深部復(fù)雜條件下錨索注漿支護技術(shù)應(yīng)用

肖雪峰，劉金廣

(開灤集團有限責(zé)任公司， 河北 唐山 063000)

0 引言

隨著礦井的持續(xù)開采，東部老礦區(qū)開采深度不斷增加[1，2]。開灤礦區(qū)目前大部分礦井開采深度在700～1000 m左右，最大開采深度近1190 m[3，4]。與淺部相比，深部開采條件下地應(yīng)力場分布、圍巖強度與力學(xué)性質(zhì)、煤層的力學(xué)性質(zhì)均發(fā)生了較大的變化，大埋深、高應(yīng)力導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)較為劇烈，巷道圍巖變形量大、破壞性強、巷道返修率高，常規(guī)支護方式很難保證巷道支護的穩(wěn)定性[5-7]。工程實踐中，以錨桿、索支護為基礎(chǔ)的主動支護技術(shù)在深部巷硐支護工程中進行了廣泛應(yīng)用，并取得了較好效果[8-10]。

1 工程背景

開灤呂家坨礦-950二采區(qū)位于礦井深部,標高-780 m～-950 m，其中7s-1煤層以暗煤為主，平均厚度0.4 m；7s-1與7s-2夾矸為粉砂巖，灰色、致密，平均厚度1.45 m；7s-2煤層為厚煤層，結(jié)構(gòu)簡單，平均煤厚3.9 m，頂板為復(fù)合頂板，其中上層4.32 m為粉砂巖老頂，巖性特征為黑灰色，質(zhì)欠均，含植物根化石及炭化體，此頂板巖性較為破碎，圍巖自穩(wěn)能力差。采用以往普通架棚支護方案，巷道圍巖變形量大，會出現(xiàn)反復(fù)來壓，需多次清臥、套修、補強支護，后期投入較大。

該礦第一次使用中空注漿錨索是在-950二采區(qū)6272切眼及擴面過程中，切眼整體采用架棚支護，采取在棚空補打錨索的方法加強支護，擴面采用錨網(wǎng)索支護如圖1所示。施工初期使用普通錨索，后期采用注漿錨索支護。通過“十字”測點數(shù)據(jù)對比，相比普通錨索支護，注漿錨索區(qū)域頂板下沉較低，巷道變形較小，支護效果較好。進而在6273外邊眼工程中繼續(xù)應(yīng)用注漿錨索支護工藝，與傳統(tǒng)支護工藝相比支護效果明顯改善，后期投入減少。

圖1 使用注漿錨索區(qū)域圖

2 巷道支護方案

以呂家坨礦-950二采區(qū)6272切眼擴面為例，根據(jù)該區(qū)域地質(zhì)情況，結(jié)合工程施工經(jīng)驗，選擇采用矩形斷面。錨桿排距0.6 m，間距0.8 m；錨索間、排距1.2 m；巷道寬度4.8 m，高3.2 m，如圖2所示。

圖2 6272切眼擴面支護示意圖

2.1 頂錨桿支護參數(shù)

頂錨桿采用直徑20 mm、長度2200 mm的左旋螺紋金屬錨桿，間距：750±50 mm，排距600 mm，每根錨桿采用3節(jié)K2333型號樹脂錨固劑進行錨固；頂梯子梁采用φ14 mm的鋼筋加工的長度為4890 mm“H”型7孔梯子梁；采用12#鉛絲加工的5000×800 mm的金屬菱形網(wǎng)配合護頂。

2.2 錨索支護參數(shù)

錨索間、排距1200 mm，每排布置3根中空注漿錨索。錨索采用直徑22 mm、長度7300 mm的SKZ22-1/1860礦用中空注漿錨索，每根錨索采用2節(jié)K2560型樹脂藥卷錨固，錨索托盤采用規(guī)格為250 mm×250 mm×14 mm的穹形鐵托盤。打錨索漲拉時先取30 kN預(yù)漲拉1～2次，使結(jié)構(gòu)互相適應(yīng)， 再正式漲拉至100 kN以上，待應(yīng)力無明顯衰減時再行鎖定，漲拉鎖定后在4～6天內(nèi)對錨索進行注漿。

2.3 幫支護參數(shù)

護幫采用直徑20 mm、長2.0m等強螺紋鋼錨桿，托盤選用120 mm×120 mm×8 mm的穹型鐵托盤，配合200 mm×400 mm×40 mm木托盤，鋪金屬菱形網(wǎng)護幫；幫錨桿間距不超過800 mm，排距與頂錨桿排距一致，錨桿錨固力不低于30 kN。

