高應(yīng)力軟巖巷道錨注加固技術(shù)研究與應(yīng)用

桑偉沖 喬西如

（山東能源集團(tuán)魯西礦業(yè)有限公司陳蠻莊煤礦，山東 菏澤 274300）

陳蠻莊煤礦西翼膠帶大巷埋深大、地應(yīng)力高、圍巖松軟破碎，日常維護(hù)工作量較大，采用普通錨網(wǎng)索噴支護(hù)無法有效控制巷道變形。通過錨注加固方法可以提高巷道圍巖強度，改善圍巖的自承載能力，形成強度較大的圍巖加固拱，滿足現(xiàn)場使用要求。

1 概況

西翼膠帶大巷布置在二疊系山西組3 上煤層底板（穿層布置），位于3206 工作面采空區(qū)下方約70 m，與西翼軌道大巷平面距離30 m。巖層傾角平均27°，大巷埋深約930 m。

巷道圍巖以碳質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖互層為主，其中碳質(zhì)泥巖與煤接觸面為滑面，破碎易風(fēng)化；粉砂巖質(zhì)硬但滑面明顯，局部破碎且垂直裂隙較為發(fā)育；細(xì)砂巖灰色細(xì)沙粒狀結(jié)構(gòu)，互層狀分布。其巷道圍巖存在以下特點：

（1）巷道直接頂穩(wěn)定性較差，含多層薄層泥巖夾層，層狀節(jié)理發(fā)育，強度較低，為“復(fù)合軟弱頂板”，對巷道穩(wěn)定性控制影響較大[1]。

（2）巷道兩幫為層理、垂直裂隙較為發(fā)育的泥巖、粉砂巖，滑面接觸，由于巖層傾角較大，巷道圍巖應(yīng)力分布呈現(xiàn)出明顯的非勻稱性，巖層面之間易發(fā)生滑動現(xiàn)象，表現(xiàn)出圍巖整體滑移，兩幫整體變形。受附近回采活動的影響，巖層相對滑動現(xiàn)象將更加明顯[2]。

（3）巷道直接底為遇水易膨脹的碳質(zhì)泥巖、粉砂巖，強度低，易于發(fā)生底鼓現(xiàn)象。

（4）巷道穿層布置，部分地段巷道圍巖泥質(zhì)含量較高，且巷道頂板存在裂隙水，巖層濕度較大。高含水性對高泥質(zhì)巖巷道的穩(wěn)定支護(hù)有顯著的負(fù)面影響。

2 巷道破壞機理分析

西翼膠帶大巷巷道發(fā)生變形失穩(wěn)是由多種因素造成的，主要包括復(fù)雜高應(yīng)力環(huán)境、圍巖弱面結(jié)構(gòu)、原支護(hù)方式效率低以及返修方案不合理等。

（1）復(fù)雜高應(yīng)力環(huán)境，是巷道失穩(wěn)的主要原因。由于巷道處于背斜軸部高應(yīng)力區(qū)，埋深大，巖層傾角大，巷道圍巖應(yīng)力分布及變形呈現(xiàn)出明顯的非對稱性，如圖1。部分巷道段受到采動因素影響，處于顯著的復(fù)雜高應(yīng)力環(huán)境，且受相關(guān)工作面采動動壓的反復(fù)作用影響，巷道圍巖發(fā)生疲勞破壞。從現(xiàn)場的巷道變形特征分析，水平應(yīng)力集中系數(shù)明顯大于垂直應(yīng)力集中系數(shù)[3]。

圖1 大傾角作用下圍巖呈現(xiàn)非對稱變形模擬圖

（2）原錨網(wǎng)索初次支護(hù)效率低，是巷道發(fā)生失穩(wěn)的另一主要原因。巷道發(fā)生整體變形但錨桿受力較小，個別錨桿甚至出現(xiàn)不受力的情況，同時也出現(xiàn)錨桿因受力表面發(fā)生“內(nèi)陷”并形成網(wǎng)兜等現(xiàn)象，錨桿、錨索在受力過程中出現(xiàn)較多尾部剪切破斷現(xiàn)象。上述現(xiàn)象表明，錨桿支護(hù)效率偏低。

