對(duì)礦井極軟巖巷道的加固修復(fù)試驗(yàn)研究

李任才

【摘 要】長(zhǎng)期以來(lái)，軟巖巷道維護(hù)一直是煤礦生產(chǎn)建設(shè)中的難題，在軟巖內(nèi)布置巷道，圍巖變形大，穩(wěn)定性差，使巷道掘進(jìn)和支護(hù)十分困難，而且屢遭破壞，需經(jīng)常翻修，嚴(yán)重影響礦井的安全和正常生產(chǎn)。多年來(lái)，軟巖巷道圍巖控制理論及支護(hù)技術(shù)一直是采礦工程學(xué)科的重要研究方向。

【關(guān)鍵詞】軟巖巷道；加固修復(fù)

1.對(duì)集中巷的破壞原因分析及加固機(jī)理

1.1集中巷破壞原因分析

（1）—般來(lái)說(shuō)極軟巖巷道的性質(zhì)差，自承能力低。通過(guò)對(duì)—340m平集中巷現(xiàn)場(chǎng)采取巖石試樣，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)出集中巷圍巖的力學(xué)參數(shù)并進(jìn)行分析，集中巷圍巖為泥巖、砂質(zhì)泥巖，泥巖和砂質(zhì)泥巖性脆易碎，這些巖石對(duì)溫度、濕度、水的作用甚為敏感，巖石強(qiáng)度急劇降低，泥巖遇水崩解后強(qiáng)度完全喪失，使巷道圍巖自承能力急劇下降。X一射線衍射對(duì)圍巖礦物成分分析表明，主要礦物為高嶺石，這種巖石遇。水后使顆粒發(fā)生破壞產(chǎn)生軟化、崩解，巖石流變顯著，巷道變形增大。

（2）巷道四周不均勻承載，承載體受力條件惡化。340m水平集中巷為急傾斜巷道，其水壓力一般較大，加上礦區(qū)的巷道圍巖性質(zhì)較差，白承能力較低，使U型鋼支架的承載能力大幅度降低，受力條件急劇惡化，使巷道斷面多呈現(xiàn)出“尖桃形”破壞。

（3）地質(zhì)構(gòu)造因素。極軟巖巷道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。可以利用套裂法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)推算測(cè)試礦區(qū)的原始地應(yīng)力分布特征，揭示出礦區(qū)存在殘余構(gòu)造應(yīng)力。在自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力雙重作用下，導(dǎo)致巷道壓力人，變形劇烈。

（4）巷道支護(hù)方式不合理。U型鋼支架的結(jié)構(gòu)和形式如果過(guò)于單—，就難以適應(yīng)復(fù)雜多變的軟巖巷道壓力：我國(guó)現(xiàn)有U型鋼支架的量與國(guó)外先進(jìn)水平比，尚有較大差距，如型鋼屈服強(qiáng)度偏低，卡纜的結(jié)構(gòu)和性能差，難以充分發(fā)揮其承載能力。

1.2錨注加固機(jī)理

目前，對(duì)于極軟巖巷道的支護(hù)，還沒(méi)有一種完全行之有效的指導(dǎo)理論。傳統(tǒng)的錨噴支護(hù)已不適應(yīng)高應(yīng)力、大變形的軟巖巷道；碹體支護(hù)由于施工復(fù)雜、成本高、變形量小，它與軟巖的變形規(guī)律和支護(hù)要求不一致，難以適應(yīng)軟巖巷道支護(hù)：從支護(hù)技術(shù)上看，各種剛性支架與軟巖巷道圍巖變形規(guī)律不一致，而且支護(hù)成本高；以U型鋼為主的各種可縮性金屬支架因軟巖巷道圍巖變形大、支架受力不均也出現(xiàn)變形破壞。

錨注加固是一種理想的改善軟弱圍巖承載性能的措施。錨注加固巷道圍巖是利用空心錨桿兼作注漿管（簡(jiǎn)稱注漿錨桿），注漿錨桿前段是帶若干個(gè)射漿孔的注漿段，后段是錨固段。松動(dòng)和裂隙發(fā)育的圍巖經(jīng)過(guò)錨桿注漿加固后圍巖強(qiáng)度等力學(xué)性能得到提高和改善，使破裂結(jié)構(gòu)的囤巖膠結(jié)成拱形連續(xù)體加固圈，同時(shí)注漿錨桿又起到懸吊、擠壓、楔固組合拱等作用，防止圍巖松動(dòng)范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，從而使巷道徑向應(yīng)力減小到僅用較小支護(hù)阻力就能使圍巖長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，錨注支護(hù)采用錨桿與注漿相結(jié)合的雙重作用達(dá)到加固圍巖、控制圍巖變形的效果，它可以大大地提高軟巖巷道支護(hù)效果和圍巖穩(wěn)定性。

2.錨注加固參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1數(shù)值模擬注漿固結(jié)體強(qiáng)度及注漿孔深度

（1）注漿固結(jié)體強(qiáng)度。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施圍巖注漿時(shí)，影響注漿效果的參數(shù)很多，如：注漿壓力、注漿時(shí)間、注漿量、水灰比、注漿孔深度等。通過(guò)合理設(shè)計(jì)與控制這些注漿參數(shù)，最終都希望達(dá)到一個(gè)共同的目標(biāo)：將漿液注入圍巖，使其與圍巖固結(jié)在一起，形成注漿固結(jié)體，以實(shí)現(xiàn)控制巷道變形。

