蘆溝礦底抽巷錨注加固技術應用與研究

劉玉衛，商鐵林，張 沛，張亞峰，龔 劍，劉應然

(1.鄭州工程技術學院，河南 鄭州 450044； 2.鄭煤集團 工程技術研究院，河南 鄭州 450042；3.榆林學院，陜西 榆林 719000； 4.西安科技大學，陜西 西安 710054)

我國注漿技術的研究與應用相對較晚，20 世紀50年代初開始起步，1996年錨注技術才發展起來，之后，在工程中進行了大規模應用[1]。近幾年，錨注支護技術在斷層破碎、軟巖、高預應力、沿空掘巷、高強支護等方面取得一定的進展。潘銳[2]對深部巷道破碎圍巖錨注機制及控制效果進行了研究，明確破碎巖體錨注支護機制；王輝[3]基于高強錨注支護技術對巷道穩定性的研究，分析了新型中空注漿錨索、中空注漿錨桿、水泥注漿添加劑以及施工設備；張亮等[4-6]對不同的軟弱圍巖材料進行了研究；耿耀強等[7-8]對斷層破碎區巷道錨注進行了研究；張進鵬等[9]基于預應力錨和自應力注的松軟煤體錨注加固方法，分析了新型預應力錨注加固異型切眼的有效性；萬軍等[10-12]對深井大埋深軟巖巷道的錨注支護技術及機理進行了探索。

我國煤礦軟巖巷道比較多，錨注支護技術具有較好的應用前景[1]。蘆溝煤礦地處豫西三軟煤層礦區，煤巖層松軟破碎，且礦井屬于煤與瓦斯突出井，按照規范要求開采前要對工作面進行瓦斯疏放、施工底板瓦斯抽放巷，對區域瓦斯治理具有重要作用，因此開展對底抽巷的穩定性研究具有重要意義。

1 工程概況

蘆溝礦32141工作面位于該礦32采區西翼下部，為32采區第5個正規工作面，也是32081工作面的接替面。該面位于32運輸下山以西，北部為32121工作面采空區，南部為魏寨斷層及其支斷層保護煤柱。工作面標高-321～-261 m，地面標高+215～+230 m，對應地表東南部為五星水庫，西部為王家門，以南為馬溝村住房及村小學，北部為五星水庫及果園。工作面沿煤層走向布置，平均傾斜長120 m、可采走向長354 m，面積44 340 m2，煤層厚2.0～12.5 m，平均厚5.9 m，可采儲量35萬t。32141底抽巷主要作為32141工作面掘進前及回采前在二1煤層底板內的瓦斯抽放巷，該巷位于32采區3條下山以西，32141探水巷外段以北(圖1)。

圖1 底抽巷工作面示意Fig.1 Floor drainage roadway working face

該巷設計工程量473 m，掘進層位在L7-8灰巖內，底抽巷井下平均埋深526 m。

2 底抽巷原支護情況

32141底抽巷設計采用直墻半圓拱形和矩形斷面。當巖層破碎或巷道頂板距離煤層底板距離小于10 m時，采用14 m2的U型鋼支護或U型鋼+錨網索；大于10 m段，采用全錨網支護。

(1)U型鋼支護(圖2)。原支護參數：U型鋼支護設計凈寬4.7 m、凈高3.5 m，掘進寬度5.00 m、掘進高度3.95 m，棚距600 mm，柱窩深度200 mm，梁腿搭接450 mm，菱形網、椽子護幫頂，椽子每棚34～40根，鐵拉桿每棚3套，卡纜每幫各3套，木鞋規格300 mm×200 mm×50 mm。

圖2 U型鋼支護Fig.2 U-steel supporting

(2)U型鋼+錨網索聯合支護(圖3)。原支護參數：半圓拱形部分每排打設5根錨桿，間距1.0 m，以半圓拱中線為中兩側對稱布置，每棚打設3根錨索，間距2.0 m，錨索規格為φ17.8 mm×6 200 mm(地質條件變化時長度變為8 200 mm)，排距與U型鋼棚距一致；兩幫每排打設3根錨桿，間距900mm，排距與U型鋼棚距一致，錨索為φ17.8mm×4 200 mm預應力鋼絞線。錨桿為φ20 mm×2 400 mm的左旋無縱筋錨桿。

