大采深巷道硐室錨注聯(lián)合加固技術(shù)資料

1、大采深巷道硐室錨注聯(lián)合加固技術(shù)研究及應(yīng)用（山西新元煤炭有限責(zé)任公司 郭小勤 04500）摘 要：為解決巷道埋藏較深，受地壓及強烈動壓影響變形大，補強加固技術(shù)的難題，基于保安煤礦15#煤一采區(qū)變電所巷道硐室在距地表垂深+650+820 m,及+315軌道大巷等鄰近巷道的開掘影響下，采用了深埋礦壓理論分析與現(xiàn)場實踐的方法分析了其破壞特點、變形破壞機理及影響因素，提出了一種對大斷面大埋深及動壓巷道的新型加固方案。研究了其技術(shù)原理、設(shè)計方案、技術(shù)參數(shù)、工藝配方、注漿效果。結(jié)果表明：一采區(qū)變電所在未采取措施四個月內(nèi)嚴(yán)重變形，頂板下沉量超過150mm，兩幫移近量大于400mm，底臌量局部達到500mm，采

2、取加固措施后半年內(nèi)頂板下沉量35mm，兩幫移近量60mm，底臌量不到40mm，控制了圍巖變形，有效地改善了巷道周圍圍巖力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)狀態(tài)。關(guān)鍵詞：巷道硐室 埋藏較深 動壓影響 新型加固技術(shù)目 錄前 言- 1 -一、工程背景- 1 -二、巷道硐室圍巖破壞原因- 2 -三、錨注聯(lián)合加固方案的技術(shù)可行性- 2 -四、巷道硐室的加固方案- 3 -（一）對頂幫變形嚴(yán)重段采用化學(xué)漿充填- 3 -（二） 頂幫壁后水泥注漿加固- 4 -（三）頂幫預(yù)應(yīng)力全長化學(xué)注漿錨索- 5 -（四）底板錨注聯(lián)合加固施工- 6 -五、錨注效果檢測- 7 -六、結(jié) 語- 7 -參考文獻：- 9 -前 言陽泉市保安煤礦開采的15#

3、煤層位于新山溝及其南北側(cè)山梁山坡地帶，地面標(biāo)高+950m+1080m,工作面標(biāo)高+250m+352m，距地表垂深650820 m,煤層厚度3.804.38m有時含矸3層，直接頂板為K2石灰?guī)r，底板為泥巖和細(xì)砂巖。在生產(chǎn)過程中，巷道硐室受到埋藏深及經(jīng)常遇到相鄰煤層、工作面、巷道采動的影響，巷道圍巖在受采動、布置及地應(yīng)力的影響下，塑性區(qū)擴大，造成巷道硐室在較短時間內(nèi)嚴(yán)重變形，巷道維護相當(dāng)困難。對于復(fù)雜困難的巷道加固，采用了錨注聯(lián)合支護方式，取得了良好的效果。本文針對保安煤礦15#煤層一采區(qū)變電所受采動、布置及地應(yīng)力的影響并且對其補強加固問題，分析了其圍巖破壞原因和控制機理，介紹了巷道硐室的加固方案

4、，并進行了工程實踐。一、工程背景保安煤礦15#煤層一采區(qū)變電所位于+315軌道大巷南側(cè)內(nèi)（如圖1所示）。其中變電所硐室為砼澆注，AB段與采區(qū)變電所硐室交接處1.5m為砼澆注，其余為錨網(wǎng)噴支護。CD段在15#煤上部煤層中掘進施工，CD段在15#煤層上泥質(zhì)砂巖中掘進施工。CD段巷道凈寬3600mm，凈高2800mm，墻高1000mm；AB段、BC段巷道凈寬2400mm，凈高2500mm，墻高1300mm；變電所硐室凈寬4200 mm，凈高3100mm，墻高1000mm。一采區(qū)變電所服務(wù)于五個回采工作面， 15103、15104、15105、15106回采工作面分別位于15103進風(fēng)巷、15104進

