復雜地質(zhì)條件下預應力注漿錨索全長錨固技術(shù)研究與應用

于振子

(1.中國平煤神馬集團 煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山 467099； 2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 煤炭開采利用研究院，河南 平頂山 467099)

隨著礦井逐步轉(zhuǎn)入深部開采，地質(zhì)條件日益復雜，巷道支護難題越來越突出，深部軟巖巷道高應力下支護困難、巷道變形嚴重等安全隱患增多，所掘巷道不斷陷入“前掘后修”、“屢修屢壞”的惡性循環(huán)，不僅巷道綜合維護成本成倍增高，而且對礦井的安全生產(chǎn)造成嚴重威脅[1-3]。結(jié)合采掘深度及現(xiàn)場地應力條件狀況，對支護工藝、支護材料、巷道設計等不斷地革新，盡量降低圍巖的破壞，保障現(xiàn)場施工環(huán)境，從而提高施工效率。因此，針對如何在復雜地質(zhì)區(qū)域條件下滿足支護強度提出了更高的要求[4]。

近年來，發(fā)展起來的注漿錨固技術(shù)在礦山和巖土工程支護中得到了較大推廣，其現(xiàn)場應用效果十分明顯，尤其是在深部軟巖錨固支護中效果顯著。從美國、德國、澳大利亞等國家支護技術(shù)發(fā)展情況來看，采用預應力鋼絞線截割錨索的辦法逐漸成為歷史，針對礦山企業(yè)的實際應用條件采用專門的技術(shù)、材料和設備制造全新結(jié)構(gòu)形式的錨索產(chǎn)品已經(jīng)成為礦用錨索的技術(shù)發(fā)展趨勢[5-7]。錨固支護和注漿加固支護技術(shù)的有機結(jié)合是注漿錨索支護的顯著特征[8]。其特點是利用空心錨索代替注漿管線材料，在錨索進行深部錨固的基礎上，通過化學漿液的調(diào)配與破碎圍巖的綜合反應，提高固態(tài)化圍巖的整體強度和自承能力，從而提高巷道的整體穩(wěn)定性，使巷道變形得到有效抑制[9]。

1 工程概況

平煤礦區(qū)某礦-700 m高位瓦斯巷巷道設計總長度為2 298 m，凈寬5.4 m，凈高4.1 m，凈斷面面積19 m2，原支護形式采用錨網(wǎng)噴+錨索支護。層位布置在庚20煤層以上10～40 m的巖層中，巷道開口處位于-700 m水平進風石門與-700 m車場交叉點，層位位于L2灰?guī)r以上3.3～3.7 m的巖層中。巷道為穿層施工，該錨索注漿段主要在砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖中施工。-700 m高位瓦斯巷位于三水平庚一采區(qū)，工作面標高-669～-740 m，東鄰三水平庚一采區(qū)軌道下山，西到三水平庚一輔助采區(qū)軌道下山。注漿前由專業(yè)機構(gòu)對此段巷道選取了2個觀測斷面進行圍巖結(jié)構(gòu)觀測工作，觀測站相距40 m。圍巖結(jié)構(gòu)觀測站位置及布置如圖1所示。

每個觀測斷面分別在頂板、拱部、幫部布置3個觀測鉆孔，鉆孔間距2 m，鉆孔直徑30 mm，觀測深度為8 m。結(jié)合觀測點數(shù)據(jù)，該巷道的地應力顯著增大，巷道周圍應力增高，裂隙發(fā)育較為明顯，破碎巖體逐步增多，現(xiàn)場施工過程中支護和掘進困難。

(1)巷道變形速度快、變形量大，底鼓嚴重。深部高強度應力作用下，巖石能量集中，開挖后由于卸荷作用，巖土聚集的能量由于外巖的破壞而加速釋放。在最大與最小應力集中的位置，深部圍巖破壞最為明顯，現(xiàn)場施工過程中體現(xiàn)為巷道片幫、冒頂、底鼓等現(xiàn)象突出，力矩測定儀釋放壓力增大，支護材料變形增多。數(shù)據(jù)顯示，在煤巷中，同一區(qū)域埋深從500～1 000 m時，每增加100 m，其變形量和變形速度增加1.2～1.3倍；當深度超過1 000 m時，其返修量是淺部圍巖的3～15倍[10-11]。

