胡曉東 孔風閣

(山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院)

深井不穩(wěn)定圍巖錨網(wǎng)注噴一體化支護及機理分析

胡曉東 孔風閣

(山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院)

為了解決深井不穩(wěn)定圍巖的支護難題，采用了錨網(wǎng)注噴一體化支護技術，優(yōu)化了兩種錨桿支護工藝，探討了掛網(wǎng)及噴漿對錨注支護的輔助作用，以及注漿對加固塑性區(qū)的積極影響。通過微震探測松動圈和變形量觀測，得出了最佳注漿時機為圍巖變形量達到30 mm；通過對不同噴層厚度下的混凝土裂縫統(tǒng)計及成本概算，確定了合理的噴層厚度為100 mm。一體化支護技術實施以來，圍巖移近量控制在40 mm以內(nèi)，圍巖變形得到了有效的控制。

深井開采 圍巖穩(wěn)定性 錨網(wǎng)注噴一體化支護

深井開采正在經(jīng)受著高地應力、高地溫、高巖溶水壓及采礦擾動等嚴重威脅，導致圍巖穩(wěn)定性控制與支護難度加大，潛在安全風險增加，生產(chǎn)成本提高，對深部開采構成了一系列嚴峻挑戰(zhàn)。

某礦井運輸大巷埋深850 m，凈斷面19 m2，揭露圍巖以泥巖、泥質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖、細砂巖互層為主，致密塊狀構造，圍巖松散破碎，支護難度較大。錨噴工程質(zhì)量檢驗結(jié)果表明，該巷多處出現(xiàn)噴層開裂乃至懸露、片幫冒頂現(xiàn)象，巷道需反復翻修，圍巖裂隙尤為發(fā)育且導水。為切實提高支護系統(tǒng)剛度，保證巷道施工安全，減少翻修，在該巖巷開展錨網(wǎng)注噴一體化支護技術研究與應用，對深入研究深井圍巖控制機理及支護技術，安全高效掘進及巷道維護具有重要的理論指導及實踐意義[1-2]。

1 深井錨網(wǎng)注噴一體化支護技術

錨網(wǎng)注噴一體化支護技術，是將錨注錨桿與等強螺紋錨桿間隔布置，并優(yōu)化注漿時機，利用錨注錨桿向圍巖松動圈注入加固漿，充填圍巖裂隙，使松動圍巖重新膠結(jié)形成再生組合拱[3]，以控制洞周塑性區(qū)擴展，從而確保支護效果，起到了封堵導水裂隙、防止支護材料腐蝕的作用。

1.1 深部圍巖控制的彈塑性理論分析

巷道自由面一側(cè)應力突變?yōu)榱銜r，應力狀態(tài)由三向轉(zhuǎn)變?yōu)閮上颍瑴笾ёo會導致應力超過圍巖強度極限而過渡到塑性狀態(tài)，同時弱面上容易出現(xiàn)剪切滑移破壞，很快引發(fā)圍巖變形失穩(wěn)[4-5]。為進行支護效果的評價，將噴層、金屬網(wǎng)、巖石承載拱和錨桿的極限承載力總和視為支護系統(tǒng)的總承載力，也即支護對巷道壁施加的徑向約束，以阻礙圍巖運動。以側(cè)壓系數(shù)λ=1為例，洞周塑性區(qū)內(nèi)的應力為：

(1)

(2)

代入σθp+σrp=2p0得塑性區(qū)半徑：

(3)

(4)

式中，σθp、σrp為塑性切向、徑向應力；σc為巖石單軸抗壓強度；r為距洞軸中心的距離；ra為巷道半徑；p0為初始應力；φ為巖石內(nèi)摩擦角[6-7]。

微震探測出的塑性區(qū)范圍用來校核理論計算出的塑性區(qū)半徑，錨桿貫穿塑性區(qū)穩(wěn)定錨固于彈性區(qū)內(nèi)，才能充分發(fā)揮穩(wěn)定巖層的承載能力，開挖空間至彈塑性交界面處的圍巖才能穩(wěn)定，實現(xiàn)圍巖承載圈范圍的擴大[4]。因此理想的錨桿長度應該大于塑性區(qū)半徑，并留有一定的富余量，其表達式為：

l=Rp-ra+x，

(5)

式中,l為錨桿長度；x為富余量，不同巖體條件而不同。

1.2 錨網(wǎng)注噴一體化支護工藝

支護系統(tǒng)中的錨桿、掛網(wǎng)、注漿、噴層構成了四位一體的圍巖控制體系，其施工工藝如下。

1.2.1 錨桿支護

沿巷道斷面方向(圖1(a))、掘進方向(圖1(b))，將φ22 mm ×2 500 mm等強螺紋鋼錨桿與φ25 mm× 2 500 mm 錨注錨桿間隔安裝，間排距 1 600 mm×800 mm，每根錨桿配合兩卷Z3530樹脂藥卷，施加預緊扭矩400 N·m。桿體將圍巖串成一個環(huán)形擠壓加固帶，控制錨固區(qū)圍巖的斷裂、離層和滑移[8]，以維持巷道周圍的整體穩(wěn)定。