3 中空注漿錨索支護機理分析

采用中空注漿錨索加固圍巖，錨索安裝后能夠及時施加預(yù)緊力，為圍巖提供支護阻力；漿液在破碎松散巖層中擴散、固結(jié)，注漿實現(xiàn)了錨索的全長錨固，提高了巷道圍巖的整體性和強度以及自承能力。

3.1 形成多層組合拱結(jié)構(gòu)支護體系

注漿錨索注漿充填不同深度圍巖裂隙，形成一個多層有效組合拱，即錨索壓縮圈及注漿加固圈，形成的多層組合拱擴大了支護結(jié)構(gòu)的有效承載范圍。

3.2 防風(fēng)化水侵

利用漿液封堵充填圍巖的裂隙，隔絕空氣防止圍巖風(fēng)化水侵，有效保護圍巖的原始態(tài)，防止圍巖被地下水侵蝕空氣風(fēng)化而降低圍巖的自身強度。

3.3 提高圍巖自身支護體強度

注漿后將松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體，提高了巖體的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量，從而提高了巖體強度，可以實現(xiàn)圍巖本身作為支護結(jié)構(gòu)的重要組成部分。

3.4 提高支護結(jié)構(gòu)的整體強度和平衡性

注漿錨索本身為全長錨固，將多層組合拱聯(lián)成一個整體，共同承載，避免應(yīng)力集中，提高了支護結(jié)構(gòu)的整體強度和平衡性。

3.5 機械與物理雙重加固

注漿錨索預(yù)緊力對圍巖主動緊固為機械加固，注漿膠結(jié)圍巖為物理加固。

4 中空注漿錨索施工工藝

4.1 中空注漿錨索結(jié)構(gòu)形式

呂家坨礦所使用的內(nèi)注式中空注漿錨索如圖3所示，其錨索鋼絞線公稱直徑為22 mm，抗拉強度1860 MPa，支護過程中，注漿錨索與復(fù)合注漿液凝固體共同作用。

圖3 中空注漿錨索結(jié)構(gòu)簡圖1—中空鋼絞線；2—止?jié){塞；3—托盤；4—錨具；5—絲堵；L—錨索長度；Dg—鋼絞線公稱直徑。

4.2 安裝注漿錨索

(1) 打錨索眼

根據(jù)頂板巖性、離層情況選擇合理長度注漿錨索，并鉆取相應(yīng)深度的鉆孔，確保錨索能夠固定在穩(wěn)固巖層中。

(2) 安裝注漿錨索

由于注漿錨索出漿口位于錨索前端1.5 m處，樹脂錨固劑使用不易過長。施工經(jīng)驗表明，兩根樹脂錨固劑即可，保證錨固在穩(wěn)定巖層中。

(3) 安裝止?jié){塞

止?jié){塞呈環(huán)形，由上下兩部分構(gòu)成，封口時將兩部分止?jié){塞按順序穿入中空錨注錨索，并使用內(nèi)徑大于22 mm，外徑小于32 mm的金屬管頂入鉆孔中。

(4) 錨索漲拉

漲拉后應(yīng)保證錨桿預(yù)緊力不小于100 kN。

4.3 注漿

(1) 配料

復(fù)合漿液的主要成分為水、水泥以及添加劑，質(zhì)量比例為7∶10∶0.8，注漿現(xiàn)場施工時，根據(jù)注漿量和注漿壓力的不同，可以適當(dāng)調(diào)整漿液配制比例。

(2) 注漿

注漿前應(yīng)保證與注漿泵連接的注漿管和注漿頭暢通，開始時注漿速度要緩慢，之后逐漸增加注漿量；漿液初次灌滿后，關(guān)閉注漿泵，等待2～3分鐘再次注漿補壓，直至注滿并穩(wěn)壓10分鐘左右，保證充分注漿。注漿完成后要及時封堵錨索后注漿口。注漿同時注意觀察注漿壓力，當(dāng)壓力達到4～6 MPa以上或注漿泵負載過大時應(yīng)停止注漿并檢查注漿通道是否存在堵塞如圖4所示。

