組合錨注支護(hù)技術(shù)在趙固一礦深部大斷面巷道中的應(yīng)用

張高杰

（河南國龍礦業(yè)建設(shè)有限公司，河南 鄭州 450053）

0 引言

因開采需要，煤礦井下巷道掘進(jìn)過程中經(jīng)常需要施工大斷面巷道，受井下復(fù)雜地質(zhì)條件、埋深、圍巖應(yīng)力等因素影響，深部大斷面巷道施工中經(jīng)常會出現(xiàn)應(yīng)力集中、礦壓顯現(xiàn)劇烈、巷道頂板下沉、底鼓、巷幫位移量大、支護(hù)維護(hù)難度大等問題[1-4]，若不進(jìn)行及時(shí)加固處理，容易造成頂板大面積垮落等事故，給煤礦安全生產(chǎn)帶來極大威脅。以焦煤集團(tuán)趙固一礦新進(jìn)風(fēng)井井底車場施工為例，提出注漿組合錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，以提高巷道支護(hù)強(qiáng)度，減少巷道圍巖破壞變形，確保安全生產(chǎn)。

1 工程概況

趙固一礦新進(jìn)風(fēng)井井底車場設(shè)計(jì)長度497.84 m，凈寬5.6 m，凈高4.8 m，凈斷面23.5 m2，該巷開口北端為平巷段，南端為5‰下山。新進(jìn)風(fēng)井井底車場層位為砂質(zhì)泥巖，埋深-780～-820 m，在施工過程中穿層掘進(jìn)，層位自上而下為：砂質(zhì)泥巖、L1石灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、L2石灰?guī)r。由于巷道埋深較深，巖石應(yīng)力較大且分布復(fù)雜，導(dǎo)致巷道頂板及兩幫出現(xiàn)大面積漿皮脫落等巷道變形現(xiàn)象，影響巷道有效支護(hù)斷面，并影響巷道的行人和運(yùn)輸安全，為保證巷道有效設(shè)計(jì)斷面及保證行人和運(yùn)輸安全、減小巷道變形量，提高圍巖的整體強(qiáng)度和自身的承載能力，在巷道施工時(shí)，設(shè)計(jì)采用注漿錨桿與注漿組合錨索相結(jié)合的方法提高支護(hù)效果。

2 深部巷道圍巖變形破壞原因分析

隨著礦井開采深度的不斷加深，井下巷道圍巖受到應(yīng)力作用也隨之不斷增大，巷道圍巖逐漸進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)，當(dāng)圍巖應(yīng)力作用大于傳統(tǒng)支護(hù)強(qiáng)度時(shí)，就會導(dǎo)致巷道出現(xiàn)頂板離層、變形破壞、下沉，底板鼓起、巷道原支護(hù)體系失效等問題[5]。造成巷道圍巖變形破壞的主要原因有2個(gè)方面：

1）高應(yīng)力作用。高應(yīng)力作用是造成巷道深部圍巖出現(xiàn)急劇變形破壞的直接影響因素。對于巖性相同的巷道圍巖，在埋深較淺的位置巷道圍巖破壞較小，容易維護(hù)，而在深部區(qū)域，其出現(xiàn)的破壞變形程度和范圍明顯增大。在巷道掘進(jìn)施工期間，高應(yīng)力對巷道的影響作用除受原巖應(yīng)力的作用，而且還要受到掘進(jìn)采動影響造成的二次應(yīng)力疊加。

2）支護(hù)方式。科學(xué)合理的支護(hù)方式對巷道長期保持穩(wěn)定性起著較大影響作用。對巷道圍巖發(fā)生變形破壞的情況分析可知，巷道在被開挖后會造成圍巖松動圈變大，傳統(tǒng)的錨桿索支護(hù)方式中錨桿索不能夠錨固到深部穩(wěn)定巖層中去，從而不能阻止巷道圍巖破壞變形從淺部向深部巖層延伸，支護(hù)能力將達(dá)不到要求。為降低巷道淺部圍巖破壞變形向深部圍巖延伸的程度，選擇合理的支護(hù)方式使支護(hù)體與圍巖形成共同體，達(dá)到共同支護(hù)巖層的目的，才能有效降低巷道圍巖變形量。

