松散破碎圍巖錨噴注聯(lián)合加固技術(shù)

朱國宏

(山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院采礦工程系，山西 太原 030031)

松散破碎圍巖錨噴注聯(lián)合加固技術(shù)

朱國宏

(山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院采礦工程系，山西 太原 030031)

摘要：為解決九軌下山部分地段變形嚴(yán)重的問題，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，得出該巷道持續(xù)劇烈變形的原因是斷層構(gòu)造多、圍巖強(qiáng)度低和巷道施工質(zhì)量差。分析認(rèn)為，錨噴巷道在徑向上存在分區(qū)，由外向里依次為錨噴層、散體層和深部裂隙層。散體層內(nèi)圍巖松散破碎，深部裂隙層內(nèi)裂隙發(fā)育，貫通率高，這些是導(dǎo)致巷道后期失穩(wěn)的主要因素。注漿加固的機(jī)理是固結(jié)淺部圍巖，充填深部裂隙，為錨桿(索)提供穩(wěn)定的著力基礎(chǔ)，使得松散破碎的圍巖與錨桿(索)成為整體，形成復(fù)合承載結(jié)構(gòu)，從而提高巷道的穩(wěn)定性?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，九軌下山采用錨噴注加固40d后變形基本穩(wěn)定，兩幫移近量為67mm，頂?shù)装逡平繛?5mm，滿足了生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞：松散破碎；錨噴注支護(hù)；分步注漿；加固機(jī)理

研究表明，破碎程度較大或者圍巖松散軟弱的巷道，開掘后將產(chǎn)生蠕變和原生裂隙的擴(kuò)展貫通，圍巖進(jìn)一步受到破壞，導(dǎo)致巷道失穩(wěn)[1-5]。而采用單獨(dú)的錨桿索或錨噴支護(hù)均無法解決其變形破壞嚴(yán)重的問題。即使通過縮小錨桿間排距等方式增加支護(hù)強(qiáng)度，也無法實(shí)現(xiàn)對巷道軟弱圍巖的有效支護(hù)，不僅造成了支護(hù)材料的浪費(fèi)，而且巷道反復(fù)維修，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。而將錨噴與注漿加固技術(shù)相結(jié)合，是維護(hù)該類巷道穩(wěn)定的有效途徑。

1工程概況

某礦九采區(qū)九軌下山是采區(qū)運(yùn)料、行人、進(jìn)風(fēng)的重要準(zhǔn)備巷道。巷道投入使用后，由九軌行人聯(lián)巷與九軌下山交叉口往下約100m(導(dǎo)36點(diǎn)～42點(diǎn))的地段變形嚴(yán)重，如圖1所示，平均半年就整修一次，對九采區(qū)的正常生產(chǎn)造成了影響。

圖1　九軌下山嚴(yán)重變形段

1.1原巷道支護(hù)及礦壓顯現(xiàn)

九軌下山的掘進(jìn)斷面為半圓拱形，規(guī)格為3.4m×3.0m(寬×巷中高)，最初掘進(jìn)時(shí)采用的是錨噴支護(hù)，噴厚120mm；錨桿為Ф16mm×1500mm圓鋼錨桿，配一卷Z2360樹脂藥卷和1.5m×1.0m菱形金屬網(wǎng)，間排距800mm×800mm，金屬梯子梁為Ф12mm×1800mm，由一條主筋和中間的橫筋焊接而成，主筋首尾焊接長度不小于0.1m，主筋間距為50mm。

九軌下山的維修斷面規(guī)格為3.8 m×3.2m(寬×巷中高)，曾采用錨桿加錨索或U鋼加錨索等多種支護(hù)方式，但出現(xiàn)了頂幫噴層開裂脫皮甚至掉塊、托盤變形、錨梁彎曲等錨固結(jié)構(gòu)破壞失效等現(xiàn)象，巷道斷面變小，無法滿足正常的生產(chǎn)需求。