（3）圍巖結(jié)構(gòu)整體性差的固有特征進(jìn)一步加劇了巷道變形。巷道穿層布置且巷道圍巖巖性相變嚴(yán)重，同時巷道圍巖層理發(fā)育，多為滑面接觸，內(nèi)生節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層多為泥質(zhì)膠結(jié)，遇水易膨脹，圍巖整體性較差，在高應(yīng)力作用下易發(fā)生整體變形[4]。巷道頂板為“復(fù)合軟弱頂板”，在高應(yīng)力作用下巖層面發(fā)生易離層以及層面滑移現(xiàn)象，如圖2。

圖2 “復(fù)合軟巖頂板”離層滑移示意圖

（4）返修方案選擇不合理，未能有效控制巷道變形。對于巷道底板及兩幫（尤其是有水的情況下）采用水泥漿加固條件下，因水泥漿液的滲透半徑小、與泥質(zhì)巖的膠結(jié)性能差、析水率高、凝結(jié)時間不易控制等缺點，對膨脹性巖層有很大的負(fù)面影響，有時非但不能起到有效的加固作用，反而有破壞影響。另外，水泥漿液加固圍巖強度不足以滿足抵抗其復(fù)雜高應(yīng)力環(huán)境要求。

3 深井高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制方案

通過西翼膠帶大巷持續(xù)性變形原因分析可以發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索噴支護(hù)對于深部永久性巷道的返修方案是不科學(xué)的，應(yīng)該把巷道圍巖看作相互作用的有機統(tǒng)一體。為解決以上問題，從改善圍巖結(jié)構(gòu)整體性、強化支護(hù)體系作用入手，采用“全斷面高強抗剪錨網(wǎng)索+新型無機材料注漿加固”方式對巷道進(jìn)行修復(fù)。即先施工高強高預(yù)緊力錨桿進(jìn)行全斷面支護(hù)，再進(jìn)行新型無機注漿材料高壓注漿加固，以實現(xiàn)所修復(fù)巷道的長期穩(wěn)定性。

（1）針對在高應(yīng)力巷道中易出現(xiàn)錨桿剪斷的現(xiàn)象，從桿體材質(zhì)和錨桿結(jié)構(gòu)兩方面入手，來提高錨桿的抗剪切能力。在錨桿托盤下方增加抗剪切構(gòu)件，一方面防止表面圍巖錯動引發(fā)錨桿發(fā)生“孔口剪切”，另一方面可保證錨桿的對中性，可避免錨桿桿體與圍巖的接觸，減小圍巖錯動而引發(fā)錨桿剪切破壞的幾率。

（2）針對傳統(tǒng)水泥漿液注漿擴(kuò)散范圍小、與泥質(zhì)巖的膠結(jié)性差、析水率高、對高泥質(zhì)巖（尤其是膨脹性巖層）負(fù)面影響大的特點，采用新型注漿添加劑材料具有成本低、滲透性能好、抗壓強度高等優(yōu)點。

從表1 中可以看出，在濃度相同的情況下，新型無機注漿材料的黏度比水泥要小，初凝和終凝時間要短，抗折和礦壓強度明顯高于水泥。注漿后該材料的結(jié)石率稍大于1，說明材料有微膨脹的特性。新型無機注漿材料的滲透性是水泥漿液的10 倍，在相同濃度的情況下，新型無機注漿材料的滲透性大于水泥漿液，析水率小，抗折強度明顯大于水泥，其與泥巖的膠結(jié)能力明顯大于水泥漿液。

表1 新型無機注漿材料與普通水泥參數(shù)對比表

深井高應(yīng)力巷道返修方案：將巷道刷至設(shè)計斷面→頂板和兩幫錨網(wǎng)索支護(hù)→巷道表面噴漿封堵（50 mm 以堵漏為目的）→初次底板注漿錨桿注漿→頂板、兩幫注漿錨桿初次注漿→深孔注漿錨索高壓注漿加固→鉆孔窺視檢查，不合格鉆孔需復(fù)注。

