大采深巷道硐室锚注联合加固技术资料

1、大采深巷道硐室锚注联合加固技术研究及应用（山西新元煤炭有限责任公司 郭小勤 04500）摘 要：为解决巷道埋藏较深，受地压及强烈动压影响变形大，补强加固技术的难题，基于保安煤矿15#煤一采区变电所巷道硐室在距地表垂深+650+820 m,及+315轨道大巷等邻近巷道的开掘影响下，采用了深埋矿压理论分析与现场实践的方法分析了其破坏特点、变形破坏机理及影响因素，提出了一种对大断面大埋深及动压巷道的新型加固方案。研究了其技术原理、设计方案、技术参数、工艺配方、注浆效果。结果表明：一采区变电所在未采取措施四个月内严重变形，顶板下沉量超过150mm，两帮移近量大于400mm，底臌量局部达到500mm，采

2、取加固措施后半年内顶板下沉量35mm，两帮移近量60mm，底臌量不到40mm，控制了围岩变形，有效地改善了巷道周围围岩力学性质和力学状态。关键词：巷道硐室 埋藏较深 动压影响 新型加固技术目 录前 言- 1 -一、工程背景- 1 -二、巷道硐室围岩破坏原因- 2 -三、锚注联合加固方案的技术可行性- 2 -四、巷道硐室的加固方案- 3 -（一）对顶帮变形严重段采用化学浆充填- 3 -（二） 顶帮壁后水泥注浆加固- 4 -（三）顶帮预应力全长化学注浆锚索- 5 -（四）底板锚注联合加固施工- 6 -五、锚注效果检测- 7 -六、结 语- 7 -参考文献：- 9 -前 言阳泉市保安煤矿开采的15#

3、煤层位于新山沟及其南北侧山梁山坡地带，地面标高+950m+1080m,工作面标高+250m+352m，距地表垂深650820 m,煤层厚度3.804.38m有时含矸3层，直接顶板为K2石灰岩，底板为泥岩和细砂岩。在生产过程中，巷道硐室受到埋藏深及经常遇到相邻煤层、工作面、巷道采动的影响，巷道围岩在受采动、布置及地应力的影响下，塑性区扩大，造成巷道硐室在较短时间内严重变形，巷道维护相当困难。对于复杂困难的巷道加固，采用了锚注联合支护方式，取得了良好的效果。本文针对保安煤矿15#煤层一采区变电所受采动、布置及地应力的影响并且对其补强加固问题，分析了其围岩破坏原因和控制机理，介绍了巷道硐室的加固方案

4、，并进行了工程实践。一、工程背景保安煤矿15#煤层一采区变电所位于+315轨道大巷南侧内（如图1所示）。其中变电所硐室为砼浇注，AB段与采区变电所硐室交接处1.5m为砼浇注，其余为锚网喷支护。CD段在15#煤上部煤层中掘进施工，CD段在15#煤层上泥质砂岩中掘进施工。CD段巷道净宽3600mm，净高2800mm，墙高1000mm；AB段、BC段巷道净宽2400mm，净高2500mm，墙高1300mm；变电所硐室净宽4200 mm，净高3100mm，墙高1000mm。一采区变电所服务于五个回采工作面， 15103、15104、15105、15106回采工作面分别位于15103进风巷、15104进

5、风巷以西。而目前首采工作面15102正处于试运转阶段，其他四个工作面还未能正是投入到生产。受采动、布置及地应力的影响，一采区变电所部分巷道硐室严重变形，采区变电所顶板下沉量超过150mm，两帮移近量大于400mm，底臌量局部达到500mm，为了保证一采区变电所能安全有效服务于衔接的工作面。采用了补强锚索支护，但是效果并不明显。图2 主应力方向与巷道方向关系二、巷道硐室围岩破坏原因巷道掘进后，破坏了原岩的应力平衡状态，原岩地层中任一点应力处于平衡状态，巷道开挖后，由于褶曲、断层、火成岩侵入等地质作用，围岩应力重新分布，巷道周围应力不均等，造成巷道不同形式的破坏。应力方向分为垂直应力和水平应力，因