3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 支護(hù)方案選擇

井下巷道在剛掘進(jìn)后圍巖應(yīng)力出現(xiàn)重新分布狀況，此時(shí)主要以護(hù)表和讓壓為主，讓巷道圍巖充分卸壓變形，采用高強(qiáng)度注漿錨桿進(jìn)行端錨支護(hù)。當(dāng)圍巖應(yīng)力變化調(diào)整基本穩(wěn)定以后，主要以支護(hù)和控制巷道變形破壞為主，采用中空注漿錨桿進(jìn)行全長錨固，同時(shí)對巷道的淺部區(qū)域的巖層采取注漿加固措施。因?yàn)槁裆钶^深的巷道地應(yīng)力大，巷道圍巖松軟易變形，其產(chǎn)生的破壞變形范圍將會超出錨桿的終端錨桿范圍，因此，還需利用高強(qiáng)度注漿錨索對深部圍巖進(jìn)行支護(hù)加固，確保巷道圍巖的長期穩(wěn)定。

根據(jù)礦井原類似條件下已施工巷道圍巖破壞變形情況、巷道原支護(hù)方式及現(xiàn)巷道實(shí)際揭露的巖層情況，并結(jié)合大量巷道支護(hù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，最終確定巷道支護(hù)方式為注漿錨桿+注漿組合錨索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，以此適應(yīng)圍巖變形，保持巷道長久支護(hù)穩(wěn)定。

3.2 高強(qiáng)度錨網(wǎng)索注漿支護(hù)機(jī)理

高強(qiáng)度錨網(wǎng)索注漿支護(hù)主要是利用高強(qiáng)度注漿錨桿、錨索和注漿材料對巷道圍巖進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，其實(shí)質(zhì)是把錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)與巷道注漿加固技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，同時(shí)把中空錨桿錨索用作注漿管，對巖層注漿后，在理想情況下，漿液會在巖層擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)進(jìn)行均勻擴(kuò)散，使錨桿錨索與圍巖共同組成一個(gè)支護(hù)圈，形成共同承壓作用，特別在切向方向上形成的作用力，確保了承壓拱長久保持穩(wěn)定狀態(tài)，在巖層注漿后提高圍巖的整體性和完整性，增強(qiáng)其自身強(qiáng)度和自承能力[5-6]，從而確保巷道的長久支護(hù)穩(wěn)定。

3.3 巷道注漿組合錨桿錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

1）注漿錨桿。采用深孔和淺孔向結(jié)合的注漿錨桿對巷道進(jìn)行注漿加固，深部注漿孔深3.5 m，淺部注漿孔深2.0 m，深孔和淺孔注漿錨桿進(jìn)行交錯(cuò)布置，間排距1 600 mm×1 600 mm。均采用φ20 mm的中空注漿錨桿，其中深部錨桿長度3.0 m、淺部錨桿長度1.6 m，每排布置9個(gè)注漿孔（見圖1）。

圖1 注漿錨桿布置示意圖

2）注漿組合錨索。每組注漿錨索采用3根φ22 mm×16 000 mm的鋼絞線錨索組成。錨索設(shè)計(jì)間排距為3 000 mm×3 000 mm，每排3套（見圖2）。