5、風(fēng)巷以西。而目前首采工作面15102正處于試運轉(zhuǎn)階段，其他四個工作面還未能正是投入到生產(chǎn)。受采動、布置及地應(yīng)力的影響，一采區(qū)變電所部分巷道硐室嚴(yán)重變形，采區(qū)變電所頂板下沉量超過150mm，兩幫移近量大于400mm，底臌量局部達到500mm，為了保證一采區(qū)變電所能安全有效服務(wù)于銜接的工作面。采用了補強錨索支護，但是效果并不明顯。圖2 主應(yīng)力方向與巷道方向關(guān)系二、巷道硐室圍巖破壞原因巷道掘進后，破壞了原巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，原巖地層中任一點應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，巷道開挖后，由于褶曲、斷層、火成巖侵入等地質(zhì)作用，圍巖應(yīng)力重新分布，巷道周圍應(yīng)力不均等，造成巷道不同形式的破壞。應(yīng)力方向分為垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力，因

6、此主應(yīng)力方向與巷道方向的關(guān)系影響其穩(wěn)定性，在應(yīng)力的作用下，圍巖向巷道空間收斂變形，形成較大范圍的圍巖松動圈，如圖2所示。（1）當(dāng)巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向平行時，受水平應(yīng)力影響最小，對巷道的穩(wěn)定最為有利。（2）當(dāng)巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向垂直時，受水平應(yīng)力影響最大，對巷道的穩(wěn)定最為不利。（3）最大水平主應(yīng)力方向與斜交的巷道，巷道一側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中而另一側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力釋放，因而巷道的變形破壞會偏向某一側(cè)。（4）水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，容易產(chǎn)生底臌，巷道不穩(wěn)定。如此，巷道支護強度不能抵制外在應(yīng)力時，巷道即產(chǎn)生變形破壞。目前，該巷道支護形式已根本無法控制其變形，不能有效抵抗深部圍巖傳遞的壓力，反而會引起

7、巷道進一步嚴(yán)重變形并產(chǎn)生更大范圍的圍巖松動圈。變電所巷道破壞主要由以下直接原因：巷道埋深大，上覆巖層產(chǎn)生的重力應(yīng)力引起的地應(yīng)力較大，對砼體施加較大的擠壓力；巷道砼體為一種剛性被動支護方式，在施工過程中因壁后尤其頂幫充填不足，有較大的空間，頂幫巖面與砼體為點、線接觸，地應(yīng)力對砼體通過點、線接觸產(chǎn)生集中作用，極易造成頂幫破壞；巷道底板為松散破碎、層位交錯的泥質(zhì)砂巖等，自身膠結(jié)性差，承載能力小，由于砼體支護構(gòu)件小，地應(yīng)力通過其傳遞到底板的壓力大并集中，底板易產(chǎn)生底臌。三、錨注聯(lián)合加固方案的技術(shù)可行性錨注聯(lián)合加固支護技術(shù)是一種將現(xiàn)代注漿加固技術(shù)、柔性錨索加固技術(shù)與傳統(tǒng)錨噴支護技術(shù)有機地結(jié)合在一起的新型

8、加固支護技術(shù)方式。它綜合了錨索加固技術(shù)和注漿加固技術(shù)的所有優(yōu)點，并在此基礎(chǔ)上衍生出了許多新的特點，成為解決高應(yīng)力工程軟巖安全維護的有效手段，其顯著優(yōu)點如下：與傳統(tǒng)錨噴支護技術(shù)中噴砼層的作用原理相比，漿液的注入能夠明顯改變巖石的物理力學(xué)性質(zhì)；漿液充填到巖石塊間的孔隙之中，使破碎巖石塊重新膠結(jié)成一體，從而提高了巖體的整體強度和穩(wěn)定性。在錨注聯(lián)合加固支護體系中，由于漿液能夠與巖體及錨桿全面接觸，將桿體內(nèi)、桿體與鉆孔間隙、周圍巖體的縫隙全部充填滿，從而形成“網(wǎng)絡(luò)”效應(yīng)，如同自然界中樹木的主根與須根的共同固結(jié)作用一樣，使錨桿受力傳遞的可靠性和連續(xù)性得以充分保障。并通過漿液結(jié)石體“網(wǎng)絡(luò)”將力傳遞到圍巖之中

