高強(qiáng)錨注支護(hù)技術(shù)在破碎圍巖巷道圍巖控制中的應(yīng)用

程兆輝(內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古鄂爾多斯017300)

1 前言

隨著采深加大,煤炭開(kāi)采逐漸面臨著高應(yīng)力、軟巖、構(gòu)造等難題,巷道圍巖條件變差,導(dǎo)致圍巖本身支撐能力減弱,巷道支護(hù)更加困難,常常出現(xiàn)變形、失穩(wěn)、底鼓等破壞現(xiàn)象[1-2]。受“三高一擾動(dòng)”的影響,現(xiàn)有的支護(hù)方案難以滿足巷道支護(hù)穩(wěn)定要求[3],高強(qiáng)錨注支護(hù)技術(shù)的快速發(fā)展,為復(fù)雜條件下的巷道圍巖支護(hù)提供了一種新的解決方案[4]。高強(qiáng)錨注支護(hù)通過(guò)使用注漿錨桿,在不增加鉆孔工作量的基礎(chǔ)上,既發(fā)揮了錨桿的懸吊、組合、加固作用,又發(fā)揮了漿液的凝結(jié)加固作用[5-7]。漿液被注入圍巖后,具有凝結(jié)巖塊、滲入壓密裂隙的作用,將破碎的圍巖膠結(jié)成一體,完整性得以極大提高[8-10],漿液同時(shí)也封堵了圍巖內(nèi)原有較大裂隙,在壓力作用下將較細(xì)小裂隙擠壓密實(shí),增大了圍巖的自身強(qiáng)度;注漿后,可阻止地下水浸入導(dǎo)致的圍巖膨脹變形。文章通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等,在原有錨網(wǎng)索支護(hù)的基礎(chǔ)上,提出高強(qiáng)錨注支護(hù)方案,投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,結(jié)果表明,高強(qiáng)錨注支護(hù)技術(shù)可以有效提升巷道圍巖自我承載能力,圍巖完整性及強(qiáng)度有效提升,巷道變形得到有效控制,為類似條件破碎巷道圍巖控制提供借鑒。

2 工程概況

2.1 巷道概況

某礦北部盤(pán)區(qū)因采深大、應(yīng)力高,巷道支護(hù)難度較大,實(shí)測(cè)水平應(yīng)力可達(dá)21～25 MPa,垂直應(yīng)力可達(dá)18～20 MPa,但該區(qū)域巖體試驗(yàn)實(shí)測(cè)單軸抗壓強(qiáng)度還不到16 MPa,應(yīng)力高與支撐能力間的不對(duì)等導(dǎo)致該區(qū)域巷道施工后,圍巖被迅速壓裂,裂隙大范圍延展,持續(xù)深入到圍巖深部,導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞。

為進(jìn)一步研究高強(qiáng)錨注支護(hù)技術(shù)在復(fù)雜圍巖條件下的支護(hù)作用,在北部盤(pán)區(qū)軌道巷施工中選擇部分區(qū)段試用高強(qiáng)度注漿錨桿、高強(qiáng)度注漿錨索,對(duì)比原有支護(hù)與高強(qiáng)錨注支護(hù)巷道圍巖變形情況。

2.2 支護(hù)現(xiàn)狀

北部盤(pán)區(qū)軌道巷設(shè)計(jì)為拱形斷面,巷道寬5 m,高4.3 m,采用“錨桿+錨索”支護(hù),頂板采用4 根錨桿+3 根錨索相互交替的方式布置錨網(wǎng)索,錨桿錨索間排距為800 mm×900 mm,錨索排距為1 800 mm,巷道兩幫各布置3 排錨桿,排間距為800 mm ×800 mm,最下排距巷道底板900 mm。頂部錨桿選用φ20 mm×2 200 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿;錨索選用φ17.8 mm ×8 500 mm 的鋼絞線。兩幫錨桿選用φ18 mm×2 000 mm 的普通圓鋼錨桿。

現(xiàn)場(chǎng)鉆孔可見(jiàn),巷道圍巖內(nèi)部較為破碎,破碎帶、裂隙帶層次明晰,符合松動(dòng)圈理論。

3 高強(qiáng)錨注支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

3.1 高強(qiáng)錨注支護(hù)機(jī)理

目前,適用于錨桿支護(hù)的理論有懸吊理論、組合梁理論、加固拱理論,即錨桿支護(hù)將圍巖中相對(duì)不穩(wěn)定的巖層懸吊在基本頂?shù)容^穩(wěn)定巖層上,或是錨桿將圍巖各層組合為一個(gè)整體厚層,或是錨桿的預(yù)應(yīng)力將各拱形承載層組合為一個(gè)較厚的支撐體,形成一個(gè)穩(wěn)定的支撐體系,保證巷道穩(wěn)定不變形破壞。而這幾個(gè)理論的前提,均需要較為穩(wěn)定的巖層作為基礎(chǔ),在深部較為破碎的圍巖條件下,無(wú)法將破碎的巖塊懸吊、組合、加固,也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定支護(hù)。