圖1 圍巖結(jié)構(gòu)觀測站位置及布置Fig.1 Location and arrangement of surrounding rock structure observation station

(2)巷道穩(wěn)定性受巖性的影響明顯增強。埋深較淺時，巷道的變形與巖層的性質(zhì)聯(lián)系不大，在這種情況下，設計巷道開口位置時，巖層的性質(zhì)基本不考慮。同一條巷道，圍巖性質(zhì)不同，支護形式、支護參數(shù)選擇相同就可以滿足巷道長期使用的目的；當埋深較深時，巷道的變形與巖性的變化聯(lián)系緊密，巷道位置的選取首先考慮巷道周圍的巖性，相同巷道由于圍巖性質(zhì)的不同，支護形式和參數(shù)的選取變得復雜[9-10]。

(3)深部開挖巷道持續(xù)變形和流變。開挖淺部巷道時，巖土變形影響周期為3～5 d，隨后圍巖趨于穩(wěn)定；當掘進深部圍巖時，巷道周圍擾動較大，當支護設計不科學時，巷道變形對現(xiàn)場破壞比較嚴重[12-13]。尤其是由于動壓的存在，導致圍巖受應力變形程度更高，破壞區(qū)域更廣。考慮預留煤柱期間，受其支護范圍影響，經(jīng)濟和安全方面不合理[14]。

(4)淺部圍巖在臨近破壞時出現(xiàn)加速變形。根據(jù)淺部圍巖破壞情況，一般會安裝力矩測定儀等輔助工具進行現(xiàn)場預測預報。由于淺部圍巖破壞程度涉及面小，而深部圍巖受較大地應力影響，破壞前兆不明顯，圍巖變形較小，利用現(xiàn)場實時監(jiān)測的方法很難預判。這就造成深部圍巖在達到應力集中后對現(xiàn)場的破壞具有長期性、連續(xù)性和災難性特征，如大面積垮落、冒頂?shù)仁鹿省?/p>

2 聯(lián)合支護機理

注漿—錨索聯(lián)合支護技術(shù)在煤礦和其他礦山中應用廣泛，錨索具有較大的錨固預緊力，可以長久持續(xù)作用在深度圍巖中，將裂隙破碎等不穩(wěn)定圍巖錨固在穩(wěn)定的巖層中，具有多樣性、復雜性和可靠性特征，已成為破碎圍巖深度支護的主要形式[15]。注漿加固支護技術(shù)是利用化學藥劑在強壓狀態(tài)下將漿液注入破碎圍巖裂隙中，通過化學藥劑與破碎帶的綜合反應，致使原有圍巖結(jié)構(gòu)與性質(zhì)發(fā)生改變，改善破碎帶圍巖的整體穩(wěn)定性和固有圍巖強度，提高破碎帶區(qū)域圍巖整體的力學性能，從而加強破碎帶區(qū)域圍巖的受力特性，是煤礦在破碎帶圍巖加強支護的一種有效措施[16]。將二者有機結(jié)合、相互作用，對提高和加固破碎帶圍巖的整體穩(wěn)定性工程效果顯著。

