高預(yù)應(yīng)力錨索+注漿技術(shù)應(yīng)用研究

張海志

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十一礦，河南 平頂山 467000)

0 引言

我國煤礦開采深度以每年8～12 m的速度增加，東部礦井則以每年10～25 m速度增加，深部開采已成為采礦業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢。隨著開采深度的增加，帶來了一系列工程災(zāi)害和技術(shù)難題，大采深復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的軟巖巷道和復(fù)合頂板支護(hù)穩(wěn)定性問題日益嚴(yán)重，已成為制約礦井開采向深部發(fā)展的重大瓶頸問題。國內(nèi)對深部復(fù)雜巖層巷道支護(hù)技術(shù)研究主要理論有巖性轉(zhuǎn)化理論、軸變論理論、聯(lián)合支護(hù)理論、松動圈理論、主要承載區(qū)理論、應(yīng)力控制理論、軟巖工程力學(xué)支護(hù)理論等。依據(jù)圍巖松動圈范圍及巷道開挖后圍巖變形量，將巷道圍巖分為Ⅰ非常穩(wěn)定、Ⅱ穩(wěn)定、Ⅲ中等穩(wěn)定、Ⅳ不穩(wěn)定、Ⅴ極不穩(wěn)定五類。巷道掘進(jìn)過程中留頂煤、層理、節(jié)理較發(fā)育的復(fù)合頂板、巖體松軟的Ⅳ、Ⅴ類圍巖穩(wěn)定性控制問題，已成為急需解決的問題。

1 戊9-10-22080風(fēng)巷概況

平煤股份十一礦戊9-10-22080風(fēng)巷位于二水平戊二采區(qū)西翼，該巷道位于二水平戊二采區(qū)軌道下山四區(qū)段。該工作面南北均為原生煤體，東起戊二皮帶下山，西止56勘探線以西260.0 m。設(shè)計走向長度1 880 m，巷道掘進(jìn)沿著戊9-10煤層頂板施工，采用梯形錨網(wǎng)支護(hù)，斷面5 200 mm×2 600 mm(寬×高)。

2 上覆圍巖鉆探及巷道失穩(wěn)原因

2.1 上覆圍巖鉆探

戊9-10-22080風(fēng)巷0-1 600 m施工中上覆巖層穩(wěn)定，巷道支護(hù)效果較好。施工至1 600 m附近圍巖發(fā)生較大變化，單一的錨網(wǎng)支護(hù)已不能滿足安全生產(chǎn)需要，現(xiàn)場布置頂板離層儀觀測前7 d離層量在300 mm左右，10～20 d局部最大離層量達(dá)到800 mm，巷道基本處于失穩(wěn)狀態(tài)，現(xiàn)場采用鉆探的方法探測了上覆巖層賦存情況，探測直接頂板為1.4 m左右泥巖，灰色，含植物化石，10 m范圍內(nèi)存在2～4層厚0.10～1.0 m的薄煤層和泥巖互層。

2.2 巷道支護(hù)失穩(wěn)原因

2.2.1 巖石強(qiáng)度低

上覆圍巖為泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤巖互層，單相抗壓強(qiáng)度都較低，由于巖石強(qiáng)度低表現(xiàn)在圍巖松散、軟弱，在中等或稍高應(yīng)力水平狀態(tài)下就能產(chǎn)生較大的圍巖變形，支護(hù)困難。

2.2.2 巖石吸水膨脹

泥巖炭質(zhì)泥巖親水后產(chǎn)生大量的體積膨脹，也是圍巖變形失穩(wěn)的原因。

2.2.3 圍巖應(yīng)力水平高

圍巖應(yīng)力水平表現(xiàn)在3個方面：巷道埋深大；構(gòu)造應(yīng)力大；集中應(yīng)力作用。

3 單一錨網(wǎng)支護(hù)效果及選用的新支護(hù)方案

3.1 單一錨網(wǎng)支護(hù)效果不理想

錨桿端部錨固在松軟煤層中，可錨性差及持續(xù)不斷的變形破壞導(dǎo)致部分錨固力減弱，松動圈擴(kuò)大巖體整體發(fā)生位移；由于單體錨桿預(yù)應(yīng)力不均衡，圍巖發(fā)生位移造成錨桿受拉力、剪切作用遭到破壞。綜合分析認(rèn)為提高支護(hù)效果應(yīng)從以下2個方面入手。

1)采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧┮蕴岣邍鷰r強(qiáng)度，既可增加破碎圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)的安全性及可持續(xù)時間，還可擴(kuò)大松動性穩(wěn)定狀態(tài)支護(hù)方式的使用范圍，即通過提高破碎圍巖的強(qiáng)度，使松動性穩(wěn)定狀態(tài)支護(hù)方式適用于原本不具備條件的巷道圍巖控制。通過錨桿、錨網(wǎng)、W鋼帶、注漿相結(jié)合的方式使破碎頂板形成具有一定承載能力的整體錨固體，從而利用錨固體的抗壓和抗剪切能力控制圍巖的變形，有效實(shí)現(xiàn)高地應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到理想的支護(hù)效果。

2)進(jìn)一步增加預(yù)緊力。選取合理長度、強(qiáng)度的高預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)一步將穩(wěn)固的錨固體加壓懸吊于深部穩(wěn)定巖層結(jié)構(gòu)之中。通過高預(yù)應(yīng)力錨索與原W鋼帶等高強(qiáng)度護(hù)表材料配合使用，增加預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果，提高支護(hù)質(zhì)量。