6、此主应力方向与巷道方向的关系影响其稳定性，在应力的作用下，围岩向巷道空间收敛变形，形成较大范围的围岩松动圈，如图2所示。（1）当巷道轴向与最大水平主应力方向平行时，受水平应力影响最小，对巷道的稳定最为有利。（2）当巷道轴向与最大水平主应力方向垂直时，受水平应力影响最大，对巷道的稳定最为不利。（3）最大水平主应力方向与斜交的巷道，巷道一侧出现应力集中而另一侧出现应力释放，因而巷道的变形破坏会偏向某一侧。（4）水平应力大于垂直应力，容易产生底臌，巷道不稳定。如此，巷道支护强度不能抵制外在应力时，巷道即产生变形破坏。目前，该巷道支护形式已根本无法控制其变形，不能有效抵抗深部围岩传递的压力，反而会引起

7、巷道进一步严重变形并产生更大范围的围岩松动圈。变电所巷道破坏主要由以下直接原因：巷道埋深大，上覆岩层产生的重力应力引起的地应力较大，对砼体施加较大的挤压力；巷道砼体为一种刚性被动支护方式，在施工过程中因壁后尤其顶帮充填不足，有较大的空间，顶帮岩面与砼体为点、线接触，地应力对砼体通过点、线接触产生集中作用，极易造成顶帮破坏；巷道底板为松散破碎、层位交错的泥质砂岩等，自身胶结性差，承载能力小，由于砼体支护构件小，地应力通过其传递到底板的压力大并集中，底板易产生底臌。三、锚注联合加固方案的技术可行性锚注联合加固支护技术是一种将现代注浆加固技术、柔性锚索加固技术与传统锚喷支护技术有机地结合在一起的新型

8、加固支护技术方式。它综合了锚索加固技术和注浆加固技术的所有优点，并在此基础上衍生出了许多新的特点，成为解决高应力工程软岩安全维护的有效手段，其显著优点如下：与传统锚喷支护技术中喷砼层的作用原理相比，浆液的注入能够明显改变岩石的物理力学性质；浆液充填到岩石块间的孔隙之中，使破碎岩石块重新胶结成一体，从而提高了岩体的整体强度和稳定性。在锚注联合加固支护体系中，由于浆液能够与岩体及锚杆全面接触，将杆体内、杆体与钻孔间隙、周围岩体的缝隙全部充填满，从而形成“网络”效应，如同自然界中树木的主根与须根的共同固结作用一样，使锚杆受力传递的可靠性和连续性得以充分保障。并通过浆液结石体“网络”将力传递到围岩之中

9、，全面调动了围岩的自身承载能力，同时使锚杆、锚索自身的加固性能得以充分发挥。注浆后，杆体与地下水、空气间的联系全部中断，彻底阻止了锈蚀反应，从而保证了锚杆的长期锚固能力，保证了支护体系的长期稳定性。在锚杆、锚索和浆液的共同作用下，注浆范围内的所有岩石被胶结加固成一个整体圆涵，保护着整个硐室（巷道）的自由空间。底板十几米深的高强组合锚注锚索与底板钢筋砼将底板流变软岩牢牢封闭起来并施加强大的作用力控制底臌的发生。长达数米的柔性锚索的加入，使锚注联合加固支护体系中的“加固拱”厚度大增，而“加固拱”厚度的增加，使地应力作用在支护构件体上的压强大大降低，从根本上为大断面巷道安全维护奠定了理论基础。四、巷

10、道硐室的加固方案 15#煤一采区变电所围岩锚注总体方案如下：对顶帮变形严重段采用化学浆充填；对巷道顶帮进行水泥壁后注浆加固；顶帮施工预应力全长化学注浆锚索加固；底板施工组合锚索锚注加固。（一）对顶帮变形严重段采用化学浆充填对顶帮变形严重段进行化学浆充填，注浆孔的布置应使相邻的两孔固结浆液的径向分布在一定程度上互相渗透，且化学浆的多余部分可充填结构体之间的裂隙，注浆孔间距参数选择的合理与否，直接决定二次支护的效果，孔的排列方式一般有按行排列及三角形排列两种，注浆孔间距则应该根据每个注浆孔的扩散半径及孔的排列方式而制定。注浆孔布置参数确定：1）按行排列：当采用按行排列方式时, 为满足要求, 至少应

11、使得A1 = 2A2 ( A1 为矩形ABCD 的面积, A2 为矩形ABCD 内各注浆孔的注浆扩散面积, 如图3a所示。图3 注浆孔的扩散面积 A2 = R2/2R 为每一注浆孔的扩散半径, 其大小与岩体的破碎程度、渗透系数、浆液的粘度、可注性和注浆压力等因素有关。根据实验配比, 常用的R 值为1. 5 2. 5m。设孔间距为d, 则A1 = 2Rd, 故有：2R d =R2 此时, d = 1.57R = 1. 57 ( 1. 5 2. 5 ) =2. 36 3. 93m。2）按三角形排列：若注浆孔按等边三角形布置（如图3b所示）则平行四边形ABCD 面积：A1 = ( 2R +d ) d