2.1 錨索支護機理

將錨索注入圍巖深部并進行預加緊力是預應力錨固技術(shù)的顯著特點[17]。鉆孔后，按照設計要求，將一定數(shù)量的化學藥卷塞進孔內(nèi)，利用錨索鉆機一次性將錨索注入孔內(nèi)，首先錨索深部內(nèi)錨固段預緊后，外錨固段安裝鎖盤通過鎖具鎖緊固定，最后使用拉拔儀對整個錨索施加預緊力，達到預定設計強度要求。錨索受預緊力張緊后，與巷道縱斷面以同一角度的應力分布線傳遞到整體圍巖結(jié)構(gòu)面上，通過圍巖支護與構(gòu)件體的相互作用，錨固預緊力通過點載荷(錨索端點)形式轉(zhuǎn)化為面載荷(鎖盤)均勻分布給整體圍巖周圍的錨固物穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面上，整個圍巖區(qū)域在統(tǒng)一載荷的共同作用力下受力均勻。錨固體在這種預應力綜合作用下，當不同方向的壓力作用于圍巖，改變了應力原有狀態(tài)，提高了圍巖整體的抗變形強度。根據(jù)圍巖巖性，設計合理的錨注參數(shù)，使松散圍巖在錨固張緊力作用下形成“自承壓力拱”，強化圍巖的整體穩(wěn)定性和內(nèi)在承壓能力，改善整個開挖巷道內(nèi)區(qū)域圍巖的受力狀態(tài)，正確引導圍巖不良變形狀態(tài)轉(zhuǎn)化，有利于安全生產(chǎn)，保持開挖巷道區(qū)域圍巖趨于穩(wěn)定[18-19]。另外，錨索張緊后外漏部分可以懸吊和牽引物件，對井下設備設施的吊裝起到支點作用，因其設計預緊力大、作用范圍廣而普遍應用。

2.2 注漿支護機理

針對巷道發(fā)育裂隙帶或破碎帶圍巖變形區(qū)域，通過一定配比的化學材料均勻混合成漿液，并在與外界隔絕高壓狀態(tài)下，利用高壓注漿泵將化學漿液通過輸送管路注入弱面不穩(wěn)定圍巖裂隙區(qū)域，充填和提高破碎帶圍巖密實度，使圍巖應力集中減弱，改變應力特性，增加破碎帶或裂隙的穩(wěn)定性，從而提高深部圍巖自身巖體強度和自承能力。

3 圍巖結(jié)構(gòu)特征分析

根據(jù)2個圍巖結(jié)構(gòu)觀測站鉆孔窺視結(jié)果，現(xiàn)將不同觀測部位圍巖破碎程度的相關(guān)參數(shù)進行對比(表1)。

表1 圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)育狀態(tài)參數(shù)Tab.1 Parameters of surrounding rock structure development state

從表1中可以看出：

(1)巷道圍巖以泥巖為主，局部為泥質(zhì)砂巖，頂板存在厚1 m左右己15煤，力學強度指標較差。

(2)巷道圍巖結(jié)構(gòu)已呈現(xiàn)整體性破壞，其頂板及肩部破壞強度明顯大于幫部。

從巷道圍巖破壞范圍看，1號觀測站自頂板向下分別為2.2、1.9、2.5 m，2號觀測站自頂板向下分別為5.5、4.5、6.3 m，巷道各部位均出現(xiàn)深度不等的裂隙帶和裂隙，為整體性破壞，且頂板和肩部圍巖破碎區(qū)深度范圍整體上較幫部明顯較大，說明頂板和肩部圍巖破壞強度大于幫部。

(3)圍巖頂板及肩部裂隙分布密度和發(fā)展速度明顯高于幫部。從圍巖裂隙密度上看，1號觀測站頂板和肩部裂隙密度分別為9.0、6.8條/m，2號觀測站頂板和肩部裂隙密度分別為5.6、4.8條/m，均比其幫部裂隙密度2.5條/m和4.0條/m大，呈現(xiàn)頂板和肩部的分布密度和發(fā)展速度明顯高于幫部的現(xiàn)象。

(4)巷道圍巖結(jié)構(gòu)隨時間推移，變形破壞范圍逐步加大，且現(xiàn)階段仍處于變形和破壞之中，遠未達到穩(wěn)定期。1號觀測站斷面掘出時間晚于2號觀測站斷面15 d左右，從二者圍巖破壞范圍對比上看，1號觀測站圍巖破壞深度分別為2.2、1.9、2.5 m，明顯小于2號觀測站圍巖破壞深度5.5、4.5、6.3 m，巷道圍巖結(jié)構(gòu)破壞持續(xù)發(fā)展，并不斷變化。