9、，全面調(diào)動了圍巖的自身承載能力，同時使錨桿、錨索自身的加固性能得以充分發(fā)揮。注漿后，桿體與地下水、空氣間的聯(lián)系全部中斷，徹底阻止了銹蝕反應(yīng)，從而保證了錨桿的長期錨固能力，保證了支護體系的長期穩(wěn)定性。在錨桿、錨索和漿液的共同作用下，注漿范圍內(nèi)的所有巖石被膠結(jié)加固成一個整體圓涵，保護著整個硐室（巷道）的自由空間。底板十幾米深的高強組合錨注錨索與底板鋼筋砼將底板流變軟巖牢牢封閉起來并施加強大的作用力控制底臌的發(fā)生。長達數(shù)米的柔性錨索的加入，使錨注聯(lián)合加固支護體系中的“加固拱”厚度大增，而“加固拱”厚度的增加，使地應(yīng)力作用在支護構(gòu)件體上的壓強大大降低，從根本上為大斷面巷道安全維護奠定了理論基礎(chǔ)。四、巷

10、道硐室的加固方案 15#煤一采區(qū)變電所圍巖錨注總體方案如下：對頂幫變形嚴(yán)重段采用化學(xué)漿充填；對巷道頂幫進行水泥壁后注漿加固；頂幫施工預(yù)應(yīng)力全長化學(xué)注漿錨索加固；底板施工組合錨索錨注加固。（一）對頂幫變形嚴(yán)重段采用化學(xué)漿充填對頂幫變形嚴(yán)重段進行化學(xué)漿充填，注漿孔的布置應(yīng)使相鄰的兩孔固結(jié)漿液的徑向分布在一定程度上互相滲透，且化學(xué)漿的多余部分可充填結(jié)構(gòu)體之間的裂隙，注漿孔間距參數(shù)選擇的合理與否，直接決定二次支護的效果，孔的排列方式一般有按行排列及三角形排列兩種，注漿孔間距則應(yīng)該根據(jù)每個注漿孔的擴散半徑及孔的排列方式而制定。注漿孔布置參數(shù)確定：1）按行排列：當(dāng)采用按行排列方式時, 為滿足要求, 至少應(yīng)

11、使得A1 = 2A2 ( A1 為矩形ABCD 的面積, A2 為矩形ABCD 內(nèi)各注漿孔的注漿擴散面積, 如圖3a所示。圖3 注漿孔的擴散面積 A2 = R2/2R 為每一注漿孔的擴散半徑, 其大小與巖體的破碎程度、滲透系數(shù)、漿液的粘度、可注性和注漿壓力等因素有關(guān)。根據(jù)實驗配比, 常用的R 值為1. 5 2. 5m。設(shè)孔間距為d, 則A1 = 2Rd, 故有：2R d =R2 此時, d = 1.57R = 1. 57 ( 1. 5 2. 5 ) =2. 36 3. 93m。2）按三角形排列：若注漿孔按等邊三角形布置（如圖3b所示）則平行四邊形ABCD 面積：A1 = ( 2R +d ) d

12、, 而A2 = R2 故A 1 = ( 2R +d ) d = 2R2此時d = 1. 77R = 1. 77( 1. 5 2. 5) = 2. 66 4. 43m。注漿工藝：首先用錨桿機配B19鉆桿和32巖石鉆頭，按設(shè)計深度施工注漿孔，然后下注漿孔口管并封孔，最后充填科瑞森化學(xué)漿。注漿時應(yīng)緩慢、勻速，跑漿時進行點注，因化學(xué)材料凝固速度快，時間間隔不能長。注漿用量確定：根據(jù)估算公式計算:Q = a ×v ×n /b式中: v 為需固結(jié)的體積(圍巖松動圈), m3 /m; n為孔隙率, 經(jīng)統(tǒng)計類比, 取n = 10% ; a 為漿液系數(shù), 一般取a= 1. 1 1. 4, 取

13、a= 1. 2；b為漿液擴散倍數(shù), 試驗得b= 3 15, 取6。需固結(jié)的體積v可根據(jù)巷道圍巖松動圈所圈定的體積確定, 幫頂外沿2.0 3.0m范圍考慮。根據(jù)巷道圍巖松動圈圈定體積估算, 當(dāng)?shù)装宀环忾]時, 對底臌的控制主要靠墻腳圍巖的強度增強來抵抗水平和垂直應(yīng)力產(chǎn)生的底臌, 研究可知底板注漿松動圈圈定體積可減少60% 70% , 此時巷道斷面凈寬3600mm，凈高2800mm，墻高1000mm；計算注漿加固體積為25m3 /m。將各參數(shù)代入, 得:Q = a ×v ×n /b = 0. 5m3 /m 即二次注漿加固用料為0. 5m3 /m。（二） 頂幫壁后水泥注漿加固對頂幫