12、, 而A2 = R2 故A 1 = ( 2R +d ) d = 2R2此时d = 1. 77R = 1. 77( 1. 5 2. 5) = 2. 66 4. 43m。注浆工艺：首先用锚杆机配B19钻杆和32岩石钻头，按设计深度施工注浆孔，然后下注浆孔口管并封孔，最后充填科瑞森化学浆。注浆时应缓慢、匀速，跑浆时进行点注，因化学材料凝固速度快，时间间隔不能长。注浆用量确定：根据估算公式计算:Q = a ×v ×n /b式中: v 为需固结的体积(围岩松动圈), m3 /m; n为孔隙率, 经统计类比, 取n = 10% ; a 为浆液系数, 一般取a= 1. 1 1. 4, 取

13、a= 1. 2；b为浆液扩散倍数, 试验得b= 3 15, 取6。需固结的体积v可根据巷道围岩松动圈所圈定的体积确定, 帮顶外沿2.0 3.0m范围考虑。根据巷道围岩松动圈圈定体积估算, 当底板不封闭时, 对底臌的控制主要靠墙脚围岩的强度增强来抵抗水平和垂直应力产生的底臌, 研究可知底板注浆松动圈圈定体积可减少60% 70% , 此时巷道断面净宽3600mm，净高2800mm，墙高1000mm；计算注浆加固体积为25m3 /m。将各参数代入, 得:Q = a ×v ×n /b = 0. 5m3 /m 即二次注浆加固用料为0. 5m3 /m。（二） 顶帮壁后水泥注浆加固对顶帮

14、进行壁后水泥注浆加固。注浆孔排列方式参考化学注浆孔的布置参数，但是变更为孔径42mm。水泥注浆主要工序，制输浆：采用机械制浆，水灰比为0.650.9：1，水玻璃用量一般为水泥浆用量的320%。注浆泵排浆端采用19 mm 高压胶管输送。压注：采用双液注浆。根据压注设备的初始排量，压注过程中要时刻注意观察注浆孔周围的碹壁情况，发现跑浆应及时处理。同时密切注意注浆泵的工作状况，发现异常立即处理，各孔浆液的浓度控制原则均为先稀后浓。一般情况下，注浆压力升至5MPa并维持5min即可结束注浆。（三）顶帮预应力全长化学注浆锚索顶帮预应力全长化学注浆锚索布置参数参考化学注浆的参数执行，但是孔深变更为8m。预

15、应力注浆管28钻头打眼32钻头打眼顶帮岩层托盘锁具锚索树脂药卷棉丝化学浆图5 预应力注浆锚索施工工艺1顶板；2锚索；312mm×150mm×150mm的凸型托盘；4注浆口；5注浆铜管； 616mm×350mm×350mm平托盘。图4 双托盘形式示意图施工工艺：首先用32岩石钻头钻深2m，接着换28岩石钻头钻到设计深度。用风镐在孔口掏沟槽，深3cm，长30cm，以在安装托盘或槽钢梁时，不会将预应力注浆管压住为宜。 锚索端锚：按常规方式安装，采用双托盘：12mm×150mm×150mm的凸型托盘和16mm×400mm×

16、400mm的平托盘，大托盘紧贴岩面，小托盘靠近螺母，大托盘要打注浆预留眼，双托盘形式如图4所示。预应力注浆管安装：在注浆管连接端50cm处缓慢弯曲成近90°角，不能使注浆管变扁（或用专用工具），将另一端插入锚索孔内，孔外部分放在沟槽内。用改锥将棉丝顺锚索和注浆管与孔壁间隙向孔内填塞，长度不小于20cm，如图5所示为预应力注浆锚索施工工艺图。上槽钢梁、张拉锚索采用14号槽钢梁加120×120×12mm小托盘架设，相邻两根锚索沿巷道轴线方向上槽钢梁。上槽钢梁时不能压住预应力注浆管。按设计张拉锚索。锚索孔注浆：将注浆泵、注浆材料尤瑞散准备好，连接好注浆管路。注浆时应缓慢

