中空注漿錨索在頂板淋水主斜井堵水支護加固中的應用

李　凱，張明磊，張春喜

(1.潞安集團古城煤礦，山西 長治 046204；2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221008)

中空注漿錨索在頂板淋水主斜井堵水支護加固中的應用

李凱1，張明磊2，張春喜2

(1.潞安集團古城煤礦，山西 長治 046204；2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221008)

摘要：針對古城煤礦主斜井巷道掘進過程中頂板出現(xiàn)的錨索孔淋水嚴重影響支護效果和施工進度的情況，通過巷道鉆孔探放水探測發(fā)現(xiàn)頂板存在很多強度較低的泥巖巖層，開挖后在原巖應力的作用下，容易產生裂隙，此時的裂隙會導致水從裂隙中滲透出來，對施工與支護造成不良影響?；谧{錨索的堵水支護加固和注漿理論，通過理論計算選擇了合適的主斜井頂板淋水段的注漿錨索支護方案和注漿參數(shù)并在主斜井里程590～599m進行注漿錨索試驗，確定注漿錨索施工的具體參數(shù)。根據(jù)注漿錨索試驗段的礦壓觀測表明，注漿錨索堵水支護加固措施在古城礦主斜井淋水試驗段取得了成功應用。

關鍵詞：主斜井；頂板淋水；中空注漿錨索；支護設計；堵水加固

在實際生產中，經常會遇到這樣一種巷道：巷道處于穩(wěn)定的圍巖當中，若無特殊地質構造或地質狀況，普通的支護方式完全能夠滿足巷道的支護要求，但是當巷道掘進至較惡劣地質條件時，普通支護下的巷道將難以保持穩(wěn)定，支護構件失效，甚至造成支護圍巖的破碎。例如在頂板有淋水的狀況下，在頂板水的腐蝕下，頂板圍巖強度降低，普通的錨桿(索)支護效果受到嚴重影響，威脅巷道的安全穩(wěn)定。

中空注漿錨索兼顧了單體錨索支護承載作用和破碎圍巖體內部裂隙注漿的加固作用，極大地優(yōu)化了注漿施工工藝[1-2]。因此注漿錨索支護技術在許多巷道，例如軟巖巷道、煤層頂板巷道、地質構造破碎巷道，都得到重要的應用[3-6]，并取得了良好的支護效果。

1工程概況及加固方案設計

1.1工程概況

古城礦主斜井預計穿過表土層厚度為92m、基巖風化帶邊界深度為125m。根據(jù)井筒穿過的表土層深度和其深部有多層厚粉沙層并含水的特點，確定主斜井井口段43m采用明槽開挖施工，其余表土層及風化基巖段采用分段遞進、穿過式多排立孔差異凍結法(施工開挖區(qū)的凍結壁厚度可以保證井筒安全施工)施工，其最大凍結深度為141m，凍結段井筒斜長為504m?；鶐r段采用普通法施工，必要時采用工作面預注漿或疏導排綜合防水措施通過含水層。主斜井表土段采用直墻半圓拱加底拱馬蹄形斷面、掛網馬蹄形“U”型鋼支架噴砼一次支護及馬蹄形單層鋼筋混凝土二次砌筑支護；風化基巖段采用直墻直底半圓拱斷面、鋪網“U”型鋼支架一次支護和混凝土砌碹與筑底二次支護；基巖段采用直墻半圓拱形斷面、錨索噴支護。

主斜井表土層段支護效果較好，未發(fā)生淋水狀況。進入基巖段后，由于在原始設計中未探得該段存在含水層，所以未進行探放水工作。在打設錨索孔時，錨索孔出現(xiàn)淋水現(xiàn)象，部分錨索孔淋水水量較大，部分頂板離層儀也出現(xiàn)淋水現(xiàn)象，已嚴重影響巷道的支護質量和現(xiàn)場施工進度。為保證施工進度，從580m處開始停止打錨索孔只進行錨網噴支護，在580～880m段就沒有進行錨索的支護，直到880m后才進行錨索支護。

雖然在短期內巷道并未發(fā)生大的礦壓顯現(xiàn)，但古城礦主斜井服務時間較長，對支護的要求高，錨索對于主斜井的支護起到至關重要的作用。因此對此段巖層進行探放水工作(探放水鉆孔布置見圖1)，發(fā)現(xiàn)古城礦主斜井頂板存在很多強度較低的泥巖巖層，開挖后在原巖應力的作用下，容易產生裂隙，此時的裂隙會導致水從裂隙中滲透出來，嚴重影響支護效果和施工進度。對于該種情況，現(xiàn)今最好的辦法是頂板水的抽排，但頂板裂隙水量大，抽排時間長，影響主斜井的掘進速度，因此對古城礦主斜井頂板淋水段采用注漿錨索支護。