圖1 兩種錨桿聯(lián)合布置示意

1.2.2 金屬網(wǎng)支護

實測表明，掛網(wǎng)能夠提供0.01 MPa的徑向約束，與不掛網(wǎng)的單一錨桿支護相比，圍巖即使出現(xiàn)了裂隙，受到連續(xù)金屬網(wǎng)約束，依然不垮落，可作為傳遞力的中介。網(wǎng)把圍巖載荷傳遞給錨桿，提高了開挖后的圍巖殘余強度，約束圍巖破壞的進一步擴展。

1.2.3 錨注錨桿注漿

該巷道圍巖裂隙發(fā)育，單一錨桿支護達不到圍巖穩(wěn)定所需的強度要求，但過分加長錨桿既不實用也不經(jīng)濟。利用錨注錨桿向圍巖注入加固漿，充填裂隙使之重新膠結(jié)，提高了巖體粘結(jié)力和整體性，使端頭錨固過渡為全長錨固，促使承壓拱范圍進一步擴大。重新加固的圍巖又為錨桿提供了可靠的著力基礎，錨桿與圍巖黏結(jié)為一體，有效地牽制巷道變形[9]。

工程試驗證明，適時地注漿可大大強化圍巖控制效果[10]。每班在永久測點處進行兩幫及頂?shù)装逡平坑^測，當移近量超過30 mm時，表明巷道周圍巖體1.5 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了松動裂隙，此時注漿為最佳時機，注漿的有效擴散范圍將達到1.7 m左右。

1.2.4 噴 漿

采用HGLJ-20型振弦式混凝土應力計對噴層應力狀態(tài)進行監(jiān)測，包括沿巷道走向、徑向、切向應力值。在每個監(jiān)測斷面的拱頂、左右拱腰、左右直墻腰設置5個探頭。發(fā)現(xiàn)應力異常應查明原因，補打錨桿(索)，加強異常區(qū)域的圍巖控制[11]。

為探究不同噴層厚度對圍巖控制的影響，試驗采用不同的噴厚，統(tǒng)計噴層裂隙的最大長度，見表1所示。

表1 不同噴厚時的噴層裂隙統(tǒng)計 mm

噴層厚度測點1測點2測點3測點4測點550375543303310019182521241503137394557

從表1看出，噴厚50mm的測點2出現(xiàn)嚴重的開裂，測點3出現(xiàn)較大裂隙；噴厚150mm的測點5出現(xiàn)嚴重開裂，測點4出現(xiàn)較大裂縫；噴厚100mm的各測點正常。結(jié)果說明，在一定范圍，噴層厚度對控制巷道變形具有一定的積極作用，但過于厚重的噴層反而因柔性不足更容易開裂、變形乃至脫落[12]。據(jù)此，結(jié)合以往的作業(yè)經(jīng)驗及噴漿造價概算，噴層選取100mm厚度為宜。

2 支護效果的監(jiān)測檢驗

2.1 錨固力

對掘進頭向后10m范圍內(nèi)的所有錨桿進行錨固力測試，數(shù)據(jù)如表2。

表2 錨固力測試 kN

測點12345兩幫最大錨固力132121109128117拱頂最大錨固力103115104112102

由表2可以看到，在監(jiān)測范圍內(nèi)，所有錨桿的錨固力均符合規(guī)定，圍巖應力均小于錨桿錨固力，保證了巷道圍巖不發(fā)生重大的離層、滑移變形失穩(wěn)。

2.2 圍巖相對位移量

礦壓觀測站圍巖移動觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖2所示。

圖2 圍巖相對位移量

由圖2可見，兩幫及頂?shù)装逑鄬ξ灰屏康陌l(fā)展趨勢是：剛開始呈快速增長，之后基本上趨于平穩(wěn)，這說明采取上述支護措施后，圍巖運動得到了有效控制。

3 結(jié) 論

(1)采用錨網(wǎng)注噴一體化支護技術后，經(jīng)一個月的跟蹤觀測以及數(shù)據(jù)加權平均統(tǒng)計，兩幫移近量平均20mm，移近速度1.05mm/d；頂?shù)装逡平科骄?6mm，移近速度1.3mm/d，圍巖相對移近控制在40mm以內(nèi)，有效地解決了深井不穩(wěn)定圍巖的支護難題。

(2)通過噴射不同厚度混凝土的工業(yè)試驗，并分別統(tǒng)計圍巖變形量、噴層開裂長度及材料費用概算，得出了最優(yōu)噴層厚度為100mm。迎頭向后 50m范圍內(nèi)，噴層裂隙長度大于30mm的情形從未發(fā)生，離層、脫落現(xiàn)象基本杜絕，大大減少了巷道翻修。

(3)通過微震探測塑性區(qū)的注漿效果，得出了最佳注漿時機為圍巖變形超過30mm，有效地封堵了裂隙水。永久水溝的水位由原先的130mm下降到62mm，降低了掘進排水費用，經(jīng)濟技術效益顯著提高，為此種條件下的巷道支護提供了理論和技術依據(jù)，值得推廣應用。

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2014-07-30)

胡曉東(1988— )，男，碩士研究生，266590 山東省青島市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)前灣港路579號。