1.2巷道破壞原因分析

造成該段巷道劇烈變形的原因主要有三個(gè)方面。

1)斷層的影響。由如圖2所示的巷中素描可知，該段巷道處于斷層構(gòu)造密集區(qū)，構(gòu)造應(yīng)力顯現(xiàn)劇烈。在100m長的巷道內(nèi)揭露有四條斷層，并且F35和dF6兩條斷層的落差分別為6m和5m，大于巷道的高度，嚴(yán)重影響巷道穩(wěn)定。斷層附近圍巖破碎，尤其是在斷層破碎帶中，其充填物由松散、破碎或完整性差的碎塊巖體和泥巖組成，破碎軟弱，承載能力差。

圖2　九軌下山嚴(yán)重變形段巷中素描

2)圍巖巖性的影響。從該段巷道的素描圖可以看出，巷道縱跨的圍巖以砂質(zhì)泥巖和粉砂巖為主，砂質(zhì)泥巖性脆較破碎，而粉砂巖或松軟破碎或含有夾矸。圍巖本身松散破碎，又經(jīng)過長時(shí)間蠕變的影響，內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力和承載能力大大降低。

3)施工的影響。九軌下山為巖巷，采用炮掘施工，巷道成型差，超挖嚴(yán)重。并且當(dāng)初的巷道掘進(jìn)中追求進(jìn)尺，整個(gè)巷道采用的是同一種支護(hù)方式，對圍巖破碎、斷層等地段只是簡單的補(bǔ)打錨索，沒有采取合適有效的支護(hù)措施。圍巖變形破壞之后，維修方法不當(dāng)，導(dǎo)致了破壞—維修—變形—再維修的循環(huán)。

2加固機(jī)理研究

2.1加固方案的選擇

近年來，錨噴注為巷道支護(hù)開辟了一條新的途徑，在破碎巷道的修復(fù)與加固中得到廣泛應(yīng)用[6-9]。而該段巷道多次維修的實(shí)踐也表明，對圍巖松散破碎的巷道，采用單一的錨桿索或U鋼支護(hù)已經(jīng)不能保證巷道的穩(wěn)定性，應(yīng)該從改變圍巖特性入手，通過注漿等手段增強(qiáng)圍巖的自承載能力，提高圍巖的抗變形能力及強(qiáng)度。因此，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況，決定在錨網(wǎng)噴支護(hù)的基礎(chǔ)上，對巷道進(jìn)行深淺孔分步注漿，保證巷道的穩(wěn)定。

2.2注漿加固機(jī)理

為充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力，首先采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行支護(hù)，并且掛網(wǎng)之后噴射混凝土層對巷道圍巖進(jìn)行封閉，防止跑漿，同時(shí)提高錨桿托盤與圍巖的密貼性，提高錨桿支護(hù)效果。錨噴之后的巷道圍巖在徑向上可以分為三個(gè)部分，由巷壁向里依次為錨噴層、淺部的散體層和深部的裂隙層，如圖3所示。散體層內(nèi)圍巖破碎，自穩(wěn)能力差，而深部裂隙層內(nèi)裂隙高度發(fā)育，貫通率高，是導(dǎo)致巷道后期失穩(wěn)的主要因素，是注漿加固的關(guān)鍵。

對錨噴之后的巷道進(jìn)行分布注漿，機(jī)理如圖4所示。第一步為淺部注漿，主要作用是在混凝土的基礎(chǔ)上進(jìn)一步封閉巷道圍巖表面裂隙及煤壁破損位置，同時(shí)固結(jié)散體層的碎石，提高松散破碎圍巖的可鉆性，為深部注漿提供條件；第二步深部注漿，主要作用是封閉圍巖中的裂隙，尤其是深部的已貫通裂隙。通過注漿，可顯著提高巖體強(qiáng)度，為錨桿(索)提供穩(wěn)定的著力基礎(chǔ)，加強(qiáng)錨桿對破碎圍巖的錨固作用。同時(shí)注漿使得松散破碎的圍巖與錨桿(索)膠結(jié)為整體，圍巖成為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，兩者共同形成復(fù)合承載結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性和承載能力得到大幅提高，從而解決破碎圍巖的持續(xù)大變形問題。