14、進行壁后水泥注漿加固。注漿孔排列方式參考化學(xué)注漿孔的布置參數(shù)，但是變更為孔徑42mm。水泥注漿主要工序，制輸漿：采用機械制漿，水灰比為0.650.9：1，水玻璃用量一般為水泥漿用量的320%。注漿泵排漿端采用19 mm 高壓膠管輸送。壓注：采用雙液注漿。根據(jù)壓注設(shè)備的初始排量，壓注過程中要時刻注意觀察注漿孔周圍的碹壁情況，發(fā)現(xiàn)跑漿應(yīng)及時處理。同時密切注意注漿泵的工作狀況，發(fā)現(xiàn)異常立即處理，各孔漿液的濃度控制原則均為先稀后濃。一般情況下，注漿壓力升至5MPa并維持5min即可結(jié)束注漿。（三）頂幫預(yù)應(yīng)力全長化學(xué)注漿錨索頂幫預(yù)應(yīng)力全長化學(xué)注漿錨索布置參數(shù)參考化學(xué)注漿的參數(shù)執(zhí)行，但是孔深變更為8m。預(yù)

15、應(yīng)力注漿管28鉆頭打眼32鉆頭打眼頂幫巖層托盤鎖具錨索樹脂藥卷棉絲化學(xué)漿圖5 預(yù)應(yīng)力注漿錨索施工工藝1頂板；2錨索；312mm×150mm×150mm的凸型托盤；4注漿口；5注漿銅管； 616mm×350mm×350mm平托盤。圖4 雙托盤形式示意圖施工工藝：首先用32巖石鉆頭鉆深2m，接著換28巖石鉆頭鉆到設(shè)計深度。用風(fēng)鎬在孔口掏溝槽，深3cm，長30cm，以在安裝托盤或槽鋼梁時，不會將預(yù)應(yīng)力注漿管壓住為宜。 錨索端錨：按常規(guī)方式安裝，采用雙托盤：12mm×150mm×150mm的凸型托盤和16mm×400mm×

16、400mm的平托盤，大托盤緊貼巖面，小托盤靠近螺母，大托盤要打注漿預(yù)留眼，雙托盤形式如圖4所示。預(yù)應(yīng)力注漿管安裝：在注漿管連接端50cm處緩慢彎曲成近90°角，不能使注漿管變扁（或用專用工具），將另一端插入錨索孔內(nèi)，孔外部分放在溝槽內(nèi)。用改錐將棉絲順錨索和注漿管與孔壁間隙向孔內(nèi)填塞，長度不小于20cm，如圖5所示為預(yù)應(yīng)力注漿錨索施工工藝圖。上槽鋼梁、張拉錨索采用14號槽鋼梁加120×120×12mm小托盤架設(shè)，相鄰兩根錨索沿巷道軸線方向上槽鋼梁。上槽鋼梁時不能壓住預(yù)應(yīng)力注漿管。按設(shè)計張拉錨索。錨索孔注漿：將注漿泵、注漿材料尤瑞散準(zhǔn)備好，連接好注漿管路。注漿時應(yīng)緩慢

17、、勻速，跑漿時進行點注，因化學(xué)材料凝固速度快，時間間隔不能長。注漿過程中出現(xiàn)較高壓力時,表明圍巖裂隙小，可停止注漿。（四）底板錨注聯(lián)合加固施工1m1m12m圖6 底板錨索布置平、剖面圖底板錨索布置：采用五花布置（詳見底板錨索布置平、剖面圖6）。排距3m，每排3組，中間孔位于巷道中心線上，垂直底板，兩側(cè)孔與中心孔錯距1.5m，距幫1m，外擺15°。其中每排錨索加一道平底梁。圖7 錨索結(jié)構(gòu)示意圖圖圖底板錨注施工工藝：采用水泥固結(jié)式組合大錨索，每根大錨索由3根17.8mm鋼絞線構(gòu)成，頭部配有導(dǎo)向帽和多極鼠籠，頭部3000mm段編制成串珠狀，以利固結(jié)增強錨索拉力。錨索單根強度級別為1860M

