，兩層錨桿，一次壁后注漿”的支護方案，以改善圍巖條件，提高支護體力學(xué)特性與圍巖力學(xué)特性的耦合程度，達到改善巷道支護狀況，保證安全生產(chǎn)的目的。

打錨桿分為兩個層次，即初噴后的第一層次錨桿和復(fù)噴后的第二層次錨桿，兩個層次采用的錨桿規(guī)格均為?22 mm×2400 mm高強錨桿，半圓拱區(qū)域間排距為700 mm×700 mm，錨桿外露長度在10～50 mm范圍，頂錨桿使用S2360和Z2360樹脂錨固劑各一卷錨固，幫錨桿使用2卷Z2850樹脂錨固劑錨固，錨固力不小于80 k N，錨桿扭矩不少于300 N·m；底角錨桿和底板錨桿的錨頭均低于底板100 mm。如圖1所示。

圖1 -980水平上部車場支護方案圖

在第二層錨桿外再次噴漿成為第三次噴漿，噴漿厚度為60 mm，初噴和復(fù)噴厚度分別為80 mm和60 mm；在第三噴層布置注漿管進行壁厚注漿，根據(jù)圍巖性質(zhì)，注漿管采用長度為600 mm的2寸黑皮鋼管，其間排距為1500 mm×1500 mm，外露長度50 mm，注漿時采取必要措施防止漏漿。遇松動圈較大的地段，可視其具體情況適當(dāng)加長注漿孔的內(nèi)部裸孔長度。底角及底板注漿管端部均低于底板100 mm。

4 現(xiàn)場工程實踐

4.1 施工工藝

（1）注漿水泥用425＃，水灰比為0.7～1∶1，注漿壓力為1.5～2.5 MPa，底角注漿壓力不大于3 MPa，每孔用水泥約3～5袋 （變形量過大地段注漿量要求適當(dāng)加大，一般在8～16袋）；噴漿用425＃水泥，水泥、黃砂、石子比為1∶2∶2；速凝劑的摻入量為水泥用量的5%?，F(xiàn)場施工工藝流程為：擴大斷面→初噴混凝土 （80 mm）→打第一層次錨桿→掛網(wǎng)→復(fù)噴混凝土 （60 mm）→打第二層次錨桿→掛網(wǎng)→再次復(fù)噴混凝土 （60 mm）→打注漿錨桿，進行壁后注漿。

（2）噴層要求刷夠一排錨桿間距先進行初噴漿，初噴噴層厚度為80 mm，及時封固巷道圍巖并作為臨時支護，既保證及時封閉圍巖，又保證打錨桿、掛繩等后續(xù)工作的安全施工。在打好錨桿和掛好繩后進行復(fù)噴，厚度為60 mm；再次復(fù)噴是在二掛網(wǎng)和二層次錨桿的基礎(chǔ)上的噴漿，保證不漏漿。

（3）鋼絲繩吊掛縱向長度不得少于8 m，橫向應(yīng)以巷道輪廓長度為準；鋼絲繩搭接長度大于400 mm，并且要求插交搭接。兩個層次的鋼絲繩間距分別為350 mm×350 mm。

4.2 工程效果

在巷道表面布置測站，對巷道表面位移進行長期監(jiān)測，巷道圍巖變形在65 d基本趨于平穩(wěn)，頂板下沉量達80 mm，兩幫變形量達170 mm，底板底臌量達95 mm。在后續(xù)兩年的持續(xù)觀測中，巷道圍巖最大變形量均小于240 mm。觀測結(jié)果分析表明，采用錨噴—注漿加固技術(shù)后，巷道圍巖強度得到改善，巷道支護體系穩(wěn)定性和完整性得到提高。

5 結(jié)論

（1）大埋深巷道圍巖的高應(yīng)力狀態(tài)使其呈現(xiàn)軟巖特性，對于軟巖巷道而言，圍巖條件差，支護體力學(xué)性能與圍巖力學(xué)性能不匹配是巷道變形失穩(wěn)的主要原因，軟巖巷道變形控制的關(guān)鍵在于改善圍巖體力學(xué)性能。

（2）錨噴-注漿加固技術(shù)利用注漿錨桿將錨注漿液壓入淺部圍巖，把破碎圍巖膠結(jié)成整體，既能提高圍巖強度，增強圍巖 承載能力，又能改善錨桿支護條件，增強錨桿對軟弱圍巖的錨固作用，增強承載結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力。

（3）-980水平上部車場采用三層噴漿、兩層錨桿和一次壁后注漿的綜合支護方案，有效解決高應(yīng)力軟巖巷道圍巖持續(xù)變形的控制難題，為深部軟巖巷道支護提供了技術(shù)依據(jù)。

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Bolting-shotcreting ＆grouting reinforcement technology in soft rock roadway with large section in kilometer deep mine

Xie Guoqiang1，Yang Junhui1，Xie Shengrong2，Zhang Guangchao2，Xiao Diancai2，Zhang Xingna2
（1.Xingdong Coal Mine，Jizhong Energy Resources Co.，Ltd.，Xingtai，Hebei 054000，China；2.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining ＆ Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Aiming at the control problem of surrounding rock continuous deformation in soft rock roadway with large section in kilometer deep mine，based on the roadway support experience in nearby area and the analysis of causes of surrounding rock continuous deformation ＆destabilization，the paper puts forward the multi-layer bolting-shotcreting ＆grouting reinforcement technology，which is an integrated scheme including three layers shotcreting，two layers bolting and one-time backwall grouting.The field application shows that the scheme can effectively strengthen the integrity and bearing capacity of the support structure to solve the surrounding rock control problem in high-stress soft roadway.

kilometer deep mine，soft rock roadway with large section，backwall grouting，bolting-shotcreting ＆grouting reinforcement

TD353

A

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（2010CB226800）資助；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助 （2010QZ06）

謝國強 （1977-），男，河北隆堯人，高級工程師，現(xiàn)任冀中能源股份有限公司邢東礦總工程師。

（責(zé)任編輯 張毅玲）