17、、匀速，跑浆时进行点注，因化学材料凝固速度快，时间间隔不能长。注浆过程中出现较高压力时,表明围岩裂隙小，可停止注浆。（四）底板锚注联合加固施工1m1m12m图6 底板锚索布置平、剖面图底板锚索布置：采用五花布置（详见底板锚索布置平、剖面图6）。排距3m，每排3组，中间孔位于巷道中心线上，垂直底板，两侧孔与中心孔错距1.5m，距帮1m，外摆15°。其中每排锚索加一道平底梁。图7 锚索结构示意图图图底板锚注施工工艺：采用水泥固结式组合大锚索，每根大锚索由3根17.8mm钢绞线构成，头部配有导向帽和多极鼠笼，头部3000mm段编制成串珠状，以利固结增强锚索拉力。锚索单根强度级别为1860M

18、Pa，破坏负荷350.0KN，则3根锚索其破坏荷载为1050.0KN。上部有组合托盘和三孔锁具。底板组合锚索结构如图7所示。底板锚索孔施工：首先孔口处理：每班应提前一天将要打钻孔处碎渣清除，必要时用水泥、水玻璃处理孔口，为下一班打钻做好准备，然后按锚索设计孔位及角度，用80金刚石钻头钻到设计深度。锚索初期安装：按以下工序进行。编制锚索：将三根锚索解开顺直，把树脂药卷搅拌均匀后和锚索顶端一起放进导向帽内，然后在端头每隔1m用1个支架和两个卡箍编制成鼠笼状。将已经编制好的装有导向帽的锚索推送入孔直至孔底，然后灌入42.5普通硅酸盐水泥配制的水泥浆（浆液水灰比0.6：1左右）30升。用水泥编织袋堵塞

19、锚索孔口，以防掉入杂物。取出塞孔水泥编织袋，用棉丝或水泥袋缠绕在锚索上，用钻杆将其顶至距孔口2m处，深部注浆管进入孔内56m；将深部注浆管引到孔外，用水泥水玻璃双液浆封孔。养护3天后，通过预埋的深部注浆管对锚索孔的310m深处进行注浆，注浆压力5MPa。7天后铺设底网（矿用普通网）、工字钢底梁（用废工字钢根据井下实际尺寸焊接），安装托盘（大托盘400×400×16，小托盘200×200×12），进行预应力张拉，要求单根拉力120KN。浇砼：现场浇注混凝土，混凝土标号为C30。振捣密实。混凝土浇注7天后，进行砼下注浆孔施工、浅部注浆，注浆压力不大于2MPa

20、。 五、锚注效果检测检查注浆支护效果，根据注浆过程中注浆参数和浆液泄露现象判断外，主要通过巷道硐室围岩稳定情况观测、围岩加固前后物理力学性质测试、围岩声波和围岩岩体质量级别的提高来衡量。巷道围岩稳定观测对锚注后巷道围岩稳定性进行观测, 监测结果如图8所示。图8 锚注巷道围岩稳定性观测图围岩力学性能分析：注浆加固前, 岩体裂隙较发育, 破坏面裂隙纹络清晰可见, 注浆加固后, 岩体裂隙被灰色浆充填, 从围岩提取岩块横断面上可辨别出, 具有裂隙的岩体横断面大部分被水泥浆所覆盖, 注浆加固后围岩固化率可达100% 。注浆加固后, 巷道围岩不同深处的物理力学性质得到不同程度的改善, 围岩抗剪强度得到提高

21、。注浆加固前为软岩难支护, 锚注加固后提高到中硬岩易支护的水平。巷道注浆后单轴抗压强度得到提高, 能够保证围岩有效抵抗巷道变形。六、结 语1）在一采区巷道硐室中，在原先的支护条件下，由于破坏了原岩应力状态，揭示了底板无支护时深部巷道底板围岩力学特征。底板下一定范围内形成部分低应力区，巷道底臌范围大，始动点深，且底板下较深处的围岩具有持续较大的变形量。2）针对大断面大埋深及动压巷道采用新型加固方案，对顶帮变形严重段采用化学浆充填；对巷道顶帮进行水泥壁后注浆加固；顶帮施工预应力全长化学注浆锚索加固；底板施工组合锚索锚注加固。对软岩巷道硐室变形破坏、岩体结构失稳时进行加固。结果一采区变电所在未采取措施四个月内严重变形，顶板下沉量超过150mm，两帮移近量大于4