圖3錨噴巷道破碎圍巖區(qū)分層示意圖

圖4錨噴注加固機(jī)理示意圖

3錨噴注聯(lián)合加固方案及效果監(jiān)測

3.1錨網(wǎng)噴支護(hù)

采用Φ22mm×2000mm左旋螺紋鋼強(qiáng)力錨桿配金屬梯子梁(Φ14mm的A3圓鋼)加一卷Z2360和一卷Z2345樹脂藥卷加長錨固，間排距800 mm×800mm。金屬網(wǎng)為直徑3.5mm的冷拔鐵絲制作，規(guī)格1800 mm×1000mm(長×寬)，相鄰兩塊網(wǎng)之間的搭接長度不小于100mm，連接點(diǎn)間距不大于200mm。視頂板情況補(bǔ)打Φ17.8mm×9000mm單體錨索配300 mm×300 mm×20mm(長×寬×厚)大托盤加強(qiáng)支護(hù)。

錨桿(索)支護(hù)完成后噴射混凝土封閉，采用42.5型普通硅酸鹽水泥，配比為水∶砂子∶水泥=1∶2∶2；速凝劑為J85型，摻入量為水泥重量的2%～4%。噴漿厚度120mm，初噴厚度為50～70mm，復(fù)噴間隔時(shí)間不得超過2h。

3.2二次注漿加固

1)注漿材料及配比。注漿材料選用水泥—水玻璃雙液漿，同時(shí)加入一定量的添加劑。其主要參數(shù)為水玻璃模數(shù)M=3.01～3.2，溶液濃度Be’=40，水泥漿的水灰比W/C=(0.6～1)∶1(重量比)，水泥漿與水玻璃的體積比應(yīng)控制在1∶(0.1～0.3)之間。

2)注漿孔的布置。注漿孔的布置主要考慮的是注漿孔的間排距。漿液的擴(kuò)散半徑?jīng)Q定了注漿孔的間排距。為達(dá)到良好的注漿效果，兩注漿孔的間距應(yīng)保證注漿后漿液滲透范圍有一定的交叉，所以應(yīng)小于2倍的擴(kuò)散半徑。為了保證注漿質(zhì)量，擬將注漿液的擴(kuò)散半徑控制在1.0m以內(nèi)，注漿孔的布置如圖5所示。淺部注漿孔沿巷道走向成排布置，排距3m，每排布置7個(gè)鉆孔：巷道正頂一個(gè)，兩肩、兩腰及兩底各一個(gè)。深部注漿孔布置在淺孔中間，與相鄰淺孔呈五花形，排距3m，每排6個(gè)。

圖5注漿孔布置示意圖(單位：mm)

3)注漿孔的尺寸。淺孔注漿使用的是注漿錨桿，孔深為2.5m，孔徑為42mm。深孔采用孔口管注漿，由該段巷道安設(shè)的頂板離層儀可知，該段巷道靠離層主要發(fā)生在深部(6m以下)，因此確定深部孔深為8m，0～1m 段采用7655 風(fēng)鉆配Φ42mm一字形鉆頭施工；1～8m段使用錨桿機(jī)施工，配Φ28mm 鉆頭。

4)注漿壓力。注漿壓力受圍巖特性、注漿性能、注漿方式等因素的影響。若注漿壓力過小，漿液難以向圍巖中擴(kuò)散，達(dá)不到預(yù)期的注漿效果；若注漿壓力過大，則會導(dǎo)致在注漿過程中巷道表面出現(xiàn)冒頂、片幫或開裂。因此根據(jù)圍巖條件與類似工程經(jīng)驗(yàn)，并考慮注漿系統(tǒng)的壓力損失，設(shè)計(jì)淺孔注漿終壓不大于2MPa，深孔注漿終壓為5MPa。

