組合錨注支護技術在趙固一礦深部大斷面巷道中的應用

張高杰

（河南國龍礦業建設有限公司，河南 鄭州 450053）

0 引言

因開采需要，煤礦井下巷道掘進過程中經常需要施工大斷面巷道，受井下復雜地質條件、埋深、圍巖應力等因素影響，深部大斷面巷道施工中經常會出現應力集中、礦壓顯現劇烈、巷道頂板下沉、底鼓、巷幫位移量大、支護維護難度大等問題[1-4]，若不進行及時加固處理，容易造成頂板大面積垮落等事故，給煤礦安全生產帶來極大威脅。以焦煤集團趙固一礦新進風井井底車場施工為例，提出注漿組合錨網索聯合支護技術，以提高巷道支護強度，減少巷道圍巖破壞變形，確保安全生產。

1 工程概況

趙固一礦新進風井井底車場設計長度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。新進風井井底車場層位為砂質泥巖，埋深-780～-820 m，在施工過程中穿層掘進，層位自上而下為：砂質泥巖、L1石灰巖、砂質泥巖、L2石灰巖。由于巷道埋深較深，巖石應力較大且分布復雜，導致巷道頂板及兩幫出現大面積漿皮脫落等巷道變形現象，影響巷道有效支護斷面，并影響巷道的行人和運輸安全，為保證巷道有效設計斷面及保證行人和運輸安全、減小巷道變形量，提高圍巖的整體強度和自身的承載能力，在巷道施工時，設計采用注漿錨桿與注漿組合錨索相結合的方法提高支護效果。

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力作用也隨之不斷增大，巷道圍巖逐漸進入失穩狀態，當圍巖應力作用大于傳統支護強度時，就會導致巷道出現頂板離層、變形破壞、下沉，底板鼓起、巷道原支護體系失效等問題[5]。造成巷道圍巖變形破壞的主要原因有2個方面：

1）高應力作用。高應力作用是造成巷道深部圍巖出現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，而在深部區域，其出現的破壞變形程度和范圍明顯增大。在巷道掘進施工期間，高應力對巷道的影響作用除受原巖應力的作用，而且還要受到掘進采動影響造成的二次應力疊加。

2）支護方式。科學合理的支護方式對巷道長期保持穩定性起著較大影響作用。對巷道圍巖發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，傳統的錨桿索支護方式中錨桿索不能夠錨固到深部穩定巖層中去，從而不能阻止巷道圍巖破壞變形從淺部向深部巖層延伸，支護能力將達不到要求。為降低巷道淺部圍巖破壞變形向深部圍巖延伸的程度，選擇合理的支護方式使支護體與圍巖形成共同體，達到共同支護巖層的目的，才能有效降低巷道圍巖變形量。

3 支護方案設計

3.1 支護方案選擇

井下巷道在剛掘進后圍巖應力出現重新分布狀況，此時主要以護表和讓壓為主，讓巷道圍巖充分卸壓變形，采用高強度注漿錨桿進行端錨支護。當圍巖應力變化調整基本穩定以后，主要以支護和控制巷道變形破壞為主，采用中空注漿錨桿進行全長錨固，同時對巷道的淺部區域的巖層采取注漿加固措施。因為埋深較深的巷道地應力大，巷道圍巖松軟易變形，其產生的破壞變形范圍將會超出錨桿的終端錨桿范圍，因此，還需利用高強度注漿錨索對深部圍巖進行支護加固，確保巷道圍巖的長期穩定。

根據礦井原類似條件下已施工巷道圍巖破壞變形情況、巷道原支護方式及現巷道實際揭露的巖層情況，并結合大量巷道支護實踐經驗，最終確定巷道支護方式為注漿錨桿+注漿組合錨索進行聯合支護，以此適應圍巖變形，保持巷道長久支護穩定。

3.2 高強度錨網索注漿支護機理

高強度錨網索注漿支護主要是利用高強度注漿錨桿、錨索和注漿材料對巷道圍巖進行聯合支護，其實質是把錨網索支護技術與巷道注漿加固技術進行有效結合，同時把中空錨桿錨索用作注漿管，對巖層注漿后，在理想情況下，漿液會在巖層擴散區域內進行均勻擴散，使錨桿錨索與圍巖共同組成一個支護圈，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定狀態，在巖層注漿后提高圍巖的整體性和完整性，增強其自身強度和自承能力[5-6]，從而確保巷道的長久支護穩定。