(5)現(xiàn)階段巷道圍巖松動圈達到6.3 m以上。從巷道圍巖結(jié)構(gòu)完整區(qū)深度上看，現(xiàn)階段巷道圍巖6.3 m范圍內(nèi)均有裂隙和節(jié)理發(fā)育，6.3 m以外巖體相對完整，未有裂隙、節(jié)理發(fā)育，說明現(xiàn)階段巷道圍巖松動圈達到6.3 m以上。

4 錨索注漿設計

根據(jù)該巷道實際地質(zhì)條件，結(jié)合設計要求和圍巖觀測情況，制止巷道變形，重點對巷道頂板及拱部進行錨索注漿加固。錨索注漿段起始位置在-700 m高位瓦斯巷開口20 m處向前120 m范圍內(nèi)。注漿錨索統(tǒng)一為φ22 mm×7.2 m的鋼絞線錨注一體中空注漿錨索，間排距均為1 500 mm，每斷面內(nèi)布置5個錨索注漿孔(圖2)。注漿采用普通水泥單漿液，通過注漿錨索利用泵壓注入漿液，提供合理的支護阻力，適應圍巖變形，有效保持圍巖穩(wěn)定，達到支護巷道、加強圍巖應力的目的。

5 注漿施工

5.1 施工方法

(1)鉆孔。采用MQ7-130/2.9C型風動鉆機鉆孔，鉆頭利用φ28 mm的復合片金屬材質(zhì)，鉆桿利用φ19 mm中空六角鋼釬材質(zhì)，長1 m，濕式打眼，孔深設計7 200 mm，錨索長6 900 mm，外伸長度300 mm，孔深誤差控制在±50mm。鉆孔角度與巖體切面保持90°，避免成孔角度過大造成張拉時錨索彎曲，從而影響巖性穩(wěn)定和實施效果。

圖2 注漿錨索斷面布置Fig.2 Layout of grouting cable section

(2)施工工序。待鉆孔實施后，開始進行注漿錨索的下一工序施工。實施前在距離錨索一端約300 mm左右設置止?jié){塞，鉆孔孔口設置為喇叭口形狀，在錨索端頭上纏繞適量棉線或棉紗。安裝時，保持錨索盤與巖面貼緊，每個鉆孔內(nèi)塞進Z2335型樹脂藥卷4支，用輕質(zhì)錨桿將樹脂藥卷推向鉆孔底部，將錨索與連接套頭連接后，并將錨索鉆機套頭與連接套頭鎖緊后啟動設備，將錨索與樹脂藥卷一同注入孔底，攪拌旋轉(zhuǎn)30 s后停止運轉(zhuǎn)，并撤下設備，錨固深度控制在1 500 mm。注漿錨索停注后，首先檢驗封孔口效果，當孔口與止?jié){塞周圍存在較大縫隙時，及時采用棉紗封堵，然后依次將托盤、球形墊圈、索具安裝到位，待錨盤壓緊后利用張拉機開始張拉，根據(jù)錨固力設計要求，錨注張拉后預緊力不小于190 kN。

5.2 注漿參數(shù)

①水泥漿液的配制：水泥漿液的水灰比為1∶2(質(zhì)量比)。為增加漿液流動性，使用ACZ-1型添加劑量為水泥質(zhì)量的8%。②注漿壓力：錨索注漿壓力終壓控制在5～8 MPa。③注漿時間：單孔注漿從開始到被注載體中所需要的時間一般為15～20 min。

5.3 注漿工序

按照定眼位→鉆孔→查驗鉆孔質(zhì)量→安裝注漿管路→準備注漿→開泵注漿的順序進行[20]。注漿泵及輔助設施準備到位后，按照先兩幫再頂部的施工順序進行操作。開始注漿前，拆除鎖具及錨盤，保持注漿球閥與錨索尾部的內(nèi)螺紋相連，二者可靠連接，最后將注漿球閥管路端與注漿泵安裝完畢。檢查各注漿閥門、管路及連接是否完好，確認無誤后方可啟動設備。首先打開注漿供風管路，再啟動注漿泵，剛啟動時注漿速度不宜過快，合理調(diào)節(jié)截門按照由小到大進行，保持漿液混合均勻進入注漿管路。注漿過程中，聽到設備聲音比較沉悶同時管路不再吸收漿液時，按照先停止注漿泵、再關(guān)閉錨索頭部截門最后打開卸壓管路的順序逐步進行。重復同樣的操作步驟逐根進行加固注漿，最后將錨索端部的輔件擰緊，保持一定的錨固張緊力。