1.2主斜井注漿錨索支護參數(shù)的確定

1.2.1注漿錨索支護配合錨噴支護作用

利用注漿錨索配合表面噴漿支護，見圖2。

通過錨噴支護的組合拱厚度由巖石拱(hy)和噴層拱(δ)組成，見式(1)及式(2)。

(1)

(2)

式中：E0為噴漿層的彈性模量；E1為圍巖的彈性模量。

圖1探放水鉆孔斷面示意圖(單位：mm)

圖2巖石均勻壓縮帶

由于受裂隙水影響，巷道頂板巖石穩(wěn)定性降低，為安全起見，將錨索控制角α設為45°，則有巖石均勻壓縮帶的厚度，見式(3)。

(3)

式中：l為有效控制長度，m；a為間距，m；b為排距，m；α為控制角，°。

噴層組合拱與巖石均勻壓縮帶之間距離見式(4)。注漿錨索支護形成組合拱厚度見式(5)。因此利用注漿錨索支護后進行錨噴支護，形成的組合拱厚度為注漿錨索加固拱厚度及錨噴支護拱厚度之和，其表達式見式(6)。式(6)中hj為注漿錨索加固拱厚度。

(4)

(5)

(6)

1.2.2注漿錨索支護參數(shù)

注漿錨索的支護與普通錨索相同，采用端部錨固，搭配一支K2335樹脂錨固劑和兩支Z2360樹脂錨固劑，鉆孔直徑為33mm，錨固長度1355mm。為保證注漿錨索注漿后能對古城礦主斜井成功進行堵水，兩注漿錨索在空間上應該保證注漿能一定程度上相互貫通，因此根據(jù)注漿孔排距的大小設計注漿錨索的排距。為保證注漿漿液能夠充分擴散，又考慮到錨索、錨桿排距的相互配合，取注漿錨索的排距為1600mm。注漿錨索排距確定后，可根據(jù)式(7)確定錨索間距。

(7)

根據(jù)式(7)計算可得錨索間距為2.34m，根據(jù)施工經驗以及出于更安全考慮，最終設計錨索的間距為2000mm。

1.3主斜井的原支護方案

古城礦主斜井基巖段凈寬6.0m，凈高4.2m，凈斷面積21.33m2，傾角15°，支護斷面圖見圖3。原支護方案采用錨網索噴支護，錨桿支護增加鋼筋托梁，錨桿選用Φ22mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每根錨桿配K2335和Z2360樹脂錨固劑各一支，錨桿間排距為800mm×800mm。鋼筋托梁采用Φ16圓鋼加工，錨索選用Φ18.9mm高強度低松弛鋼絞線，錨索長度為8.3m，搭配一支K2335樹脂錨固劑和三支Z2360樹脂錨固劑，鋼筋網規(guī)格為長×寬=2.0m×1.0m，網孔100mm×100mm，用Φ6.0mm的鋼筋焊接而成。噴漿厚度為200mm，強度為C25。

噴射混凝土料配料比(體積比)為：水泥∶砂∶石子=1∶1.82∶1.82。初噴厚度為50mm，復噴達到設計厚度200mm，初噴緊跟掘進工作面，復噴距離掘進工作面不超過40m。噴射混凝土配比材料要求見表1。

圖3古城礦主斜井原支護方案(單位：mm)

表1噴射混凝土配比材料

材料配比要求速凝劑摻量占水泥用量的4%,水灰比為0.45,其強度不低于C25水泥普通硅酸鹽水泥,標號為PO42.5,無過期、受潮結塊現(xiàn)象黃沙清潔的中粗黃砂,含水率3%～6%,含泥量不大于3%。石子清潔干凈,粒度3～5mm水不含雜質,pH值6～8

頂板錨索孔淋水嚴重影響支護效果和施工進度，因此在淋水段暫未進行錨索支護。主斜井服務年限貫穿礦井始末，其長期穩(wěn)定性至關重要。因此，在原支護方案的基礎上增加注漿錨索進行堵水加固，以保證巷道頂板的穩(wěn)定。

1.4主斜井的注漿堵水方案

注漿錨索結合錨網噴的支護斷面見圖4。具體支護參數(shù)如下所述。

1)拱頂部每排布置13根錨桿，墻部每排布置4根錨桿。錨桿采用矩形布置方式，錨桿間排距為800mm×800mm，墻部兩根錨桿間距700mm。錨桿選用Φ22mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每根錨桿配K2335和Z2360樹脂錨固劑各一支，配套150mm×150mm×10mm碟形托盤、調心球墊、尼龍墊，選用Φ16圓鋼加工而成的鋼筋托梁。錨桿扭矩力不小于350N·m，錨桿錨固力為100kN。

2)錨索每排3根平行布置，間排距為2000mm×1600mm。選用Φ22mm×8300mm螺旋肋預應力中空注漿錨索，每根錨索配一支K2335和三支Z2360樹脂錨固劑，每套錨索配套300mm×300mm×16mm碟形托盤、調心球墊、尼龍墊圈。錨索配套鉆孔為28～32mm，錨索的破斷力不低于400kN，錨索的預緊力大于150kN。