圖4 注漿錨索錨固示意圖

(3) 注意事項

① 注漿時機選擇。錨索廠家提供，一般在頂板較穩(wěn)定時，滯后錨索安裝 10天左右注漿，若頂板較破碎或下沉量超過100 mm應(yīng)在錨索安裝后立即注漿。在-950二采區(qū)6272切眼實驗表明，在錨索安裝后后1～3天內(nèi)進行注漿，由于頂板離層不明顯，注漿量明顯不足；在頂板完好、下沉量較小時注漿時間滯后錨索安裝4～6天；頂板破碎或頂板下沉量50 mm以上立即注漿，此時漿液可充分擴展至頂板裂隙之中，有良好的注漿效果。

② 注漿量管理。在6272切眼已注漿的錨索中，平均每孔注漿量為60 kg。其中單孔注漿量最大達到534 kg。

③ 注漿過程的監(jiān)控?，F(xiàn)場應(yīng)有專人負責(zé)觀察壓力表壓力和頂板兩幫變化情況，在壓力急劇增加或漿液大面積滲漏情況時，應(yīng)立即打開泄壓閥，關(guān)閉注漿泵開關(guān)，停止注漿。

5 支護效果檢測分析

5.1 6272切眼支護效果對比

6272切眼前134 m選用的普通錨索，134～190 m使用的注漿錨索，根據(jù)近5個月的“十字”測點觀測數(shù)據(jù)對比可以看出，加補注漿錨索的區(qū)域巷道變形量明顯小于加補普通錨索的巷道變形量，如表1所示。

表1 6272切眼十字測點數(shù)據(jù)

5.2 6273皮帶巷與6273外邊眼效果對比

為了再次對普通錨索和注漿錨索施工效果進行對比，在6273皮帶巷1360 m～1400 m范圍及6273外邊眼內(nèi)進行了錨索支護試驗，其中6273皮帶巷為普通錨索支護， 6273外邊眼為注漿錨索支護。通過現(xiàn)場直觀觀察，使用普通錨索區(qū)域，頂板出現(xiàn)裂隙，頂板中部下沉較嚴重，使用注漿錨索區(qū)域，頂板較為完整，頂板下沉不明顯。“十字”測點礦壓觀測，數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 6273皮帶巷觀測數(shù)據(jù)(普通錨索支護)

表3 6273外邊眼觀測數(shù)據(jù)(注漿錨索支護)

通過礦壓數(shù)據(jù)觀測和現(xiàn)場實際觀察對比可以看出，普通錨索巷道頂板下沉量在90 mm左右，而注漿錨索巷道頂板最大下沉量為45 mm；普通錨索巷道最大底鼓量275 mm，注漿錨索巷道最大底鼓量165 mm；普通錨索巷道兩幫移近量440 mm，注漿錨索巷道兩幫移近量140 mm。注漿錨索巷道圍巖變形量減少了50%以上。

5.3 經(jīng)濟效益對比

采用注漿錨索支護比普通支護在人工成本、材料成本方面雖有所上升，但后期維護及安裝用工都明顯降低， 僅6272切眼支護工程中綜合節(jié)約費用164.05萬元，平均每米巷道節(jié)約成本8589元。注漿錨索支護能夠有效控制巷道圍巖變形，減少巷道清臥、套修工程，后期巷道維護的費用明顯降低，綜合效果較好，如表4所示。

表4 以6272切眼費效統(tǒng)計表(巷道長191 m)

6 結(jié)論

(1) 實施了注漿錨索支護工藝后，較好的控制了圍巖變形，巷道來壓減少，支護效果明顯改善。

(2) 隨著礦井采深的增加，掘巷后圍巖會產(chǎn)生明顯的離層、滑動、原生裂隙張開，并出現(xiàn)新的裂紋，導(dǎo)致圍巖松散、破碎。將錨固與注漿加固技術(shù)有機結(jié)合在一起，改變破碎圍巖的力學(xué)性能，使破碎圍巖 、錨桿 、錨索形成一個整體，提高了巷道圍巖的自承能力，提高了支護效果。

(3) 注漿錨索施工工藝也推廣到開灤礦區(qū)的唐山礦、范各莊礦、錢家營礦，特別在切眼擴面、巷道交叉點、高應(yīng)力區(qū)的支護等方面取得了較好的效果，延長了巷道服務(wù)年限，節(jié)約了成本，提高安全可靠度，為解決礦井深部圍巖治理的難題提供了技術(shù)途徑。

(4) 對于不同頂板條件、不同施工地點、不同斷面的注漿錨索推廣應(yīng)用，要合理選擇“滯后注漿時間”、“注漿量”、“是否二次注漿加固”等工藝方法，進一步探索最佳支護方式。