高強(qiáng)錨注支護(hù)技術(shù)的使用,首先發(fā)揮漿液的凝固膠結(jié)作用,將本就破碎的塊狀巖體凝結(jié)為層狀、體狀,提升了圍巖的整體性,其次發(fā)揮高強(qiáng)錨桿的懸吊、組合、加固作用,使圍巖自身承載能力增強(qiáng),從而起到對(duì)復(fù)雜圍巖的控制作用。

3.2 高強(qiáng)錨注支護(hù)方案

根據(jù)采區(qū)條件及圍巖破壞程度,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,決定將頂部原有錨索替換為中空錨注錨索,同時(shí)在兩幫各增加兩根中空錨注錨索,具體布置方案如圖1、圖2所示。

圖1 中空錨注錨索布置參數(shù)圖

圖2 中空錨注錨索布置俯視圖

北部盤(pán)區(qū)軌道巷試驗(yàn)段支護(hù)方案,頂部三根錨索呈扇形布置,采用參數(shù)為φ22 mm×8 500 mm 的中空錨注錨索,間距1.6 m,排距1.8 m。幫部增加一根參數(shù)為φ22 mm×6 500 mm 的中空錨注錨索,鉆孔傾角10°以內(nèi)。

3.3 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)注漿材料。綜合考慮注漿范圍及難度,水泥漿液按照水灰比1∶1.5～1∶1.8 的比例調(diào)配,添加劑重約是水泥重的7%～11%,使用馬麗散封孔。

(2)注漿壓力。根據(jù)圍巖裂隙發(fā)育程度,確保漿液滲透到大多數(shù)裂隙中,實(shí)現(xiàn)壓緊作用,單孔注漿壓力可以通過(guò)式(1)計(jì)算

式中:P——注漿最大壓力,MPa;

H——注液點(diǎn)到靜水位的水柱高,m;

r——水的密度,取1 g/cm。

據(jù)此,設(shè)定注漿壓力為10 MPa。

(3)注漿工藝。注漿共有4 步:鉆孔設(shè)計(jì)、打鉆施工、注漿封孔、評(píng)估驗(yàn)收。注漿孔施工完畢,將注漿管推入孔底,封孔后注漿,見(jiàn)回流即可停止注漿,帶壓保持一段時(shí)間后停止作業(yè),此時(shí)漿液填充裂隙并滲透進(jìn)入更廣范圍裂隙。待漿液固化,單孔施工結(jié)束,隨后檢查施工質(zhì)量。

4 效果分析

4.1 感官效果

電子窺鏡可見(jiàn),注漿加固后的區(qū)域,鉆孔內(nèi)部更為平滑,松動(dòng)范圍變小;而未實(shí)施注漿加固的區(qū)域,鉆孔內(nèi)部較為破碎。注漿加固后,巷道整體變形較小,長(zhǎng)期保持原有斷面形態(tài);未實(shí)施注漿加固的區(qū)域,巷道發(fā)生局部變形的情況較多。感官可見(jiàn),高強(qiáng)錨注支護(hù)效果明顯。

4.2 變形監(jiān)測(cè)

為考察錨注前后巷道圍巖變形情況區(qū)別,采用十字布點(diǎn)法分別在普通支護(hù)段及高強(qiáng)錨注支護(hù)段布置監(jiān)測(cè)站,通過(guò)監(jiān)測(cè)巷道的頂?shù)装逡平兓蓭鸵平兓?來(lái)考察巷道變形情況,并通過(guò)曲線圖加以對(duì)比。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示。

圖3 錨注前后頂?shù)装逡平繉?duì)比圖

圖4 錨注前后兩幫移近量對(duì)比圖

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,未錨注加固前巷道頂?shù)装逡平窟_(dá)175 mm,兩幫移近量達(dá)205 mm;錨注加固后,頂?shù)装逡平繛?1 mm,兩幫移近量為118 mm。使用高強(qiáng)錨注支護(hù)技術(shù)后,頂?shù)装逡平繙p小48%,兩幫移近量減小42%,巷道圍巖得以有效控制。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)理論分析,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,提出了高強(qiáng)錨注支護(hù)技術(shù)方案,對(duì)北部盤(pán)區(qū)軌道巷實(shí)施了高壓注漿,改善了圍巖的整體性,提高了圍巖的自身支撐能力。

(2)電子窺鏡可見(jiàn),注漿加固后的區(qū)域,鉆孔內(nèi)部更為平滑,而未實(shí)施注漿加固的區(qū)域,鉆孔內(nèi)部較為破碎。

(3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,使用高強(qiáng)錨注支護(hù)技術(shù)后,頂?shù)装逡平繙p小48%,兩幫移近量減小42%,巷道圍巖得以有效控制。注漿加固后,巷道整體變形較小,長(zhǎng)期保持原有斷面形態(tài);未實(shí)施注漿加固的區(qū)域,巷道發(fā)生局部變形的情況較多。