3.1 注漿加固巷道斷面布置方案

西翼膠帶大巷在巷道修復(fù)完成后，施工注漿錨索、注漿錨桿，進(jìn)行注漿加固。每排施工注漿錨桿11 根（包括底板施工4 根），頂、幫注漿錨桿第1 根布置在正拱頂，其他沿巷道中心線向兩邊對稱布置，注漿錨桿間排距1800 mm×3200 mm。底板注漿錨桿每排施工4 根，間排距為1400 mm×3200 mm，沿巷道中心線向兩邊對稱布置。每排施工注漿錨索3 根，第1 根布置在正拱頂，其他沿巷道中心線向兩邊對稱布置，注漿錨索間排距3000 mm×3200 mm。

注漿錨索規(guī)格為Ф22 mm×6300 mm，每根注漿錨索使用2 塊MSM2350 型錨固劑錨固，預(yù)緊力不低于150 kN，錨固力不低于450 kN。注漿錨桿規(guī)格為Ф20 mm×2000 mm，每根注漿錨桿使用1 塊MSCK2335型錨固劑和1塊MSM2350型錨固劑固定。

3.2 注漿施工方法

在巷道修復(fù)完成后，打設(shè)頂、幫注漿錨索、錨桿。底板注漿錨桿在底板成型后先澆筑止?jié){層厚150 mm，待凝固后按支護(hù)設(shè)計施工。按照底板、兩幫、頂板的順序?qū)ψ{錨桿、錨索進(jìn)行注漿，最后對不合格的鉆孔進(jìn)行復(fù)注[5]。

注漿材料：注漿主要以水泥漿（P.O52.5）、新型無機添加劑材料為主，水泥漿按水泥:添加劑:水=1:0.1:0.22～0.33 的水灰比配制。

3.3 施工注意事項

（1）在進(jìn)行高強高預(yù)緊力抗剪切錨桿施工時，應(yīng)注意錨桿正確組裝順序。

（2）待巷道錨網(wǎng)索施工結(jié)束后，應(yīng)及時進(jìn)行注漿加固。

（3）復(fù)注時可根據(jù)現(xiàn)場注漿量和注漿壓力情況，來確定或調(diào)整復(fù)注鉆孔深度。

注漿錨桿錨索布置斷面圖及曲面圖如圖3。

圖3 注漿錨桿錨索布置斷面圖及曲面展開圖（mm）

4 錨注加固效果分析

為觀察注漿完成后巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平?，采用十字交叉法對巷道進(jìn)行觀測，注漿段每20 m布置一組測點[6]。注漿完成后7 d 內(nèi)每天觀測一次，7 d 后每周觀測一次，并與未注漿段礦壓觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。未注漿段60 d 內(nèi)頂?shù)装遄畲笠平?6 mm，幫部最大移近量22 mm；注漿段60 d 內(nèi)頂?shù)装遄畲笠平? mm，幫部最大移近量7 mm。錨注加固使巷道圍巖的整體性和強度得到提高，巷道表面位移有了較大程度的減小，保證了巷道的持久穩(wěn)定性。如圖4。

圖4 錨注加固效果對比圖

5 結(jié)論

（1）通過對高強錨桿桿體材質(zhì)、錨桿結(jié)構(gòu)及配件之間的匹配關(guān)系的改進(jìn)，有效增強錨桿支護(hù)系統(tǒng)的抗剪切能力。

（2）新型無機注漿材料滲透性好、膠結(jié)強度高、析水量小，在泥質(zhì)圍巖巷道裂隙充填的適用性較強。

（3）采用“新型注漿添加劑材料+綜合錨注支護(hù)技術(shù)體系”作為巷道永久支護(hù)方案，能夠解決陳蠻莊煤礦高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)難題，降低該類條件下巷道的返修率和維護(hù)成本。