中空注漿錨索在戛達煤礦回風巷支護中的應用

郭豫寧

（湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭411201）

我國礦產資源極其豐富，井巷的建設規模和復雜程度在世界上都位列前茅。但隨著我國淺部煤炭資源的消耗殆盡，礦產資源的開采逐漸向深部發展，開采條件和環境變得更加復雜，巷道圍巖的變形變得尤為嚴重，對礦井安全生產造成了極大的影響，那么巷道圍巖的有效支護便是礦井安全生產的重中之重。解決這個問題的關鍵在于巷道圍巖變形破壞的機理，對癥下藥提出行之有效的支護方法[1-2]。

專家學者為了了解深部巷道變形的機理和巷道圍巖穩定性控制做了大量的研究[3-5]。王衛軍教授等[6]基于團隊的現有研究成果，總結發現了支護阻力對深部高應力巷道圍巖變形的影響程度，提出了在巷道掘進時需要預留一定的變形空間以容納圍巖部分“給定變形”的控制方法，這一劃時代的發現為今后深部高應力巷道圍巖穩定性的控制提供了有力的支撐。左建平教授等[7]建立了圓形與矩形巷道的圍巖受力模型，通過分析得出了其所具備的受力特征及應力分布規律。在此基礎之上，左建平教授還構建了巷道圍巖梯度破壞機理及矩形巷道等強梁支護的破壞模型，提出了深部巷道等強支護控制理論力學概念模型。馬念杰教授[8]分析了雙向非等壓條件下巷道圍巖塑性區形成的力學機制及其形態特征，發現深部采動巷道圍巖雙向壓力比值λ（0<λ<1）較小時，圍巖塑性區形態不再表現為圓形和類橢圓形，而是呈現出蝶形分布的特征。基于這一發現，馬念杰教授提出了可接長錨桿的支護技術，這一支護技術通過縮小蝶形塑性區“蝶葉”的方式，進而達到控制巷道圍巖變形的目的。袁超[9]系統的研究了深部巷道圍巖變形破壞力學機理，以塑性區時空演化規律與幾何分布形態為出發點分析了其對巷道圍巖穩定性的影響，提出了深部高應力巷道圍巖穩定性控制方案及其支護原理。余偉健教授等[10]對深井巷道復合頂板進行了力學分析，研究頂板下沉對巷道圍巖穩定性的影響，并基于此提出了以“預應力桁架錨索”為主體的支護方法。

本文以戛達煤礦回風巷為工程實例，以理論分析結合數值模擬的方法，探尋中空注漿錨索在巷道圍巖支護中的支護效果，最后通過與數值模擬的分析結果結合現場調研的檢驗分析以“中空注漿錨索”為主體的支護方案所具備的優越性以及所選施工方案的可行性。

1 工程概況

1.1 工程背景

云南灣田集團戛達煤業總回風井原設計斷面為3.7*3.8m（高*寬），巷道所處地質力學環境復雜，巷道巖層抗壓強度低，圍巖整體性差，承載力低，圍巖壓力大，礦壓顯現劇烈，加上風井長期風蝕、水浸等原因，造成該巷出現片幫、開裂、噴體下落、底鼓等現象，總回風巷的斷面變小，嚴重影響礦井回風。之后為確保礦井回風系統穩定，礦方采用錨網索等支護對巷道進行了擴修，但巷道變形量依舊較大，仍不能滿足礦井的安全生產需求。

1.2 巷道圍巖礦物成份分析

通過X射線衍射儀對戛達煤礦巷道圍巖所收集的巖樣進行了分析，分析結果見表1。從成分測試結果可以看出，巷道圍巖的礦物成分主要為石英、綠泥石、菱鐵礦及云母等。其中18.57%綠泥石片巖是一種特殊的軟巖，通常情況下強度比常見的軟巖高，但是遇水會強度降低，在水環境下出現大變形現象，加劇巷道圍巖的變形破壞；12.65%菱鐵礦在空氣中容易風化或水解，改變原有的性質。云母的含量為5.02%，其具有層狀結構、呈片狀晶體，在風化作用或外部壓力作用下可破碎成極細的鱗片、碎屑。因此，巷道圍巖的礦物成分種類及其相對含量均會對圍巖的變形、整體性及穩定性造成較大的影響，應注意防水和加強支護。

表1 礦物成分含量

2 中空注漿錨索支護技術

2.1 技術機理

在巷道開挖后，隨著巷道圍巖卸荷程度的減弱，巷道圍巖變形主要是巷道圍巖離層、滑動、裂隙張開等碎脹變形量，中空注漿錨索支護技術是通過將錨索進行組合，通過鉆機將其打入鉆孔，通過注漿使少部分漿液經由注漿錨索的孔進入周圍圍巖的裂隙中，大部分漿液注入到更深部的圍巖裂隙。等到注漿段漿液凝固后，對錨索施加預應力，外錨固段用托盤等鎖具鎖緊。應力以點載荷形式轉化為面載荷均勻分布在更為廣闊的支護物結構面上，使被支護體受到更為均勻的擠壓。在預應力作用下，圍巖改善了應力狀態，提高了抗變形破壞的能力[11]。