3.2 確定支護(hù)方案

初次錨網(wǎng)索支護(hù)+滯后注漿加固圍巖+施工高預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)一步強(qiáng)化圍巖錨固體。

4 注漿加固技術(shù)

4.1 注漿材料選取

針對深井Ⅳ類圍巖巖體松散破碎的特點(diǎn)，主要是漿液滲透擴(kuò)散充填加固破碎煤巖裂隙，重構(gòu)圍巖整體性能。因此，要保證注漿材料借助注漿泵壓力均勻充填煤巖裂隙，且避免注漿期間圍巖巖體出現(xiàn)大面積漏漿、跑漿現(xiàn)象。綜合考慮選擇化學(xué)漿液固安特作為注漿材料。

固安特是由2種成分組成的高分子聚亞胺膠脂產(chǎn)品，混合后2種材料組合反應(yīng)發(fā)泡，生成多元網(wǎng)狀密彈性體，注入煤體后，低黏度混合物保持液體狀態(tài)，在高壓推力作用下滲透到細(xì)小的裂縫中膨脹膠結(jié)，從而有效加固和密封處理區(qū)域。固安特發(fā)生反應(yīng)非常的迅速，對溫度的要求也不高，但是形成的固結(jié)體強(qiáng)度高，抗壓能力強(qiáng)，不會縮型變壓，固結(jié)體結(jié)構(gòu)密實(shí)。

4.2 注漿施工流程

首先是準(zhǔn)備相關(guān)材料及儀器并讓其下井，包括準(zhǔn)備施工現(xiàn)場、施工儀器、風(fēng)源、水和清洗劑、高壓管、風(fēng)動泵、檢查槍等；其次是連接好相關(guān)儀器，并打孔；最后是進(jìn)行封孔與注漿，用油和水清洗多功能泵和槍，完成施工后要關(guān)閉風(fēng)源并清理現(xiàn)場。

5 高預(yù)應(yīng)力錨索選型及支護(hù)設(shè)計

5.1 錨索型號的選擇

錨索可以將錨桿支護(hù)形成的圍巖次生承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，提高掘巷擾動后重新形成的圍巖承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，錨索可以比錨桿施加更大的預(yù)緊力，提供壓應(yīng)力有效值更大，有效范圍更大，與錨桿形成的壓應(yīng)力有效區(qū)一起，形成統(tǒng)一的整體支護(hù)體，共同保持圍巖及結(jié)構(gòu)的完整性，減小圍巖強(qiáng)度降低。結(jié)合戊9-10-22080風(fēng)巷1 600 m處實(shí)際鉆探頂板柱狀圖，錨索選擇Φ28.6 mm的1×19鋼絞線加工而成，長度9 m，預(yù)緊力450 kN。

5.2 錨索布置形式

錨索排距1 600 mm，間距1 600 mm ，每排布置4根錨索，錨索初始預(yù)緊力不低于450 kN。

6 支護(hù)效果檢驗(yàn)

6.1 注漿效果檢驗(yàn)

選擇檢測方法應(yīng)綜合考慮其適用條件、檢測結(jié)果的可靠性、檢測結(jié)論的科學(xué)性，并盡可能量化檢測指標(biāo)。同時考慮檢測周期、檢測費(fèi)用等因素。根據(jù)平煤股份十一礦戊9-10-22080風(fēng)巷注漿的具體情況，考慮到施工可能存在的主要工程問題，注漿效果檢測主要包括注漿材料與煤巖體凝結(jié)密實(shí)性、膠結(jié)的連續(xù)性。檢測方法包括：鉆孔取芯檢測和窺視鏡探測。

6.2 聯(lián)合支護(hù)效果監(jiān)測

6.2.1 觀測內(nèi)容

觀測巷道采用錨網(wǎng)+注漿+高預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合支護(hù)前后的圍巖變化情況，包括巷道頂板離層量、頂?shù)装逡平?、兩幫收縮量，底鼓量，通過對比判斷聯(lián)合支護(hù)效果。

6.2.2 測點(diǎn)布置方案

巷道每50 m布置一組測點(diǎn)，初次錨網(wǎng)支護(hù)后布置一個測點(diǎn)，聯(lián)合支護(hù)后每個測點(diǎn)重新布置1個頂板離層儀，觀測頂板位移狀況。

6.2.3 測量頻度

測站設(shè)置1周內(nèi)測量為1次/d，1周后每周觀測記錄2次至變形穩(wěn)定。

6.2.4 測量結(jié)果分析

通過設(shè)置十字位移和安裝頂板離層儀對單一支護(hù)和聯(lián)合支護(hù)效果進(jìn)行對比。單一梯形錨網(wǎng)支護(hù)方式前7 d變形量高達(dá)300 mm，支護(hù)效果差，難以滿足安全生產(chǎn)需求。采用高預(yù)應(yīng)力錨索和注漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后重新布點(diǎn)進(jìn)行觀測，49 d內(nèi)頂板最大下沉量僅在0～20 mm范圍內(nèi)且基本趨于穩(wěn)定，巷道收斂變形得到較好的控制，支護(hù)效果理想，有效地解決了高應(yīng)力區(qū)破碎松軟巖層巷道支護(hù)的難題，為高應(yīng)力破碎松軟巖層大斷面巷道的支護(hù)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。