圖2 注漿組合錨索布置示意圖

3）注漿材料及參數(shù)。選用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，選用模數(shù)為2.8～3.2、濃度為38～40 Be專用液體水玻璃。水泥漿液按照重量進(jìn)行配比，其水灰比配制為1∶0.8～1，水玻璃用量按水泥用量的3%；錨桿注漿壓力淺部孔2.5～3.0 MPa，深部孔3.0～5.0 MPa，注漿孔終端壓力不超過5 MPa；注漿壓力大小可以根據(jù)現(xiàn)場情況和注漿效果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；注漿錨桿淺孔注漿每孔水泥用量不小于0.2 t，深孔注漿每孔水泥用量不小于0.1 t；注漿組合錨索注漿以實(shí)際消耗為準(zhǔn)；注漿時(shí)間主要與注漿的漿液量多少和注漿終端壓力大小有關(guān)。為了防止注漿時(shí)漿液出現(xiàn)跑漏現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)場條件，要合理控制注漿時(shí)間和注漿壓力，保證勻速穩(wěn)壓注漿。通常情況下單孔注漿時(shí)間一般控制在15～30 min左右。

4 注漿施工工藝

4.1 注漿設(shè)備選擇

1）注漿泵：選用2TGZ-60/210雙液調(diào)速高壓注漿泵或2ZBQ-40/11型風(fēng)動注漿泵配GS-700型立式拌漿機(jī)或TL-200型風(fēng)動攪拌機(jī)。

2）造孔設(shè)備：注漿錨桿造孔使用YT-28型風(fēng)動鑿巖機(jī)，配φ32 mm一字型合金鉆頭，使用φ22 mm中空鋼長2～3.8 m做鉆桿。注漿組合錨索造孔使用ZDY2300LX煤礦用履帶式液壓鉆機(jī)，配φ89 mm鉆頭，以及φ50 mm×1 000 mm三棱鉆桿。

4.2 錨桿注漿施工工藝

1）布孔：按照設(shè)計(jì)位置均勻進(jìn)行布孔。

2）造孔：按照布孔位置進(jìn)行造孔，因壁后有錨桿、鋼芭網(wǎng)，造孔時(shí)一旦打住此孔不能作為注漿孔，換位置重新造孔，廢孔用水泥錨固劑糊好磨平。

3）埋管：根據(jù)注漿孔的深、淺安裝已準(zhǔn)備好的注漿錨桿，安裝后用水泥將孔口周邊空隙封堵密實(shí)。

4）球型閥及注漿管路的安裝：在注漿錨桿施工完成后，在錨桿外端安裝上球型閥，最后將球形閥與四通連接后與高壓注漿管進(jìn)行連接。

5）壓力實(shí)驗(yàn)：將管路連接好以后，開泵注壓清水，測定巷道壁的受注能力，檢查巷壁是否有漏水現(xiàn)象。如巷壁出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，要在注漿前對漏水地點(diǎn)進(jìn)行充填封堵處理。

6）注漿：注漿由下而上，根據(jù)壓力實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行漿液配比，觀察進(jìn)漿情況，根據(jù)進(jìn)漿量大小和進(jìn)漿速度相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整漿液流量和濃度，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，即可停止注漿。

4.3 組合錨索注漿施工工藝

1）布孔：按照設(shè)計(jì)間排距均勻進(jìn)行布孔。

2）造孔：按照布孔位置使用液壓鉆機(jī)進(jìn)行造孔，如出現(xiàn)廢孔用水泥錨固劑糊好磨平。

3）注漿組合錨索采用3根支撐架進(jìn)行固定，每間隔2 m設(shè)置1個(gè)支撐架。支撐架采用φ8 mm×120 mm的鋼筋焊接在φ24 mm螺帽外圈上加工而成。將φ8 mm塑料管插入鋼絞線作為注漿排氣管；采用φ25 mm注漿管安裝在注漿錨索尾端2 m段。

4）安裝注漿組合錨索：采用DN60×220 mm鋼管加工成注漿組合錨索的導(dǎo)向帽，為便于錨索穿入孔內(nèi)，將鋼管端頭加工成錐形。使用2個(gè)手動葫蘆將組合好的注漿組合錨索緩慢送入孔內(nèi)。錨索方向上基本與巖面垂直，錨索外露長度不超過500 mm。

5）球型閥及注漿管路的安裝：注漿組合錨索安裝完畢后，安裝球型閥，再安裝四通連接高壓注漿管。

6）壓力實(shí)驗(yàn)：將管路連接好以后，開泵注壓清水，測定巷道壁的受注能力，檢查巷壁是否有漏水現(xiàn)象。如有漏水現(xiàn)象，在注漿前進(jìn)行處理。