18、Pa，破壞負(fù)荷350.0KN，則3根錨索其破壞荷載為1050.0KN。上部有組合托盤和三孔鎖具。底板組合錨索結(jié)構(gòu)如圖7所示。底板錨索孔施工：首先孔口處理：每班應(yīng)提前一天將要打鉆孔處碎渣清除，必要時用水泥、水玻璃處理孔口，為下一班打鉆做好準(zhǔn)備，然后按錨索設(shè)計孔位及角度，用80金剛石鉆頭鉆到設(shè)計深度。錨索初期安裝：按以下工序進行。編制錨索：將三根錨索解開順直，把樹脂藥卷攪拌均勻后和錨索頂端一起放進導(dǎo)向帽內(nèi)，然后在端頭每隔1m用1個支架和兩個卡箍編制成鼠籠狀。將已經(jīng)編制好的裝有導(dǎo)向帽的錨索推送入孔直至孔底，然后灌入42.5普通硅酸鹽水泥配制的水泥漿（漿液水灰比0.6：1左右）30升。用水泥編織袋堵塞

19、錨索孔口，以防掉入雜物。取出塞孔水泥編織袋，用棉絲或水泥袋纏繞在錨索上，用鉆桿將其頂至距孔口2m處，深部注漿管進入孔內(nèi)56m；將深部注漿管引到孔外，用水泥水玻璃雙液漿封孔。養(yǎng)護3天后，通過預(yù)埋的深部注漿管對錨索孔的310m深處進行注漿，注漿壓力5MPa。7天后鋪設(shè)底網(wǎng)（礦用普通網(wǎng)）、工字鋼底梁（用廢工字鋼根據(jù)井下實際尺寸焊接），安裝托盤（大托盤400×400×16，小托盤200×200×12），進行預(yù)應(yīng)力張拉，要求單根拉力120KN。澆砼：現(xiàn)場澆注混凝土，混凝土標(biāo)號為C30。振搗密實?；炷翝沧?天后，進行砼下注漿孔施工、淺部注漿，注漿壓力不大于2MPa

20、。 五、錨注效果檢測檢查注漿支護效果，根據(jù)注漿過程中注漿參數(shù)和漿液泄露現(xiàn)象判斷外，主要通過巷道硐室圍巖穩(wěn)定情況觀測、圍巖加固前后物理力學(xué)性質(zhì)測試、圍巖聲波和圍巖巖體質(zhì)量級別的提高來衡量。巷道圍巖穩(wěn)定觀測對錨注后巷道圍巖穩(wěn)定性進行觀測, 監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。圖8 錨注巷道圍巖穩(wěn)定性觀測圖圍巖力學(xué)性能分析：注漿加固前, 巖體裂隙較發(fā)育, 破壞面裂隙紋絡(luò)清晰可見, 注漿加固后, 巖體裂隙被灰色漿充填, 從圍巖提取巖塊橫斷面上可辨別出, 具有裂隙的巖體橫斷面大部分被水泥漿所覆蓋, 注漿加固后圍巖固化率可達100% 。注漿加固后, 巷道圍巖不同深處的物理力學(xué)性質(zhì)得到不同程度的改善, 圍巖抗剪強度得到提高

21、。注漿加固前為軟巖難支護, 錨注加固后提高到中硬巖易支護的水平。巷道注漿后單軸抗壓強度得到提高, 能夠保證圍巖有效抵抗巷道變形。六、結(jié) 語1）在一采區(qū)巷道硐室中，在原先的支護條件下，由于破壞了原巖應(yīng)力狀態(tài)，揭示了底板無支護時深部巷道底板圍巖力學(xué)特征。底板下一定范圍內(nèi)形成部分低應(yīng)力區(qū)，巷道底臌范圍大，始動點深，且底板下較深處的圍巖具有持續(xù)較大的變形量。2）針對大斷面大埋深及動壓巷道采用新型加固方案，對頂幫變形嚴(yán)重段采用化學(xué)漿充填；對巷道頂幫進行水泥壁后注漿加固；頂幫施工預(yù)應(yīng)力全長化學(xué)注漿錨索加固；底板施工組合錨索錨注加固。對軟巖巷道硐室變形破壞、巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時進行加固。結(jié)果一采區(qū)變電所在未采取措施四個月內(nèi)嚴(yán)重變形，頂板下沉量超過150mm，兩幫移近量大于4