深部軟巖底板超長孔預應力錨索注漿加固技術

陳根生 查德求

深部軟巖底板超長孔預應力錨索注漿加固技術

陳根生 查德求

淮南礦業顧北煤礦 安徽淮南 232151

底臌是煤礦巷道中經常發生的礦壓現象，巷道底臌后斷面縮小，影響運輸、通風和人員行走，不利于礦井安全生產。底臌對巷道造成嚴重影響，反復臥底不但造成經濟損失，還同時會影響幫頂圍巖的整體穩定性。本文以淮南礦業集團顧北煤礦南翼軌道大巷絞車房為例，介紹巷道底板錨桿（索）、底板加固支護參數及施工工藝，使用后，絞車房硐室穩定狀況良好，底板加固效果顯著，巷道未出現以往絞車房中底鼓速率大、持續時間長的問題，解決了深部高應力硐室因底板變形而需頻繁巷修的難題，支護效果較為理想。

底臌；預應力錨索；注漿加固

一、概述

底臌是煤礦巷道中經常發生的礦壓現象，巷道底臌后斷面縮小，影響運輸、通風和人員行走，不利于礦井安全生產。底臌對巷道造成嚴重影響，反復臥底不但造成經濟損失，還同時會影響幫頂圍巖的整體穩定性。本文以淮南礦業集團顧北煤礦-648m水平南翼軌道大巷絞車房為例，介紹巷道底板錨桿（索）、底板加固注漿支參數及施工工藝。

二、地質條件分析

該巷道位于11-1煤底板以下，距11-1煤底板10.1～12.9m，圍巖以泥巖、煤線和砂質泥巖等為主。巖層較為破碎，距底板約7.5～8.8m有一層厚1.3m的細砂巖。

砂質泥巖總體特征為強度低，軟化系數小，水理性質不良，抗風化力差，與水作用時容易失水收縮浸水膨脹崩解。研究資料表明：砂質泥巖是一種弱膨脹非水穩性軟巖，只要控制砂質泥巖的含水狀態，不使含水量損失率超過初始值的40%，完全可以控制砂質泥巖的崩解作用。否則，在干燥狀態下浸水，或在飽水狀態下迅速失水，都會導致工程性質惡化。在工程建設中，在可能條件下，應盡可能防止其天然含水狀態發生強烈變化，否則砂質泥巖在數十分鐘內就會全部崩解成泥狀。

三、底臌發生機理及支護對策

（一）影響底臌的主要因素

對于不同的巷道或硐室而言，其破壞的機理可能存在較大差異。影響巷道變形的因素很多，如圍巖巖石物理力學特性、礦物組成、巖體構造、構造帶（如斷層、褶皺、褶曲）等的影響，其他還有水、瓦斯、溫度、設計、支護結構與施工工藝及質量均對巷道產生一定的影響。

（二）底臌發生機理

造成底板圍巖整體剪切破壞原因主要包括以下兩方面：其一，隨著巷道開挖及支護進行，頂部塌落區圍巖將通過兩幫逐漸向底板進行荷載轉移，引起底板基底壓力逐漸增加，誘導底臌發生；其次，當巷道開挖時，幫腳、底角附近處圍巖最易產生應力集中，形成較高的偏差應力，且局部地區為二向應力狀態，此處巖體強度極低及最易產生剪切破壞，即底板抗剪承載力下降，加速底臌發展。因而，底臌的最主要原因是底板臨界剪切滑移面巖體抗剪強度不足引發的。

（三）全長預應力注漿錨索技術

全長預應力注漿錨索其具體施工工藝是采用注漿的方法首先將預應力錨索一端錨固在巷道底板深部穩定圍巖中，然后進行初次張拉，給錨索另一端施加一定的主動作用力，使錨索具有一定的預應力。在此基礎上再進行錨索孔全長范圍內的高壓注漿。漿液凝固后對錨索最后進行張拉，并張拉至設計錨固力值，保證錨索在全長范圍內具有較高的預應力，真正實現了錨索對破碎巖層的主動支護，巖體壓力荷載便通過錨索被傳遞到深部穩定的巖體，深部穩定的巖層自穩潛能得到充分發揮，從而可以有效控制巷道底板變形。

目前煤礦巷道、硐室支護采用的錨索主要分兩種：

1.樹脂錨固錨索：柔性鋼絞線作為錨索索體，外端安裝讓壓式鎖具、托盤或錨梁等構成一套錨索，安裝時采用攪拌藥卷式樹脂錨固劑錨固，也稱為端錨式錨索支護。

2.全長注漿錨索：中空錨注錨索采用螺旋肋預應力鋼絲加工的內有注漿管的螺紋緊固錨索，最主要的結構特點是索體中空結構，自帶注漿芯管，錨固段有三個鳥巢狀出漿孔。這樣既有利于出漿，又有利于錨索、錨固劑與圍巖之間的緊密粘結，可以實現與大孔徑鉆孔的有效貼合。

中空注漿錨索采用螺旋肋預應力鋼絲突出的優點就是其錨固強度、載荷傳遞特性和錨固延性比用鋼絞線截割成的錨索有大幅度的提高。采用高強度螺旋肋預應力鋼絲制造錨索的錨固強度比相同直徑的用鋼絞線截割成的錨索提高15%以上，而錨固延性可提高25%以上。