(3)全錨網支護段支護(圖4)。原支護參數：巷道斷面設計為矩形，斷面寬4.5 m、巷高3.0 m，排距0.8 m(遇圍巖堅硬完整，調為1.0 m)，支護方式為全錨網支護。①頂板采用6根錨桿和3根錨索配合鋼筋網、鋼筋梯子梁支護，錨桿規格為φ20 mm×2 400 mm的左旋無縱筋錨桿，間排距800 mm×800 mm；頂錨索規格為φ17.8 mm×6 200 mm的預應力鋼絞線(遇斷層及地質破碎帶時長度變為8 200 mm)，間排距1 500 mm×800 mm，以巷頂中線為中兩側對稱布置。②幫部錨桿間排距800 mm×800 mm，當煤厚超過1.5 m時，在煤厚中間位置打設1根錨索，排距800 mm，幫部煤厚3 m時，以巷高中線為中上下對稱打設2根錨索，間排距為1 500 mm×800 mm，規格為φ17.8 mm×5 200 mm的預應力鋼絞線，全巖段巷道幫部不再打設錨索。

圖3 U型鋼+錨網索支護Fig.3 U-steel+bolt & cable supporting

圖4 錨網索支護Fig.4 Bolt & cable supporting

3 32141底抽巷破壞分析

3.1 巖樣水理性分析

分別在32141上底抽巷掘進面頂板、巷道上幫部距離頂幫角約1.2 m處和底抽巷底板進行現場取樣(圖5)。

圖5 不同部位取樣Fig.5 Rock specimen of different parts

3種巖樣置水后情況如圖6所示。對于取于不同位置的3種巖樣置水后，由圖6(a)看出，40 min內幫部炭質泥巖和底板泥巖在遇水后立即發生了變化，特別是底板泥巖泥化現象嚴重；由圖6(b)、圖6(c)可以看出，10～20 min幫部炭質泥巖發生崩解，沿層理破碎成小塊狀，底板泥巖繼續泥化，強度進一步降低；由圖6(d)可以看出，40 min后幫部炭質泥巖泥化程度更高，而底板泥巖則徹底泥化。頂板灰巖從始至終卻沒有多大變化。

圖5 3種巖樣置水后情況Fig.6 Situation of three kinds of rock in water

3.2 巖樣電鏡掃描及礦物分析

對頂板砂巖進行電鏡掃描顯示：在放大500倍時，可見樣品比較致密，裂隙較少；在放大3 000倍時，縫中見長石晶體。巷幫炭質泥巖電鏡掃描顯示：在放大500倍時，樣品相對比較致密；放大到3 000倍時，可觀察到5～10 μm的裂紋，連通較好，還可見片狀高嶺石及裂隙，繼續放大時可見粒表片狀伊蒙混層與溶蝕孔。巷道底板泥巖，電鏡掃描顯示：在放大500倍時，可觀察到5～10 μm的裂紋，連通較好，還可見片狀高嶺石及裂隙；放大到1 000倍時，可見粒表片狀伊蒙混層與溶蝕孔(圖7)。

根據對巷道炭質泥巖和泥巖作的X射線衍射分析，可知炭質泥巖和泥巖中黏土礦物含量高達78.6%，石英含量為14%，菱鐵礦、斜長石、鉀長石含量較少，分別為5.1%、1.6%和0.7%。黏土礦物中伊/蒙混層含量為51%，高嶺石和伊利石含量分別為45%和4%。

圖7 圍巖電鏡掃描Fig.7 SEM of surrounding rock

由此可知，巷道泥巖中伊/蒙混層含量為40.1%，可見該地段中泥巖膨脹性較強，遇水易膨脹、泥化，這是造成巷道大變形破壞的主要原因之一，泥巖主要由非晶態物質組成，黏土礦物含量高達75%，并含有少量的菱鐵礦(1.8%)及云母(0.5%)。黏土礦物以高嶺石為主，含量高達83%，伊/蒙混層含量為16%，伊利石含量僅為1%，具有一定的膨脹性。

4 底抽巷圍巖數值模擬

根據現有地質采礦條件和數值模擬研究的重點，綜合考慮各方面因素，建立長45 m、寬45 m、高 45 m平面應變模型，共劃分12 960個單元，采用FLAC數值軟件進行模擬[13-14]，如圖8所示。

圖8 數值模型Fig.8 Numerical model

數值計算巖體力學參數見表1，錨桿錨索力學參數見表2，注漿后巖體物理力學參數見表3。

表1 計算模型的巖體力學參數Tab.1 Rock mass mechanical parameters

表2 錨桿錨索力學參數Tab.2 Mechanical parameters of bolt and cable

表3 注漿后巖體物理力學參數Tab.3 Rock mass mechanical parameters after grouting

4.1 模擬方案

結合32141工作面底抽巷的實際工程情況，選擇3種方案進行模擬分析：①錨網+噴漿支護形式；②錨網噴+錨索支護形式；③錨網噴+錨索+錨注支護。

通過模擬[15]對比3種不同支護形式的水平、垂直位移得知，采用方案①支護，水平位移和垂直位移分別為167、164 mm；采用方案②，最大水平位移和垂直位移分別為150、141 mm，支護有所改善，但不明顯；采用方案③，最大水平位移和垂直位移分別為129、102 mm，位移降幅較大，說明采用方案③支護效果更好。