圖4注漿錨索結合錨網噴支護斷面圖(單位：mm)

2現(xiàn)場施工及注漿效果

2.1施工工藝

注漿錨索采用風動錨桿機打孔，鉆孔時，如果圍巖比較破碎，容易導致鉆孔空口處形成喇叭口，需要用紗布配合錐形橡膠塞止?jié){塞，以保證注漿質量。在裝入錨索后通過張拉機具對錨索進行預緊力的施加，同時將塑料軟管擠壓，擠壓后實現(xiàn)固體密閉塑料對孔口的封閉作用，防止?jié){液在注漿壓力作用下跑出。為了防止圍巖風化，防止深孔注漿過程中發(fā)生漏漿，在中空注漿錨索張拉預緊后噴射混凝土，強度等級為C20，初噴厚度50mm，復噴厚度150mm。待開始注漿時，先通水檢查注漿管路是否順暢，防止注漿開始后漿液被堵塞，確保無誤后，采用干凈的攪拌儀對注漿液進行攪勻，保證注漿液的濃稠度。

2.2注漿效果

在主斜井里程590m處之后開始打設6排注漿錨索的試驗段，每排3顆，共18顆。沿巷道走向方向，注漿錨索施工前后巷道的出水情況如圖5所示，可清晰看出注漿錨索施工效果。

圖5注漿錨索施工前后巷道情況

由于巷道注漿錨索是按照巷道走向施工，所以前排的注漿錨索注漿對后續(xù)的注漿錨索孔出水產生影響，現(xiàn)場得到的出水規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)按排數(shù)增加，注漿錨索孔的出水量逐漸減小，可以得出前排的注漿對后排的注漿錨索孔出水產生很大作用；注漿后注漿錨索孔并未出現(xiàn)滴水或流水現(xiàn)象、附近的錨桿孔亦未出現(xiàn)流水的現(xiàn)象，注漿堵水效果好。

3礦壓觀測分析

為驗證頂板注漿錨索聯(lián)合錨網噴的支護方式對頂板的支護加固效果，在注漿錨索試驗段即沿巷道里程590m位置附近設置KD礦壓觀測測站，包括巷道表面位移監(jiān)測和頂板離層監(jiān)測。測站位置見圖6。

圖6　測站布置位置

經過40d左右的礦壓監(jiān)測，巷道表面收斂情況和頂板離層監(jiān)測分別見圖7、圖8。

圖7巷道表面變形監(jiān)測

圖8頂板離層監(jiān)測

通過圖7、圖8可以看出，巷道頂?shù)装逡平繛?4mm，頂板下沉量為8mm；兩幫移近量為11mm，左幫最大位移量為4mm。巷道整體變形很小，變化主要集中在注漿錨索安裝后9d時間內。頂板離層儀淺基點離層讀數(shù)僅為2mm，深基點離層讀數(shù)僅為3mm，巷道頂板沒有離層。故綜合來看巷道位移量值很小，完全滿足巷道的支護安全性要求。

4結語

1)利用中空注漿錨索注漿，堵水效果明顯，注漿后注漿錨索孔并未出現(xiàn)滴水或流水現(xiàn)象，有效解決了古城礦主斜井頂板淋水問題。

2)采用中空錨索注漿，能增強圍巖整體性，提高錨固體承載能力，有利于巷道穩(wěn)定。

參考文獻

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Application of hollow grouting anchor cable in the water plugging and supporting-strengthening of the water spraying main inclined shaft

LI Kai1，ZHANG Ming-lei2，ZHANG Chun-xi2

(1.Gucheng Coal Mine，Shanxi Lu’an Group，Changzhi 046204，China；2.School of Mines，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221008，China)

Abstract:Aiming at the water leakage from anchor cable bore in Gucheng coal mine main inclined shaft which influences the support effect and construction schedule，We discover the roof has a lot of low strength mudstone rock strata that easy to produce cracks under the excavation.The cracks will lead to the water from the cracks in the infiltration which causes adverse effects tothe construction and support.Calculating the supporting schemes and grouting strengthening patameters of roof leakage parts in main inclined shaft by theory calculating methods and making the specific grouting cable anchor parameters by arranging testing section and constructing in 590～599m of main inclined shaft.Recording the mine pressure summarizing，thegrouting anchor cable reinforcement supporting water plugging measures have been successfully applied in the ancient city of mine water test section of inclined shaft.

Key words：main inclined shaft；roof leakage；hollow grouting anchor cable；supporting design；water plugging and supporting-strebgthening

收稿日期：2015-09-29

作者簡介：李凱(1976-)，山西長治人，工程師，現(xiàn)從事煤礦技術管理工作。E-mail：gcklikai@163.com。

中圖分類號：TD353

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)05-0093-04