（2）注漿孔深度。注漿孔深度會(huì)影響注漿范圍圍巖加固范圍的 大小，為確定合理注漿孔深度，對(duì)不同孔深注漿后巷道變形情況進(jìn)行擬，圍巖強(qiáng)度提高百分比取為60%，通過(guò)模擬表明，隨注漿孔深度的加大，圍巖移近量逐漸減少，特別是底臌量減少幅度更大。適宜的注漿孔深度為2.5m左右。

2.2注漿錨桿結(jié)構(gòu)

注漿錨桿可自行設(shè)計(jì)研制，在這里提一種設(shè)計(jì)方案，注漿錨桿采用42mm的無(wú)縫鋼管制作，總長(zhǎng)2000mm，注漿段1300mm，錨固段630mm，尾部螺紋段70mm，注漿段鉆有若干交叉射漿孔。該注漿錨桿具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

注漿錨桿錨固段與鉆孔巖壁間的密封性和錨固性是錨注支護(hù)成功與否的關(guān)鍵，要求所用的密封錨固材料既具有密封性好又具有短期就能提供足夠抵抗注漿壓力的能力，并要求密封錨固材料施工方便、快捷。

2.3注漿材料

由于巷道圍巖松動(dòng)圈大，圍巖空洞、裂隙多，注量大。如何降低錨注的注漿成本顯得尤為重要，在采用水泥單液注漿材料中加入其它細(xì)骨料以降低水用量是解決問(wèn)題的有效方法之一，由于粉煤灰基本上具有與水泥相同的顆粒尺寸和級(jí)配分布，因而可在注漿材料純水泥中加入部分粉煤灰。

因此，從工程應(yīng)用和技術(shù)經(jīng)濟(jì)考慮，粉煤灰一水泥錨注加固注漿粉煤灰含量選取為20%、水灰比選為0.65～0.70。

2.4注漿參數(shù)

（1）注漿壓力。注漿壓力受到圍巖特性、漿材性能、注漿方式等因素的影響和制約。注漿壓力過(guò)小，漿液難以向圍巖中擴(kuò)散，達(dá)不到預(yù)期注漿效果；若注漿壓力過(guò)大，很可能導(dǎo)致在注漿過(guò)程中巷道表面冒頂或片幫。由于集中巷道噴層較薄，強(qiáng)度低，本次設(shè)計(jì)注漿壓力為2MPa。

（2）注漿孔布置。為了注漿時(shí)不出現(xiàn)死角，保證注漿效果，漿孔間排距一般取為注漿擴(kuò)散半徑的1.67倍。

3.現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

（1）注漿設(shè)備。（p3]注漿設(shè)備主要包括注漿泵、高壓膠管、攪拌機(jī)等，根據(jù)選型計(jì)算，注漿泵型號(hào)選為2TGZ-60/210型，漿液采用攪拌機(jī)攪拌，攪拌機(jī)型號(hào)選為3B200。

（2）錨注加固施；ZT藝。錨注加固施32212藝流程是：施工準(zhǔn)備一鉆孔一安裝錨桿一造漿一注漿施工一清理錨注機(jī)具。

（3）鉆孔和安裝錨桿

（4）注漿施工。按注漿要求連接好注漿管路，調(diào)節(jié)注漿泵安全閥，經(jīng)試泵一切正常后方可開(kāi)泵注漿；在攪拌桶中放入適量的水，再倒入4袋水泥和1袋粉煤灰，使?jié){液的水灰比控制在0.65—0.70的范圍。用攪拌機(jī)攪拌漿液，攪拌時(shí)間對(duì)于漿材與水的充分混合有著非常重要的影響，攪拌時(shí)間太短，漿材與水混合不均勻，使?jié){液的流動(dòng)性受到很大影響，因而攪拌時(shí)間定為5rain；開(kāi)泵注漿，當(dāng)注漿壓力達(dá)到2MPa時(shí)停止注漿。每排注漿順序?yàn)橄茸⑾虏靠祝僮⒓缈?，最后注頂孔。每一個(gè)孔注漿結(jié)束一天后，要求在注漿錨桿末端放上托盤(pán)、擰緊螺母有效控制。

本研究針對(duì)極軟巖巷道具體條件，通過(guò)FLAC數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)設(shè)計(jì)錨注參數(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)錨注加固工業(yè)試驗(yàn)，得到以下主要結(jié)論：（1）注加固參數(shù)設(shè)計(jì)正確， 自行設(shè)計(jì)的注漿錨桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉。（2）該項(xiàng)技術(shù)對(duì)于控制極軟巖巷道的變形具有顯著技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，而且其施工工藝簡(jiǎn)單，操作方便、安全，成本低廉。（3）試驗(yàn)表明錨注加固注漿材料加入粉煤灰，不僅技術(shù)可行，而且大大降低了巷道錨注成本，擴(kuò)大了粉煤灰的利用范圍，值得進(jìn)一步推廣。 [科]