深部高應(yīng)力軟巖巷道錨注支護技術(shù)研究
2013-04-23 02:56:00李乃新杜建新王學(xué)斌
李乃新 杜建新 王學(xué)斌
【摘 要】隨著煤礦采深的加大，高地應(yīng)力使巷道支護問題日益嚴(yán)重，穩(wěn)定性也難以保證。研究高地應(yīng)力軟巖環(huán)境下巷道合理的支護方式顯得尤為關(guān)鍵。本文就高應(yīng)力軟巖的基本概念及形成條件進行了討論，在掌握高應(yīng)力軟巖巷道的變形特征和支護問題的基礎(chǔ)上，提出了以內(nèi)注漿錨桿為核心的錨注聯(lián)合支護技術(shù)，以解決深部高應(yīng)力極軟巖巷道支護難題。
【關(guān)鍵詞】深部高應(yīng)力；軟巖巷道；錨注支護
隨著大規(guī)模的礦山開采深度的加大，深部高應(yīng)力軟巖巷道支護問題日益突出，如淮北、淮南、龍口、徐州、鐵法、肥城、棗莊等地區(qū)的礦區(qū)[1]。深部高應(yīng)力極軟巖巷道一般具有：（1）巷道埋深大、受采動影響或構(gòu)造應(yīng)力大；（2）圍巖松軟破碎、流變性大；（3）來壓時間快、初期變形量大、持續(xù)時間長；圍巖遇水易于崩解、強度急劇降低等特點。而砌碹、金屬支架等均屬于被動支護，若僅依靠支護本身強度，很難承受高地應(yīng)力的作用。但因錨固的巖體為一些破碎或松散巖體，圍巖的可錨性較差，錨桿、錨索也很難滿足深部高應(yīng)力極軟巖巷道的支護要求。為此，本文提出了以內(nèi)注漿錨桿為核心的錨注支護體系，以解決深部高應(yīng)力極軟巖巷道支護難題。
早在20世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)就已經(jīng)開始了錨注支護技術(shù)的研究工作，只是由于沒有解決好注漿錨桿的密封性問題而沒有得到大規(guī)模應(yīng)用[1]。近幾年來，也對軟巖巷道、不良巖層巷道、軟弱圍巖巷道錨注支護問題進行了研究和工程實踐，取得了豐碩的成果，較好地解決了這類巷道的支護問題。
1.高應(yīng)力軟巖的概念及其形成條件
1.1 高應(yīng)力軟巖的概念
長期以來巖石力學(xué)與工程界仍未就軟巖的概念達成共識認為，在高地應(yīng)力區(qū)經(jīng)常遇到一類特殊巖體，當(dāng)其處于地表淺部或低地應(yīng)力條件下，巖體顯示出較堅硬的特征；處于高地應(yīng)力環(huán)境時，當(dāng)圍壓較低時，巖體尚具有較高的強度和彈性模量，當(dāng)圍壓較高時，巖體表現(xiàn)出“軟巖”特征。顯然，它有別于一般意義上的軟巖，是一種特殊的、在高應(yīng)力環(huán)境下的工程軟巖體，稱這類軟巖為高應(yīng)力軟巖。[2]
1.2 高應(yīng)力軟巖的形成條件
通過前人的研究總結(jié)，高應(yīng)力軟巖形成的基本條件為：
（1）除少量巖石為較軟弱巖石外，組成高應(yīng)力軟巖的大多數(shù)巖石均為較堅硬的巖石，單軸飽和抗壓強度R≥25MPa。
（2）巖體破碎，強度和彈性模量相對較低，流變性強。因為高地應(yīng)力環(huán)境使開挖前的巖體處于高圍壓環(huán)境，巖體結(jié)構(gòu)面處于閉合狀態(tài)，是穩(wěn)定的，且有一定的強度和模量；開挖后圍巖處于低圍壓環(huán)境，結(jié)構(gòu)面不閉合，巖體強度和模量較低。
（3）埋深大、水平應(yīng)力大于自重應(yīng)力。從目前全國煤礦開采深度來看，由自重產(chǎn)生的應(yīng)力不足以使巖體達到高應(yīng)力狀態(tài)，只有在埋深很大且水平構(gòu)造應(yīng)力存在并大于自重應(yīng)力條件下，才能使巖體達到高應(yīng)力狀態(tài)。
2.高應(yīng)力軟巖巷道變形破壞特征
高應(yīng)力軟巖一旦形成，在這些軟巖體中掘進的巷道和硐室顯示出來的變形特征與硬巖巷道的截然不同，具體表現(xiàn)為：
（1）圍巖變形量大。高應(yīng)力軟巖自身特征決定了該區(qū)域的巷道變形量大的特點，其中巷道的水平收斂量要比拱頂下沉量要大得多。一般為數(shù)厘米至數(shù)十厘米，表現(xiàn)形式有兩幫內(nèi)移、尖頂和底鼓。