4.2 注漿前后圍巖加固對比分析

(1)水平方向應力分析。水平方向應力云圖如圖9所示。由圖9(a)可知，在對圍巖實施錨桿注漿前，圍巖塑性區外圍易形成應力集中區，最大水平應力值28 MPa，在巷道兩幫為拉應力區，拉應力0.16 MPa。從圖9(b)中可知，在實施錨桿注漿后，巷道圍巖塑性區外最大水平應力為13.9 MPa，巷道兩幫拉應力1.25 MPa，此時，錨桿和錨索均錨固在加固后的圍巖壓應力區。

圖9 水平方向應力云圖Fig.9 Horizontal stress nephogram

(2)垂直方向應力分析。垂直方向應力云圖如圖10所示。從圖10(a)可以看出，錨注前，在底抽巷兩幫塑性范圍內垂直應力下降形成卸壓區，而應力集中區在塑性區外3～4 m形成，最大垂直應力為21.6 MPa，巷道頂板應力小于底板，底板拉應力為0.22 MPa；從圖10(b)中可以看出，錨注后，在兩幫塑性區范圍內形成卸壓區應力降低，與錨注前相比較，底抽巷圍巖兩幫應力增高區減小，應力增高區在塑性區外1.0～2.0 m形成，最大應力為22.4 MPa，巷道底板拉應力為1.34 MPa大于頂板拉應力值。

從巷道圍巖應力分析結果看，錨注支護巷道圍巖的應力比注漿前要低，這說明實施錨注后破碎圍巖在漿液的作用下進行了加固，提高了自身強度，有助于發揮圍巖自承載能力。

4.3 底板注漿加固分析

蘆溝礦32141底抽巷采用“錨網噴+錨索+錨注”支護技術，頂板、兩幫由于控制到位，應力通過兩幫傳遞到巷道底板，底板在無支護的情況產生變形，變形向空區發展形成向上的壓力拱，這是造成巷道底鼓的根本原因[16-20]。所以，對實際支護時要重視巷道底板的控制，錨注能顯著增強巷道底板的強度。

圖10 垂直方向應力云圖Fig.10 Vertical stress nephogram

從圖11可以看出，底抽巷底板在未進行注漿加固以前，頂板和兩幫由于錨桿錨索的協同支護作用相對比較穩定，由頂板傳遞下來的應力通過兩幫向底板轉移，由于底板未進行有效的控制，圍巖的變形主要向底板的臨空面運動，通過垂直和水平方向的位移矢量圖可以看出，巷道底板中心是運動最大值出現的地方，巷道底板中心垂直方向上鼓起的最大模擬值達到25 mm，巷道底板水平方向上鼓起最大模擬值達到了22 mm。由此可以看出：只對頂板和兩幫進行有效支護，并不能穩定地控制巷道圍巖運動，重視對底板圍巖的處理，控制圍巖變形從底板突破十分必要。

圖11 底板注漿前位移矢量圖Fig.11 Nephogram of floor before grouting

注漿加固后垂直應力云圖如圖12所示。從圖12可以看出，通過注漿錨桿注漿后巷道底板圍巖的受力對稱、均勻，重心上移，配合頂板和兩幫穩定結構，形成了一個共同的承載體系，充分發揮圍巖的自承載能力，達到巷道的穩定。

圖12 注漿加固后垂直應力云圖Fig.12 Vertical stress nephogram after grouting

5 底抽巷錨注支護方案

根據蘆溝煤礦32141回采工作面下底抽巷變形破壞特點及模擬分析，采用“錨網噴+錨索+錨注”耦合支護方案(圖13)，以適應圍巖的變形特征，最大限度地發揮圍巖的自承載能力。

圖13 錨網索噴+錨注支護方案Fig.13 Supporting scheme of bolt & cable+grouting

5.1 支護參數確定

32141底抽巷采用直墻半圓拱形斷面，凈寬5.0 m、凈高3.5 m，噴漿厚度150 mm。支護方式為全錨網(索)支護，巷道頂板采用錨桿(索)、鋼筋網(頂板破碎時采用菱形網)，兩幫采用錨桿(索)、鋼筋網支護，底板幫腳采用錨桿和注漿錨桿支護。

