高應力軟巖巷道錨注加固技術研究與應用

桑偉沖 喬西如

（山東能源集團魯西礦業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、地應力高、圍巖松軟破碎，日常維護工作量較大，采用普通錨網索噴支護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。

巷道圍巖以碳質泥巖、粉砂巖、細砂巖互層為主，其中碳質泥巖與煤接觸面為滑面，破碎易風化；粉砂巖質硬但滑面明顯，局部破碎且垂直裂隙較為發育；細砂巖灰色細沙粒狀結構，互層狀分布。其巷道圍巖存在以下特點：

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

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

（3）巷道直接底為遇水易膨脹的碳質泥巖、粉砂巖，強度低，易于發生底鼓現象。

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

2 巷道破壞機理分析

西翼膠帶大巷巷道發生變形失穩是由多種因素造成的，主要包括復雜高應力環境、圍巖弱面結構、原支護方式效率低以及返修方案不合理等。

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

圖1 大傾角作用下圍巖呈現非對稱變形模擬圖

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

（3）圍巖結構整體性差的固有特征進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重，同時巷道圍巖層理發育，多為滑面接觸，內生節理裂隙發育，巖層多為泥質膠結，遇水易膨脹，圍巖整體性較差，在高應力作用下易發生整體變形[4]。巷道頂板為“復合軟弱頂板”，在高應力作用下巖層面發生易離層以及層面滑移現象，如圖2。

圖2 “復合軟巖頂板”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、與泥質巖的膠結性能差、析水率高、凝結時間不易控制等缺點，對膨脹性巖層有很大的負面影響，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雜高應力環境要求。

3 深井高應力軟巖巷道圍巖控制方案

通過西翼膠帶大巷持續性變形原因分析可以發現，采用傳統的錨網索噴支護對于深部永久性巷道的返修方案是不科學的，應該把巷道圍巖看作相互作用的有機統一體。為解決以上問題，從改善圍巖結構整體性、強化支護體系作用入手，采用“全斷面高強抗剪錨網索+新型無機材料注漿加固”方式對巷道進行修復。即先施工高強高預緊力錨桿進行全斷面支護，再進行新型無機注漿材料高壓注漿加固，以實現所修復巷道的長期穩定性。

（1）針對在高應力巷道中易出現錨桿剪斷的現象，從桿體材質和錨桿結構兩方面入手，來提高錨桿的抗剪切能力。在錨桿托盤下方增加抗剪切構件，一方面防止表面圍巖錯動引發錨桿發生“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錨桿剪切破壞的幾率。

（2）針對傳統水泥漿液注漿擴散范圍小、與泥質巖的膠結性差、析水率高、對高泥質巖（尤其是膨脹性巖層）負面影響大的特點，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對比表

深井高應力巷道返修方案：將巷道刷至設計斷面→頂板和兩幫錨網索支護→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完成后，施工注漿錨索、注漿錨桿，進行注漿加固。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。

注漿錨索規格為Ф22 mm×6300 mm，每根注漿錨索使用2 塊MSM2350 型錨固劑錨固，預緊力不低于150 kN，錨固力不低于450 kN。注漿錨桿規格為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

在巷道修復完成后，打設頂、幫注漿錨索、錨桿。底板注漿錨桿在底板成型后先澆筑止漿層厚150 mm，待凝固后按支護設計施工。按照底板、兩幫、頂板的順序對注漿錨桿、錨索進行注漿，最后對不合格的鉆孔進行復注[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）在進行高強高預緊力抗剪切錨桿施工時，應注意錨桿正確組裝順序。

（2）待巷道錨網索施工結束后，應及時進行注漿加固。

（3）復注時可根據現場注漿量和注漿壓力情況，來確定或調整復注鉆孔深度。

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底板及兩幫移近量，采用十字交叉法對巷道進行觀測，注漿段每20 m布置一組測點[6]。注漿完成后7 d 內每天觀測一次，7 d 后每周觀測一次，并與未注漿段礦壓觀測數據進行對比分析。未注漿段60 d 內頂底板最大移近量16 mm，幫部最大移近量22 mm；注漿段60 d 內頂底板最大移近量9 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定性。如圖4。

圖4 錨注加固效果對比圖

5 結論

（1）通過對高強錨桿桿體材質、錨桿結構及配件之間的匹配關系的改進，有效增強錨桿支護系統的抗剪切能力。

（2）新型無機注漿材料滲透性好、膠結強度高、析水量小，在泥質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+綜合錨注支護技術體系”作為巷道永久支護方案，能夠解決陳蠻莊煤礦高應力軟巖巷道支護難題，降低該類條件下巷道的返修率和維護成本。