6 注漿前后圍巖變形對比

注漿區(qū)域平面如圖3所示，觀測點斷面如圖4所示，注漿前后圍巖變形對比如圖5所示。

圖3 注漿區(qū)域平面Fig.3 Plan of grouting area

圖4 觀測點斷面Fig.4 Section of observation point

圖5 1號、2號注漿點注漿前后變形量曲線Fig.5 Deformation curve of No.1 and No.2 grouting points before and after grouting

從圖中可以看出，1號點頂板兩側(cè)近4.1 m與2號點頂板兩側(cè)近4.6 m范圍，注漿前頂板呈現(xiàn)逐漸下沉趨勢；通過注漿錨索注漿支護約30 d后頂板趨于穩(wěn)定，監(jiān)測近6個月，巷道注漿段頂板變形量很小，處于擾動無變化狀態(tài)，取得了良好的支護效果。

7 注漿錨索技術(shù)創(chuàng)新點

(1)注漿錨索支護后能使普通錨索實現(xiàn)深部錨固，從而提高錨索的錨固力和可靠性，保證支護結(jié)構(gòu)的區(qū)域穩(wěn)定。利用注漿錨索支護技術(shù)充填圍巖裂縫，可形成多層有效的集群組合拱，通過錨索注漿漿液在破碎帶圍巖和裂隙中的擴散與加固作用，有效提高支護圍巖區(qū)域結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和承壓載荷強度范圍。

(2)通過錨索注漿使支護結(jié)構(gòu)斷面的尺寸加大，降低了支護結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的拉應力和壓應力，注漿過程中對破碎巖體加以膠結(jié)，也能提高圍巖自身的穩(wěn)定，提高了自身強度，從而擴大了支護結(jié)構(gòu)的適應性和區(qū)域范圍。

(3)中空注漿錨索為新型中空結(jié)構(gòu)，自帶注漿芯管，采取逆向注漿模式，不但避免了氣穴集聚的可能，有效填充漿液在裂隙和破碎圍巖中的密實度，而且減少了注漿管路及附件的排設和布置，施工工藝簡單，操作方便。

8 結(jié)語

通過現(xiàn)場測試和數(shù)據(jù)監(jiān)測，在已有普通支護的基礎上利用注漿錨索加固和加強支護技術(shù)，以此提高支護形成的承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和巖體的強度，達到制止巷道圍巖變形和長久支護的目的，為單一支護向聯(lián)合、耦合支護轉(zhuǎn)變提供了技術(shù)借鑒。

(1)利用聯(lián)合注漿加固技術(shù)，有效改變破碎帶及節(jié)理裂隙區(qū)域深部發(fā)育軟弱巖層的結(jié)構(gòu)特征，增強破碎帶圍巖的黏結(jié)性能和整體承載特性，從而降低作用在錨索(桿)上的載荷強度，達到開挖巷道區(qū)域穩(wěn)定的生產(chǎn)環(huán)境。

(2)注漿加固區(qū)域帶保證了錨索(桿)穩(wěn)定的受力能力，錨固區(qū)域穩(wěn)定，破碎及裂隙帶錨固作用力增強，因此對改善和提高破碎帶區(qū)域圍巖的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、有效遏制破碎帶圍巖變形具有明顯效果。

(3)與普通錨索單一支護相比，該技術(shù)降低了后期維修成本，有效延長了巷道服務年限，保障了施工期間及后期工作面環(huán)境的安全，對礦井實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展具有現(xiàn)實意義。