四、泥質膠結圍巖注漿加固影響因素

1.水泥石的破壞基本呈軸向劈裂破壞，在側向壓力作用下的破壞模式主要是拉伸破壞。

2.隨著孔隙率的增加，注漿固結體的彈性模量逐漸增大，單軸抗壓強度也呈增大趨勢。

3.相同圍壓下，隨著孔隙率的增加，注漿固結體峰值應力逐漸增加；隨著圍壓增加，注漿固結體的殘余強度逐漸增加，且破壞模式逐漸向延性破壞轉變。

4.注漿固結體的粘聚力隨著孔隙率的增大呈增長趨勢，符合對數函數關系；而內摩擦角隨孔隙率增大而減小。

圖5 .1基礎底部錨索+錨梁布置示意圖

5.彈性模量隨著孔隙率的增大呈對數函數增長，而泊松比變化規律不明顯。

6.裂隙不太發育的巖體中，且注漿壓力較低時，漿液只能對界面起到一定的膠結作用，對于巖體強度增強作用不明顯。該探索性試驗的結果恰能真實反映煤礦深部巷道注漿過程中表面止漿層封漿不好，注漿壓力無法達到設計要求，從而造成注漿加固作用失效的情況。

五、底板支護技術與方案

（一）支護總體思路

絞車房基礎加固采用基坑幫部錨桿掛網+水平錨索+底板超長孔預應力注漿錨索配合槽鋼錨梁+錨索深孔注漿+底角注漿花管+底角地梁的支護方式，絞車基礎開挖后，采用錨桿配合鋼筋網及時加固基坑直墻圍巖，起臨時支護作用，防止基坑直墻垮落，保證施工安全；水平錨索起到束縛基坑直墻水平位移作用，配合水平錨桿共同增強基礎圍巖水平抗力；基礎底板錨索“生根”在底板兩層細砂巖上，配合錨梁將底板應力轉移至深層穩固巖體中，有效擴大承載圈；底角花管起到增強底板抗剪切滑移的作用，同時，保持一定外露長度與澆筑基礎形成一體，增強基礎抗垂直位移能力，一定程度上可以增強基礎運營期抗傾斜能力。錨索注漿與底角花管注漿補強加固起到圍巖固結和損傷修復的作用，整體增強圍巖，同時，注漿可以實現錨索的全長錨固，有效改善錨索與圍巖的貼合程度，顯著增強錨索的受力狀態。

（二）支護技術參數

1.基礎掏挖過程中使用錨桿（ 22mm，L=2500mm）對幫部進行支護，錨桿間排距700×700mm，掛 6鋼筋網。基礎坑墻距底板1.0m處施工水平錨索（ 22mm，L=7200mm），錨索間排距1.5×1.5m，下扎角度30°。

2.基礎底部施工槽鋼組合錨索，槽鋼采用14#槽鋼，要求緊貼巖面，錨索采用中空注漿錨索（ 22mm，L=7200mm），錨索外露1.0m，間排距1.0m×1.0m；錨索施工完畢后，對基礎底部進行注漿加固，注漿壓力6MPa。如圖5.1所示。

3.施工注漿花管，規格：42mm L=7m，間距1.5m，注漿壓力6MPa，封孔400mm。距基底400mm處施作，與水平線夾角45°，外露300～400mm。

4.基礎澆筑結束后，澆筑底角地梁。先在距底板270mm高度打地幫角錨桿，規格 22 L2500mm，排距1500mm，外露100～200mm。鋼筋籠敷設于底角，澆筑強度等級C30的混凝土。鋼筋籠縱筋箍筋均采用 16mm鋼筋，箍筋排距300mm，如圖5.2所示。

5.注漿材料：注漿材料選用水泥漿材，即水泥——水玻璃雙液漿。水泥采用42.5MPa普通硅酸鹽水泥。錨索注漿壓力6 Mpa。水泥漿的水灰比應控制在(0.65～0.9):l。水玻璃濃度一般應控制在10～30 Be。水泥漿與水玻璃之比應控制在1:(0.1～0.15)。

圖5 .2.a底角地梁

圖5 .2.b鋼筋籠

六、結論

通過對南翼軌道大巷2.5m絞車房的現場圍巖穩定性監控數據分析，得到以下幾點結論：

1.兩幫經過支護后變形量很小，平均變形速率都低于0.05mm/d，可認為基本沒有變形，兩幫治理效果較好；

2.近20天內硐室3個測站最大累計底臌量不足10mm，說明底板治理效果顯著，底板采用超長底板注漿錨索+注漿花管+底角地梁的支護措施初顯成效；

3.深部位移監測結果顯示：底板位移都經歷了一個從快速變形到穩定的階段，在初期（9月10日之前）未施工完繩道地錨之前變形增長較快，之后深部變形趨緩，均低于0.003mm/d，呈收斂趨勢。

4.錨索軸力監測結果顯示：基礎坑內中間段錨索受力水平較邊緣段錨索高，這與前期底板治理方案數值模擬結果一致，間接證明基坑底部豎直方向位移為中間大兩側小；

5.混凝土應力計監測結果顯示，基礎水平方向主要受近繩道走向來壓，而垂直繩道走向的微弱，豎直方向受力為混凝土自重產生的壓力。

綜合分析，在目前的支護體系下，南翼軌道大巷2.5m絞車房及其銜接巷道底板支護效果較為理想。

陳根生，男，1983-，安徽桐城人，本科。2005年畢業于河南理工大學采礦系，現就職于淮南礦業集團顧北煤礦。