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

1 前言

隨著采深加大,煤炭開采逐漸面臨著高應(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”的影響,現(xiàn)有的支護方案難以滿足巷道支護穩(wěn)定要求[3],高強錨注支護技術(shù)的快速發(fā)展,為復(fù)雜條件下的巷道圍巖支護提供了一種新的解決方案[4]。高強錨注支護通過使用注漿錨桿,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],漿液同時也封堵了圍巖內(nèi)原有較大裂隙,在壓力作用下將較細小裂隙擠壓密實,增大了圍巖的自身強度;注漿后,可阻止地下水浸入導(dǎo)致的圍巖膨脹變形。文章通過理論分析、現(xiàn)場試驗等,在原有錨網(wǎng)索支護的基礎(chǔ)上,提出高強錨注支護方案,投入現(xiàn)場應(yīng)用,結(jié)果表明,高強錨注支護技術(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

某礦北部盤區(qū)因采深大、應(yīng)力高,巷道支護難度較大,實測水平應(yīng)力可達21～25 MPa,垂直應(yīng)力可達18～20 MPa,但該區(qū)域巖體試驗實測單軸抗壓強度還不到16 MPa,應(yīng)力高與支撐能力間的不對等導(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。

為進一步研究高強錨注支護技術(shù)在復(fù)雜圍巖條件下的支護作用,在北部盤區(qū)軌道巷施工中選擇部分區(qū)段試用高強度注漿錨桿、高強度注漿錨索,對比原有支護與高強錨注支護巷道圍巖變形情況。

2.2 支護現(xiàn)狀

北部盤區(qū)軌道巷設(shè)計為拱形斷面,巷道寬5 m,高4.3 m,采用“錨桿+錨索”支護,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)場鉆孔可見,巷道圍巖內(nèi)部較為破碎,破碎帶、裂隙帶層次明晰,符合松動圈理論。

3 高強錨注支護技術(shù)應(yīng)用

3.1 高強錨注支護機理

目前,適用于錨桿支護的理論有懸吊理論、組合梁理論、加固拱理論,即錨桿支護將圍巖中相對不穩(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較厚的支撐體,形成一個穩(wěn)定的支撐體系,保證巷道穩(wěn)定不變形破壞。而這幾個理論的前提,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,無法將破碎的巖塊懸吊、組合、加固,也就無法實現(xiàn)對巷道圍巖的穩(wěn)定支護。

高強錨注支護技術(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)揮高強錨桿的懸吊、組合、加固作用,使圍巖自身承載能力增強,從而起到對復(fù)雜圍巖的控制作用。

3.2 高強錨注支護方案

根據(jù)采區(qū)條件及圍巖破壞程度,結(jié)合現(xiàn)場實際,決定將頂部原有錨索替換為中空錨注錨索,同時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

北部盤區(qū)軌道巷試驗段支護方案,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

(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,實現(xiàn)壓緊作用,單孔注漿壓力可以通過式(1)計算

式中:P——注漿最大壓力,MPa;

H——注液點到靜水位的水柱高,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、打鉆施工、注漿封孔、評估驗收。注漿孔施工完畢,將注漿管推入孔底,封孔后注漿,見回流即可停止注漿,帶壓保持一段時間后停止作業(yè),此時漿液填充裂隙并滲透進入更廣范圍裂隙。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,注漿加固后的區(qū)域,鉆孔內(nèi)部更為平滑,松動范圍變小;而未實施注漿加固的區(qū)域,鉆孔內(nèi)部較為破碎。注漿加固后,巷道整體變形較小,長期保持原有斷面形態(tài);未實施注漿加固的區(qū)域,巷道發(fā)生局部變形的情況較多。感官可見,高強錨注支護效果明顯。

4.2 變形監(jiān)測

為考察錨注前后巷道圍巖變形情況區(qū)別,采用十字布點法分別在普通支護段及高強錨注支護段布置監(jiān)測站,通過監(jiān)測巷道的頂?shù)装逡平兓?、兩幫移近變?來考察巷道變形情況,并通過曲線圖加以對比。監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示。

圖3 錨注前后頂?shù)装逡平繉Ρ葓D

圖4 錨注前后兩幫移近量對比圖

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,未錨注加固前巷道頂?shù)装逡平窟_175 mm,兩幫移近量達205 mm;錨注加固后,頂?shù)装逡平繛?1 mm,兩幫移近量為118 mm。使用高強錨注支護技術(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)通過理論分析,結(jié)合現(xiàn)場實際,提出了高強錨注支護技術(shù)方案,對北部盤區(qū)軌道巷實施了高壓注漿,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,注漿加固后的區(qū)域,鉆孔內(nèi)部更為平滑,而未實施注漿加固的區(qū)域,鉆孔內(nèi)部較為破碎。

(3)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,使用高強錨注支護技術(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,長期保持原有斷面形態(tài);未實施注漿加固的區(qū)域,巷道發(fā)生局部變形的情況較多。