(1)頂板錨桿錨索。桿體為20號左旋無縱筋螺紋鋼筋，直徑20 mm，長2.4 m。錨索為φ17.8 mm×6 000 mm的預應力鋼絞線，間排距為1 200 mm×800 mm，以巷頂中線為中兩側對稱布置。

(2)兩幫錨桿(索)。桿體間排距600 mm×800 mm；兩幫各打設3根錨索，間距1 200 mm，排距800 mm，幫錨索規格為φ17.8 mm×3 000 mm的預應力鋼絞線。錨桿間距0.6 m，每排9根錨桿，排距0.8 m。采用樹脂錨固，1支Z2350型錨固劑。鉆孔直徑28 mm，錨固長度800 mm，實測錨固力可達80 kN以上。錨桿垂直巷道巖壁安裝，且要貼合。鋼筋托梁采用φ12 mm的鋼筋焊接而成，寬度80 mm，長度3.4 m。在安裝錨桿的位置(間距800 mm)處焊上2段縱筋(間隔80 mm)連接，以便安裝錨桿。每環安裝2條鋼筋托梁，每條托梁連接一側的5根錨桿，2條鋼筋托梁從頂部搭接。采用煤礦現有托盤。金屬網1 200 mm×800 mm，采用φ6 mm的鋼筋焊接而成，網格為100 mm×100 mm。

噴漿混凝土強度等級為C20，初噴層厚度80 mm，復噴厚度70 mm。

5.2 圍巖變形監測分析

為了掌握巷道支護后的變形規律，在32141工作面底抽巷回風巷布置了2個表面位移測試斷面，巷道圍巖表面的位移量觀測主要包括：巷道圍巖頂底板相對移近量、兩幫相對移近量、頂板下沉量、底鼓量等，通過這些數據以便掌握圍巖變形的速率。測試結果如圖14所示。

通過圖14可知，底抽巷圍巖的底板下沉量最小，平均為22 mm；兩幫位移量相對較小，平均為85 mm，最大為90 mm；巷道的底鼓量相對較大，平均107 mm，最大115 mm；頂板下沉量則最小，平均為32 mm，最大僅39 mm。巷道錨注后兩幫平均變形速率僅0.388 mm/d，頂底平均變形速率僅0.649 mm/d。錨注支護有效提高了支護結構的整體性和承載能力，有效控制了深部高應力極軟巖巷道的大變形，保證了巷道穩定和礦井正常生產。

6 結論

(1)通過對蘆溝礦32141工作面底抽巷圍巖分析可知，頂板巖性為層狀灰巖且含化石云母，原巖應力狀態巖石強度較高，受采掘活動影響，易分層碎質泥巖到泥巖的過渡，強度由強變軟，特別是遇水后強度降低更快，受頂板壓力的影響巷道底幫突出；底板裂，但單個巖塊強度依然比較高；兩幫自上而下為炭質泥巖到泥巖的過渡，強度由強變軟，特別是遇水后強度降低更快，受頂板壓力的影響巷道底幫突出；底板巖性主要是泥巖，遇水變軟易膨脹，受兩幫傳遞的壓力，易造成底鼓，因此對底板適當增加反底拱措施是底板圍巖穩定控制的一項重點工作。

圖14 測試斷面圍巖表面位移Fig.14 Displacement of surrounding rock surface

(2)由電鏡掃描和X衍射分析結果可知，幫部和底板的泥巖是此次圍巖控制的重點，泥巖成分主要以黏土為主，占70%以上，且含有高嶺石和伊利石等膨脹性礦物質成分，在遇水后易軟化發生變形。因此，支護時要考慮圍巖的及時封閉，盡量做到少見水甚至不見水，以免影響圍巖控制質量。

(3)由于32141底抽巷圍巖極其破碎，圍巖破碎范圍部分大于錨桿的長度，降低了錨桿錨固力，難以形成有效的支護結構，圍巖變形量大，不得不采用幫部錨索共同支護。

(4)根據數值模擬分析可知，由于錨注漿液的膠結作用，使破碎圍巖重新膠結為一個整體，圍巖強度與自承能力得到了提高；而膠結后的圍巖整體有助于提高錨桿的錨固能力。

(5)通過現場監測分析可知，巷道實施錨注支護后，巷道圍巖兩幫移近量相對較小，底鼓量相對較大，頂板下沉量則最小，頂底平均變形速率僅為0.649 mm/d。可見錨注支護能有效控制深部高應力極軟巖巷道的大變形。

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