3.3 巷道注漿組合錨桿錨索支護參數設計

1）注漿錨桿。采用深孔和淺孔向結合的注漿錨桿對巷道進行注漿加固，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行交錯布置，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。錨索設計間排距為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。選用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，選用模數為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現場情況和注漿效果進行適當調整；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際消耗為準；注漿時間主要與注漿的漿液量多少和注漿終端壓力大小有關。為了防止注漿時漿液出現跑漏現象，根據現場條件，要合理控制注漿時間和注漿壓力，保證勻速穩壓注漿。通常情況下單孔注漿時間一般控制在15～30 min左右。

4 注漿施工工藝

4.1 注漿設備選擇

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

2）造孔設備：注漿錨桿造孔使用YT-28型風動鑿巖機，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，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：按照設計位置均勻進行布孔。

2）造孔：按照布孔位置進行造孔，因壁后有錨桿、鋼芭網，造孔時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：根據注漿孔的深、淺安裝已準備好的注漿錨桿，安裝后用水泥將孔口周邊空隙封堵密實。

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行連接。

5）壓力實驗：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象。如巷壁出現漏水現象，要在注漿前對漏水地點進行充填封堵處理。

6）注漿：注漿由下而上，根據壓力實驗情況進行漿液配比，觀察進漿情況，根據進漿量大小和進漿速度相應進行調整漿液流量和濃度，當注漿壓力達到設計要求時，即可停止注漿。

4.3 組合錨索注漿施工工藝

1）布孔：按照設計間排距均勻進行布孔。

2）造孔：按照布孔位置使用液壓鉆機進行造孔，如出現廢孔用水泥錨固劑糊好磨平。

3）注漿組合錨索采用3根支撐架進行固定，每間隔2 m設置1個支撐架。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向帽，為便于錨索穿入孔內，將鋼管端頭加工成錐形。使用2個手動葫蘆將組合好的注漿組合錨索緩慢送入孔內。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）壓力實驗：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象。如有漏水現象，在注漿前進行處理。

7）注漿：先對注漿組合錨索距孔口2 m范圍內進行注漿封堵，等孔口漿液凝固后（1～2 d）再進行加固注漿，根據壓力實驗情況進行漿液配比，觀察進漿情況隨時調整流量、漿液濃度，達到設計注漿壓力和加固的效果，即可停止注漿。

5 應用效果分析

為檢驗注漿組合錨桿錨索支護效果，采用“十”字布點法分別在原普通支護巷道段和采用注漿組合錨桿錨索支護巷道段各設置了3個巷道圍巖位移觀測站，每個站點間距50 m。安排專門技術人員每間隔3～5 d對各觀測站處的巷道頂底板移近量和兩幫位移量進行觀測讀取記錄，并對所有數據進行收集整理，繪制出變化曲線圖進行對比分析。經過整理，選取其中最具代表性的一組數據繪制曲線圖如圖3所示。

圖3 巷道表面位移變化曲線圖

根據圖3a分析可知，采用普通支護方式的巷道在觀測期間頂板最大下沉量達到了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定。根據圖3b分析可知，巷道底鼓變形量較大，采用普通支護的巷道在觀測期間內最大底鼓變形量達500 mm，且變形量處于持續增長趨勢；采用注漿組合錨桿索支護的巷道在觀測期間最大底鼓變形量約為150 mm，比普通支護變形量減小70%，且增長趨勢逐漸變緩。由圖3c分析可知，采用普通支護的巷道在觀測期間內巷道兩幫最大移近變形量達到了300 mm，且變形量處于持續增長趨勢；采用注漿組合錨桿索支護的巷道在觀測期間巷道兩幫最大移近變形量約為80 mm，比普通支護變形量減小了約73%，且增長趨勢逐漸變緩至最后處于穩定階段。通過以上對比分析可知：巷道在采用注漿組合錨索支護方案以后，巷道圍巖支護強度得到極大提高，巷道頂底板及兩幫變形量明顯減小，圍巖破壞變形情況得到有效控制。

6 結論

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力作用和巷道選取的支護方式有關。

2）設計深部大斷面巷道注漿組合錨桿錨索聯合支護技術方案，該方案是在原普通錨桿錨索支護的基礎上，利用中空錨桿錨索進行注漿，使錨桿錨索在巖層中均形成了全長錨固支護，同時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、穩定性及自承能力得到了極大提高，同時提升巷道支護強度，確保了巷道能夠保持長久穩定支護。

3）通過現場應用觀測結果表明，與原普通支護方式相比，采用注漿組合錨桿錨索對深部巷道圍巖進行聯合支護技術，巷道圍巖頂底板移近量和兩幫變形量減小了50%～70%，巷道破壞變形情況得到有效控制。