錨注支護技術在巷道破碎圍巖控制中的應用研究

王 贊

（潞安礦業集團 余吾煤業有限責任公司，山西 長治 046103）

1 項目概況

余吾煤業公司南軌大巷埋深+400 m，圍巖較破碎，巷道在原有錨桿錨索支護時，表現出四周來壓、整體收斂、變形強烈的特點，頂板冒落較嚴重，并有少量片幫現象，錨桿錨索出現了拉伸斷裂現象。針對以上問題，本文結合該巷的地質資料，利用注漿支護原理對原有支護進行改進，并經UDEC數值模擬軟件對原有方案和優化方案進行了模擬分析，現場實測表明：錨注支護可有效解決該類巷道破碎圍巖的支護難題，具有一定借鑒意義。

2 工程概況

余吾煤業+400水平南軌大巷地表位于屯留縣余吾鎮境內，梁峁發育溝谷縱橫，多呈“U”字形。埋深600 m左右。設計全長1 121 m，整體位于15號煤往下30 m位置，采用直墻半圓拱形巷道掘進，巷道斷面5.84 mm×5.02 mm。據地質資料知：掘進中，巷道依次穿越砂質泥巖、細粒砂巖、泥巖、直接頂為砂質泥巖，厚約5 m，裂隙發育，強度較低。老頂為砂巖，厚約4.6 m。直接底為9 m厚的砂質泥巖。在具體施工中，由于褶皺構造，巷道圍巖巖性不一，存在多處變形嚴重的破碎區域（其上部為石灰巖，下部為鋁土巖），圍巖巖性為泥質結構、質地軟弱，遇水膨脹，且節理裂隙發育，裂隙內多處滲水、滴水，圍巖結構不穩定，兩幫支撐能力差，底鼓嚴重，最大底鼓量500 mm左右，且半圓拱頂有掉塊、塌落現象。

3 注漿加固機理分析

針對余吾煤業+400水平南軌大巷出現的支護失效現象，據地質資料可知：由于地質構造，節理裂隙發育，多處滲水、滴水，圍巖破碎較嚴重，原支護方案采用錨桿錨索，在圍巖周圍缺乏穩定的有效著力點，是圍巖失穩的主要因素。對此采用注漿作為支護的第一步，將圍巖中的裂隙膠合在一起，使破碎圍巖固結成整體，還可起到一定阻水效果，減少水對圍巖的軟化、侵蝕作用。然后利用錨桿錨索支護固結在巷道深部穩定巖層中，形成大范圍的錨固結構，從而保證巷道穩定。針對上述深埋巷道過破碎帶的特點，支護應從提高整個支護系統的強度和整體性入手。對于節理裂隙較發育的軟巖，注漿方法可提高整體強度和變形模量，改善圍巖變形和力學參數（如粘結力、內摩擦角、抗壓強度、抗剪強度等）。通過注漿可將巖體裂隙面有效地膠合在一起，增強巖體完整性和巖體強度，減少地下水涌入通道，改善圍巖水理環境和錨桿錨固條件，更有利于發揮圍巖自身承載能力。

3.1 注漿加固作用機理分析

注漿加固作用主要表現：①提高圍巖的整體強度和變形模量，改善圍巖變形形態和力學參數（如粘結力、內摩擦角、抗壓強度、抗剪強度等）。②網狀骨架作用：破碎圍巖通過注漿固結反應，形成類似網狀骨架結構，具有良好的韌性和粘結性。隨著圍巖所受應力的增加，該結構發生整體變形（但不會輕易破壞），將應力轉移到圍巖深處，變形破壞也不會由原來裂隙面開始、而是整體變形，從而保證巷道的整體穩定性。③充填壓密及改變圍巖的破壞機理：漿液在注漿壓力作用下將宏觀裂隙充分填充，并使部分微觀裂隙得到壓縮，降低圍巖孔隙率，提高圍巖的彈性模量及強度。當裂隙中充滿固結材料時，圍巖受力會由二向應力變為三向應力。應力狀態顯著增加，巖體脆性減弱、塑性增強，從而改變破壞機理。