5)注漿順序。注漿順序整體由下向上，即由如圖2所示的導(dǎo)42點(diǎn)向?qū)?6點(diǎn)方向依次注漿。具體到每排是先幫后頂，即先注底腳孔，再注腰孔和肩孔，最后注頂孔。

3.3加固效果監(jiān)測

為了檢驗(yàn)加固效果，采用“十字”布點(diǎn)法對該段巷道表面位移進(jìn)行了監(jiān)測?，F(xiàn)場共布置測點(diǎn)5個(gè)，其中三號測點(diǎn)位于該段巷道走向的中心位置，最能真實(shí)反映注漿的效果。

圖6測點(diǎn)三巷道表面位移觀測結(jié)果

由圖6可以看出，由于該段巷道反復(fù)變形破壞、多次維修加固，圍巖應(yīng)力幾乎得到了完全釋放，因此采用錨注聯(lián)合支護(hù)之后，頂板及兩幫變形速率小，變形趨勢基本一致，且曲線均比較平穩(wěn)，無明顯的階段性特征。觀測持續(xù)到40天左右，變形基本穩(wěn)定，兩幫移近量為67mm，頂?shù)装逡平考s為45mm，且以底臌為主，通過簡單的臥底即可解決，完全能夠滿足生產(chǎn)需求。

4結(jié)論

1)錨噴支護(hù)的巷道分為三層：錨噴層、散體層和裂隙層，散體層內(nèi)破碎的圍巖和裂隙層內(nèi)發(fā)育的裂隙是導(dǎo)致巷道后期失穩(wěn)的主要因素。在錨網(wǎng)噴的基礎(chǔ)上采用深淺孔注漿，可固結(jié)淺部圍巖，充填深部裂隙，使圍巖與錨桿(索)膠結(jié)為整體，形成復(fù)合承載結(jié)構(gòu)，有效解決破碎圍巖的持續(xù)變形問題。

2)現(xiàn)場實(shí)踐表明，采用錨噴注聯(lián)合加固技術(shù)，巷道圍巖穩(wěn)定，變形量小，返修率低，服務(wù)年限長。但該方案工序較多、成本相對較高，適用于開拓和準(zhǔn)備巷道的掘進(jìn)支護(hù)和維修加固。

3)本文針對錨噴巷道注漿加固機(jī)理做了定性的分析，注漿參數(shù)的設(shè)計(jì)上存在一定的盲目，應(yīng)進(jìn)一步研究圍巖裂隙與漿液擴(kuò)散的關(guān)系，以更好指導(dǎo)注漿設(shè)計(jì)。

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The combined strengthen technology of bolt-shotcreting-grouting for loose and fractured surrounding rock

ZHU Guo-hong

(Department of Mining Engineering，Shanxi Vocational and Technical College of Coal，Taiyuan 030031，China)

Abstract:In order to solve the problem of serious deformation of dip track roadway in mining area No.9 and combined with the actual situation，the deformation reasons of this roadway were many fault structures，low rock intensity and poor construction quality.Based on the analysis，there existed partition in the radial direction of bolting and shotcrete roadway，which was the anchor spray layer，the granular layer and the deep fracture layer in turn.the loose and fractured surrounding rock in the granular layer and the fully developed fractures in the deep fracture layer were the main factors leading to instability in the later period of the roadway.By consolidating the rock and filling the cracks，grouting provided a stable foundation for the bolt (cable).Besides，the loose broken rock and anchor bolt (cable) were cemented as a whole by grouting，and a composite bearing structure was formed which improved the stability of the roadway.Field application has shown that the dip track roadway was basically stable 40 days after maintenance and reinforcement.The deformation of both sides and roof to floor were 67mm and 45mm respectively，meeting the needs of production.

Key words：loose and fractured；bolt-shotcreting-grouting support；two-step grouting；strengthen mechanism

收稿日期：2015-10-15

作者簡介：朱國宏(1969-)，男，山西五寨人，講師，山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院采礦工程系。E-mail：zhugh6751@163.com。

中圖分類號：TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)05-0074-04