（2）初期變形速率大。由于水平構(gòu)造壓應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，巷道在掘進時卸載迅速，來壓快，表現(xiàn)為巷道的初期變形速率大。
（3）巷道變形具有時效性。巷道圍巖具有顯著的流變性，表現(xiàn)為明顯的時效性。當(dāng)巖體流變所產(chǎn)生的圍巖變形過大，使得巷道支護體無法適應(yīng)而失效，圍巖再次惡化并劇烈變形。
3.深部高應(yīng)力軟巖巷道支護問題
進入深部開采以后，許多原來認為是硬巖的礦井也都部分或全部進入軟巖狀態(tài)。常規(guī)的錨噴支護、U型鋼支架等難以控制深部高應(yīng)力圍巖軟化等引起的過量變形與破壞。其問題所在主要有以下幾個方面：[3]
（1）圍巖自承載圈厚度小。常規(guī)支護多采用端錨錨桿，其所形成的圍巖自承載圈厚度較小，一般情況，錨固后圍巖的自承載圈厚度約為0.16 m，遠小于錨桿桿體長度，造成錨桿的浪費，同時難以抵抗較大的圍巖壓力。
（2）初期支護剛度過大。巷道開挖后由于圍巖應(yīng)力重新分布和發(fā)生變形而對支護體產(chǎn)生較大的壓力，它與支護體的剛度有較大的關(guān)系，支護體的剛度越大，其抵抗圍巖壓力越大，如圖1所示。如果支護剛度偏大，則不能適應(yīng)巷道開控初期變形速度快，變形量大的特點，進而導(dǎo)致巷道圍巖支護變形不協(xié)調(diào)而發(fā)生破壞。
（3）圍巖表面約束能力差。由于高應(yīng)力或構(gòu)造應(yīng)力的影響，使得支護體首先在較為薄弱的地方出現(xiàn)過量變形、巖石松動和破壞，進而形成破碎區(qū)，破碎區(qū)的發(fā)展導(dǎo)致圍巖自承載圈破壞。對于深部高應(yīng)力軟巖巷道，采用普通的錨網(wǎng)噴支護時，由于噴層強度相對較低，對圍巖約束能力差，不能有效地扼制圍巖的局部破壞和破碎區(qū)向縱深發(fā)展，進而導(dǎo)致圍巖破壞。
圖1圍巖與支架共同作用圖
（4）僅1次錨網(wǎng)噴作為巷道的永久支護不符合深部高應(yīng)力軟巖巷道地壓顯現(xiàn)規(guī)律。深部巷道開挖后，表現(xiàn)為地壓大，變形持續(xù)時間長等特點，1次支護往往難于奏效。
（5）開放式支護結(jié)構(gòu)不適應(yīng)深部高應(yīng)力軟巖巷道地壓要求。對于深部高應(yīng)力軟巖巷道，圍巖變形量一般較大，由于是開放式支護，底板未加處理致使發(fā)生很大的底鼓，在落底的同時，巷道兩幫發(fā)生進一步的松動，兩幫底角發(fā)生破壞，導(dǎo)致巷道的支護狀況惡化，造成巷道失穩(wěn)。
（6）錨網(wǎng)噴支護結(jié)構(gòu)不合理。在錨網(wǎng)噴支護中，現(xiàn)場一般習(xí)慣于先安裝錨桿掛網(wǎng)，后噴射混凝土，這樣一來，金屬網(wǎng)的位置處于混凝土的內(nèi)層，不利于金屬網(wǎng)的抗拉性能和混凝土抗壓性能的發(fā)揮。
4.錨注聯(lián)合支護機理[4]
（1）注漿后漿液將松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體，提高了巖體強度，實現(xiàn)利用圍巖本身作為支護結(jié)構(gòu)的一部分，充分調(diào)動圍巖的自承能力。
（2）采用注漿錨桿注漿，可以利用漿液封堵圍巖裂隙，隔絕空氣，防止圍巖風(fēng)化，且能防止圍巖被水浸濕而降低圍巖的強度，提高圍巖的穩(wěn)定性。
（3）注漿后使得噴層壁后圍巖松動圈充填密實，保證荷載均勻地作用在噴層和支護圍巖上，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中點而首先破壞。
（4）利用注漿錨桿注漿充填圍巖裂隙，配合錨噴支護，可以形成一個多層有效組合拱，即噴網(wǎng)組合拱、錨桿壓縮區(qū)組合拱及漿液擴散加固拱，從而擴大了支護結(jié)構(gòu)的有效承載范圍，提高了支護結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力。
（5）注漿加固后能使普通端錨桿實現(xiàn)全長錨固，從而提高了錨桿的錨固力和可靠性，保證了支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，且注漿錨桿的本身亦為全長錨固錨桿，它們共同將多層組合拱連成一體，共同承載，提高了支護結(jié)構(gòu)的整體性。