3.2 錨注支護數值模擬研究

1）模型的建立∶根據地質資料及現場觀測，選取典型地質斷面，建立數值模型，通過各類圍巖試樣的實驗結果確定各巖層、結構面參數（如表1和表2所示）。模型長度為100 m，高度80 m，模型底邊界和左右邊界采用零位移邊界，上邊界承受垂直應力，邊界載荷按埋深400 m計算，(2.5 MPa×4=10 MPa)。模擬本構模型采用摩爾庫倫模型，節理材料模型采用面接觸庫侖滑移模型。

表1 巖體物理力學參數

表2 結構面力學參數

2）模擬方案：針對南軌道巷破碎區域進行UDEC數值模擬，分析各具體方案的，圍巖變形及塑性區范圍、錨桿受力及失效情況。方案一為原支護方案（錨桿錨索支護）；方案二為優化支護方案（注漿+錨索錨桿）。3）結果分析：①支護方案一時（見圖1），巷道頂板破碎嚴重，兩幫均有不同程度的片幫現象，底板稍有突起，錨桿錨索發生扭曲錯斷變形，總的來說，巷道發生擠壓性變形破壞較嚴重，方案一不能滿足安全掘進要求，錨桿錨索支護不能保證巷道圍巖的穩定。支護方案二時（見圖2），巷道頂底及兩幫均沒有出現明顯的變形破壞現象，采用注漿支護，可將破碎圍巖固結成一個整體，錨桿錨索又可充分調用圍巖的自穩能力，進而保證圍巖穩定，支護效果明顯。②圖3-6為其垂直應力和水平應力圖，由圖可知：垂直應力和水平應力在巷道圍巖中由表面至巖體深部均呈現一直增大的特征，最小垂直應力與最小水平應力都分布在巷道圍巖表面附近。方案一相比方案二，巷道垂直應力和水平應力在巷道周邊較低，因為在巷道頂板及兩幫破碎部位均出現明顯的應力釋放區域，應力得到充分釋放，巷道深部圍巖應力也逐漸向表面轉移。方案一支護時，其頂板中央、底板中央、幫部中間部位以及與底板交接處均出現局部垂直應力與水平應力加強區，為易發生變形破壞的部位。方案二支護時，注漿將圍巖固結在一起，再利用錨桿錨索的強有力支護，增強巷道周邊垂直應力及水平應力，表明巷道支護結構的完整性，能很好起到承載圍巖的作用，圍巖最大垂直應力與水平應力均向巷道深部轉移，不易形成圍巖破碎。

圖1 方案一巷道變形破壞示意圖

圖2 方案二巷道變形破壞示意圖

圖3 方案一垂直應力示意圖

圖4 方案一水平應力示意圖

圖5 方案二垂直應力示意圖

圖6 方案二水平應力示意圖

4 最終支護方案的確定

4.1 注漿參數的確定

1）注漿孔深度。合理注漿孔深度要滿足等于或大于巷道圍巖松動圈的厚度，通常條件下，圍巖松動圈厚度可用多點位移計測??；從理論計算角度考慮，圍巖松動圈的厚度也可用修正后的芬納公式計算：

式中：P為地應力，MPa；φ 為內摩擦角，°；C為巖石粘結力，MPa；r為巷道半徑，m；Ps為支護反力（注漿時Ps=0）。由于巷道所受壓力P為10 MPa，內摩擦角φ取42°。粘結力C取8 MPa，半徑r取2.92 m。代入公式，R=2.942 7。按注漿加固厚度大于松動圈半徑，并結合現場實際，選取注漿孔合理深度為5 m。

2）注漿壓力。根據經驗公式及工程實際，注漿壓力由下式確定

式中∶K為注漿段的壓力系數，MPa/m；深度小于200 m時，K=0.023～0.021，深度為 200～300 m時，K=0.021～0.020，深度為300～400 m時，K=0.020～0.018。對深度400 m的巷道，K可取0.018；R0為注漿孔有效長度，m。P0=0.018×5=0.09 MPa。注漿過程中，由于破碎圍巖常對注漿材料產生一定的阻力。若注漿材料要順利進入深部破碎圍巖內，在注漿過程中需重點考慮注漿壓力的大小。通常情況下，理論計算的壓力往往偏小，為保證注漿具有較大的影響范圍，注漿需用較高壓力。通過分析現場實際及結合相關注漿壓力理論，注漿壓力選取2 MPa。