7）注漿：先對注漿組合錨索距孔口2 m范圍內(nèi)進(jìn)行注漿封堵，等孔口漿液凝固后（1～2 d）再進(jìn)行加固注漿，根據(jù)壓力實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行漿液配比，觀察進(jìn)漿情況隨時(shí)調(diào)整流量、漿液濃度，達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力和加固的效果，即可停止注漿。

5 應(yīng)用效果分析

為檢驗(yàn)注漿組合錨桿錨索支護(hù)效果，采用“十”字布點(diǎn)法分別在原普通支護(hù)巷道段和采用注漿組合錨桿錨索支護(hù)巷道段各設(shè)置了3個(gè)巷道圍巖位移觀測站，每個(gè)站點(diǎn)間距50 m。安排專門技術(shù)人員每間隔3～5 d對各觀測站處的巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭臀灰屏窟M(jìn)行觀測讀取記錄，并對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，繪制出變化曲線圖進(jìn)行對比分析。經(jīng)過整理，選取其中最具代表性的一組數(shù)據(jù)繪制曲線圖如圖3所示。

圖3 巷道表面位移變化曲線圖

根據(jù)圖3a分析可知，采用普通支護(hù)方式的巷道在觀測期間頂板最大下沉量達(dá)到了118 mm，且仍處于不斷增大趨勢；采用注漿組合錨桿索支護(hù)的巷道在觀測期間頂板最大下沉量為61 mm，變形量比采用普通支護(hù)巷道減少約50%，且在50 d以后，巷道頂板下沉趨勢逐漸變緩并逐漸趨于穩(wěn)定。根據(jù)圖3b分析可知，巷道底鼓變形量較大，采用普通支護(hù)的巷道在觀測期間內(nèi)最大底鼓變形量達(dá)500 mm，且變形量處于持續(xù)增長趨勢；采用注漿組合錨桿索支護(hù)的巷道在觀測期間最大底鼓變形量約為150 mm，比普通支護(hù)變形量減小70%，且增長趨勢逐漸變緩。由圖3c分析可知，采用普通支護(hù)的巷道在觀測期間內(nèi)巷道兩幫最大移近變形量達(dá)到了300 mm，且變形量處于持續(xù)增長趨勢；采用注漿組合錨桿索支護(hù)的巷道在觀測期間巷道兩幫最大移近變形量約為80 mm，比普通支護(hù)變形量減小了約73%，且增長趨勢逐漸變緩至最后處于穩(wěn)定階段。通過以上對比分析可知：巷道在采用注漿組合錨索支護(hù)方案以后，巷道圍巖支護(hù)強(qiáng)度得到極大提高，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟棵黠@減小，圍巖破壞變形情況得到有效控制。

6 結(jié)論

1）分析深部巷道圍巖變形破壞原因，其破壞變形主要受與深部高應(yīng)力作用和巷道選取的支護(hù)方式有關(guān)。

2）設(shè)計(jì)深部大斷面巷道注漿組合錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案，該方案是在原普通錨桿錨索支護(hù)的基礎(chǔ)上，利用中空錨桿錨索進(jìn)行注漿，使錨桿錨索在巖層中均形成了全長錨固支護(hù)，同時(shí)通過注漿使巖層中的裂隙得到充分填充，從而使深部圍巖的整體完整性、穩(wěn)定性及自承能力得到了極大提高，同時(shí)提升巷道支護(hù)強(qiáng)度，確保了巷道能夠保持長久穩(wěn)定支護(hù)。

3）通過現(xiàn)場應(yīng)用觀測結(jié)果表明，與原普通支護(hù)方式相比，采用注漿組合錨桿錨索對深部巷道圍巖進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，巷道圍巖頂?shù)装逡平亢蛢蓭妥冃瘟繙p小了50%～70%，巷道破壞變形情況得到有效控制。