和普通錨桿支護相比，采用高強中空注漿錨索進行圍巖體強度強化及變形控制，會使巷道圍巖裂隙完全充滿漿液（注漿壓力適當增大，2~3MPa），深部圍巖膠結成一整體，能增強圍巖自穩能力。中空注漿錨索支護設計見圖1。

圖1 中空注漿錨索支護設計圖

2.2 錨索布置參數

中空注漿錨索每組由9根Φ22×7000mm（長度）的鋼絞線組合而成（見圖2），注漿錨索間排距按1200×1600mm分布，錨桿錨索間隔布置。中空注漿錨索允許外露長度不超過0.5m，中空注漿錨索盤采用厚度為20mm槽鋼與16mm鋼板焊接加工而成，20mm槽鋼長度0.5m，16mm鋼板長度0.4mm。

圖2 中空注漿托盤及鎖具

2.3 注漿材料選擇

戛達礦區巷道圍巖含有綠泥石等親水性礦物，在水環境下強度下降嚴重，體積膨脹迅速，但若采取水泥漿液為注漿材料則又不利于巷道圍巖強度的增加，綜合材料的力學性能、經濟因素、注漿效果、現場實際情況等因素，高水速凝材料是最好的選擇[12-13]。BX-1型高水速凝材料是近年研制出的一種新型注漿材料，主要特點是它可以速凝，水灰比調節范圍大，漿液流動性好，滲透性強，材料本身固結后塑性好，能適應圍巖變形、高水條件下具有微膨脹性，成本較低。因此，決定選用BX-1型高水速凝材料作為巷道加固注漿材料。

2.4 注漿加固參數

注漿加固參數如表2所示。

表2 主要注漿加固參數表

2.5 注漿系統

BX-1型高水材料出廠后分為甲料、乙料、加甲料及加乙料四部分，制漿時加甲料與甲料混合形成甲料漿，加乙料與乙料混合形成乙料漿，需要甲料漿和乙料漿分別加水攪拌輸送，要求必須等量進漿、混合均勻，在注漿處混合，甲、乙料漿單獨攪拌、輸送均不凝固，混合后能快速凝固，其強度才能達到最大。因此，要求注漿泵應能夠保證同時進漿，甲、乙料漿等量，從根本上保證注漿的質量。

攪拌桶分別攪拌甲料漿、乙料漿，雙液注漿泵分別對兩種漿液加壓，雙趟高壓管路輸送漿液，通過混合器混合后注入需加固巷道。

3 數值模擬分析

戛達回風井含有遇水易膨脹的綠泥石，屬于典型的軟巖巷道，圍巖結構松散、塑性區范圍大，抗變形能力差，受開采擾動與構造應力疊加形成復雜的力學環境，巷道圍巖極易產生大變形。為了驗證中空注漿錨索支護技術的合理性與科學性，采用數值模擬對支護方案與未支護情況下的巷道圍巖變形破壞情況進行了對比分析。

采用FLAC3D數值模擬軟件對總回風井變形破壞機理的進行分析。所建立的三維模型的尺寸為：高×長×厚=50m×50m×20m。具體模型見圖3所示，生成的網格共劃分為38975個單元，37875個節點。模型的邊界條件為:下邊界：位移為零；左、右、前、后邊界：水平構造應力；上邊界：自由邊界（地表）。

圖3 巷道三維數值模型

在本次分析中，根據地應力測試結果結合埋深確定模型垂直應力取為9.3Mpa，水平應力取為21.2Mpa，準則破壞采用摩爾-庫侖（Mohr-Coulomb）。

未支護條件下的巷道圍巖位移云圖如圖4所示，支護條件下的巷道圍巖位移云圖如圖5所示。未進行中空注漿錨索支護時，巷道頂板、底板變形嚴重，頂板區域的下沉高達0.4m，底板的底鼓量達0.3m。而采取了中空注漿錨索的支護方案后，巷道圍巖位移云圖得到了明顯改善，巷道頂板下沉量僅為0.01m左右，底板的底鼓量僅為0.02m，和未支護前相比大大減少，說明中空注漿錨索的支護方案可以有效控制巷道圍巖的變形。

圖4 未支護條件下的巷道圍巖位移云圖

圖5 支護條件下的巷道圍巖位移云圖

4 結論

（1）通過對礦物成分分析，發現巷道圍巖的礦物成分主要為石英、綠泥石、菱鐵礦及云母等。其中18.57%綠泥石片巖是一種特殊的軟巖，在水環境下會發生大變形的現象，據此選擇BX-1型高水速凝材料作為巷道加固注漿材料。

（2）根據巷道圍巖特性，選擇了“中空注漿錨索”為主體的支護方案，設計施工流程。

（3）通過數值模擬對比分析了巷道支護前后位移量變化，發現巷道頂板下沉量、底板底鼓量大大減少，說明此方案可有效控制巷道圍巖的變形，增加巷道圍巖的穩定性。