3）注漿最大影響半徑?？梢罁涷灩剑?/p>

式中：P0為注漿孔口的有效壓力，2 MPa；bm為裂隙張開度，5×10-4m；τ0為注漿液動切力，4 Pa；ρ為漿液密度，1 600 kg/m3；α 為裂隙等效傾向，45°；k為修正系數，0.2～0.5；θ為漿液擴散方向，45°。代入上式得rmax為1.5 m。

4）注漿量。為保證注漿效果理想，要盡量滿足相鄰注漿孔注漿范圍的重疊，以達到改善圍巖整體力學特性的效果，每個注漿孔的注漿量需滿足一定的要求。即在注漿時，注漿需達到孔不再吃漿為止，故有：

式中：Q為每個孔注漿注入量，m3；r為漿液有效擴散半徑，1.5 m；n為巖石孔隙率，n＜1取 4%；L為注漿孔總深度，5 m；α為有效充填系數，α＜1取90%；β為漿液耗散系數，β＞1取1.3。則Q=1.65 m3.

5）注漿孔布置∶巷道圍巖注漿孔的布置形式，對注漿效果的好壞影響較大。合理布置注漿孔的形式需滿足∶①注漿孔能吸收較多的注漿量；②注漿后，漿液擴散半徑較大，基本能對巷道周圍所有破碎圍巖起到一定的封閉加固作用；③注漿后的漿液能較均勻地分布與巷道圍巖中。根據潞安集團余吾煤業公司南軌大巷實際情況，對巷道采取注漿加固支護方法，注漿孔排距3 m，孔深5 m，間距1 m，注漿有效擴散半徑1.5 m。

4.2 支護效果監測

通過上述分析與模擬，為驗證“注漿+錨索錨桿”聯合支護的實際效果，在南軌大巷掘進面破碎帶附近實施該聯合支護方案，每隔20 m布置1個礦壓觀測站，共布置3個測站，觀測巷道表面位移及錨固力隨掘進推移的而變化。見圖7-10。

從圖看出，采用優化后的支護，巷道變形基本穩定，頂底板最大移近量127 mm，兩幫最大移近量113 mm，說明頂底板及兩幫巖體的整體性和穩定性較好,得到明顯控制；錨桿錨索受力也較均衡，錨索受力穩定在200 kN左右，錨桿受力也穩定在70 kN，均達設計要求，表明注漿配合錨網支護既加固了圍巖，又發揮了錨索錨桿的錨固作用，形成有效的組合拱結構，巷道壓力顯現不明顯,頂幫支護完好；觀測結果表明巷道收斂明顯變小，圍巖穩定性增加，該優化方案取得良好支護效果，支護參數也較合理。

圖7 巷道頂底板變形量圖

圖8 巷道兩幫板變形量圖

圖9 錨索受力情況監測圖

圖10 錨桿受力情況監測圖

5 結論

①針對破碎圍巖支護難題，采用注漿支護，可明顯改善圍巖變形形態及其力學性質，在破碎圍巖中形成良好韌性和粘度的骨架結構；注漿在充填壓密裂隙的同時，常會改變圍巖受力，并會改變破壞機理。②通過UDEC數值模擬分析，原方案變形破壞特征與巷道實際變形破壞特征相符，可說明模擬參數的選取合理性，保證了錨注支護方案模擬結果與實際相符。③通過數值模擬及現場實測結果表明：破碎圍巖支護難題，采用注漿作為支護第一步，可有效提高圍巖的完整性，改善圍巖受力狀態，并為錨桿錨索提供穩定的有效著力點，保證了巷道支護的長期穩定。④對于圍巖較破碎的巷道，采用注漿+錨桿錨索聯合支護，可有效控制圍巖頂底移近量及兩幫收斂量，巷道支護效果理想，可為今后類似巷道支護借鑒。

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