（6）注漿后使得作用在拱頂上的壓力能有效地傳遞到墻，通過對墻的加固，又能把荷載傳到底板，同時由于組合拱厚度的加大，又能減少作用在底板上的荷載集中度，有利于減小底板巖石中的應(yīng)力，減輕底鼓，從而提高支護結(jié)構(gòu)的承載能力，擴大了支護結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。錨注支護施工易行，可通過漿液種類、濃度來控制粘結(jié)力，通過注漿壓力來控制加固圍巖的厚度，因此可以獲得足夠的承壓拱厚度及強度來控制軟巖的變形壓力。
5.錨注支護技術(shù)
錨桿和注漿都是巷道支護的基本形式，利用錨桿兼做注漿管，將錨桿和注漿有機地結(jié)合起來，可以更有效地加固巷道圍巖，尤其適合于軟巖巷道。前蘇聯(lián)和西德很早就提出這種思路，并且開發(fā)了相應(yīng)的技術(shù)，用于巷道底鼓治理等工程。但由于其采用橡膠材料及其配套裝置封孔，技術(shù)復(fù)雜，成本高，只能用于少量特殊的工程，不能作為常規(guī)技術(shù)推廣應(yīng)用。而且由于軟巖巷道圍巖表面往往已完全破裂，形成了一定寬度的破裂圈，注漿無法在圍巖表面進行，只能在圍巖的一定深度進行，采用橡膠材料在錨桿孔口封孔進行注漿往往造成漿液首先沿孔口和巷道表面流失，無法在圍巖內(nèi)形成注漿加固圈，加固效果差。
研制開發(fā)的外錨內(nèi)注式錨桿及其加固圍巖新技術(shù)，利用錨桿兼做注漿管（圖2），采用快硬空心水泥藥卷進行密封和錨固，實現(xiàn)外錨內(nèi)注，巧妙地解決了錨注支護的封孔難題。具有成本低、工藝簡便、及實用性好等優(yōu)點，是錨注支護的新發(fā)展。[4]
圖2外錨內(nèi)注式錨桿
5.1 注漿錨桿結(jié)構(gòu)
見圖2，注漿錨桿桿體用有縫鋼管制作，錨桿內(nèi)段為注漿段，鉆有交叉出漿孔，錨桿尾部有螺紋可接注漿管；外段為錨固段，錨固段采用空心快硬水泥卷錨固，錨固段又是注漿密封段。錨桿總長和注漿段的長度根據(jù)巷道斷面、巖性和注漿加固圈大小來確定。
5.2注漿材料及注漿泵
注漿材料為單液水泥漿，選用高標(biāo)號普通硅酸鹽水泥，并摻入適量速凝劑。注漿設(shè)備選單液注漿泵，注漿壓力為4～6MPa，可多孔同時作業(yè)。
5.3 錨注工藝
5.3.1 內(nèi)注漿錨桿施工工藝
內(nèi)注漿錨桿施工工藝主要包括以下幾點：
（1）鉆孔：采用風(fēng)鉆鉆孔（在煤層中采用煤電鉆鉆孔）。
（2）安裝錨桿：將內(nèi)注漿錨桿送至孔底。
（3）封孔止?jié){：采用軟木止?jié){塞封孔，對于破碎圍巖、鉆孔孔口不規(guī)整的封孔，為防孔口漏漿，可在軟木止?jié){塞外圍纏繞2～3層黃麻，也可用再生橡膠塞或快硬水泥藥卷等止?jié){。
（4）注漿：將注漿管路與內(nèi)注式錨桿連接好，進行注漿作業(yè)，每孔注漿時間為3～5min，可多孔同時注漿。
（5）安設(shè)錨桿托盤：拆下孔口閥，安設(shè)托盤，上緊螺母。
5.3.2 注漿施工工藝
注漿施工工藝流程主要包括以下3個方面：
（1）運料與拌漿：即將水泥與水按規(guī)定水灰比拌制水泥漿，注漿實施前加入定量水玻璃，保證在注漿過程中不發(fā)生吸漿籠頭堵塞等現(xiàn)象，并根據(jù)需要調(diào)整漿液參數(shù)。
（2）注漿泵的控制：根據(jù)巷道注漿變化情況，即時開、停注漿泵，并時刻注意觀察注漿泵的注漿壓力，以免發(fā)生堵塞崩管現(xiàn)象。
（3）孔口管路連接：應(yīng)注意前方注漿情況，及時發(fā)現(xiàn)漏漿、堵管等事故。掌握好注漿量及注漿壓力并及時拆除和清洗注漿閥門。
6.結(jié)語
在高應(yīng)力軟巖環(huán)境下，巷道的支護已成為制約礦山企業(yè)向深部煤層發(fā)展的瓶頸。經(jīng)理論與大量工程實踐結(jié)果表明：錨注聯(lián)合支護是一種非常有效的、適合高應(yīng)力軟巖下的巷道支護技術(shù)，在實際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。
【參考文獻】
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