深井大断面“三软”硐室全断面二次锚注加固试验研究

宋 斌

(山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司，山西 长治 046605)

随着矿山开采规模和开采深度的不断加大，巷道围岩特性趋于恶化，巷道维护问题日益严重。巷道围岩因变形释放大量能量，原有围岩中弱面进一步扩展，同时产生若干新的裂隙，可导致围岩松动、破碎、膨胀、变形量大。如不采用适当的维护与加固措施，巷道围岩变形将愈加剧烈，并最终导致巷道围岩和支护结构的破坏。

在“三软”煤层巷道或硐室中，由于两帮煤层极为破碎，整体性极差，强度较低，现场形成的锚固结构的锚固力达不到设计要求，锚固结构的面层不能提供有效的约束力，从而使形成的全断面锚固结构的整体性较差，承载能力较低，稳定性得不到保证，无法阻止破碎煤体结构特性的进一步恶化，使得巷道或硐室围岩出现较大程度的变形和破坏[1]。因此，必须采取合理有效的修复、支护与加固措施，以保证巷道或硐室的稳定和满足使用要求。

为了改善巷道围岩的稳定状态，可采取两种有效措施，一是通过注浆、锚固等主动支护措施，改善围岩结构及其性能，充分利用围岩自承载能力[2]；二是采取被动支护措施，但该方法往往成本高，支护效果不佳。通过锚注加固，可形成积极主动有效的全断面锚注支护结构和多层组合拱(梁)结构，实现与巷道围岩的共同承载，提高了支护结构的整体性和承载能力，并使支护体内锚杆、锚索均转化为全长锚固，能够保证巷道围岩和支护结构较长时间内的稳定。

1 工程概况

赵庄矿为晋煤集团新建特大型矿井，设计生产能力600万t/a。该矿各类巷道、硐室均布置在主采的3#煤层中，巷道(硐室)围岩条件复杂、地质构造多、含水量大、煤层瓦斯含量高，且3#煤层煤质松软，顶板含厚度不稳定的泥岩层。3#煤层的平均厚度为5.5 m，倾角为1～8°，单轴抗压强度平均为9.15 MPa；直接顶为砂质泥岩，岩石较为破碎，厚度3.6 m，单轴抗压强度为39.6 MPa；老顶为灰黑色细粒砂岩，含植物化石，厚层状，成分以石英为主，具黑色泥岩条纹，夹粉砂岩薄层，厚度5.0 m，单轴抗压强度为48.45MPa；直接底为黑色泥岩，厚度0.4 m；单轴抗压强度为22.1 MPa；老底为砂质泥岩，厚度10.4 m。

泵房硐室属于典型的“三软”硐室，虽然采用了高性能锚杆与锚索、钢筋托梁和钢筋网等组成联合支护结构，泵房硐室出现了不同程度的变形甚至破坏，主要表现在：泵房硐室已经出现一定的变形，顶板下沉量大，底臌明显，混凝土支护体剥落，围岩碎裂严重，在采掘动压影响下硐室变形加剧，严重影响了矿井正常生产和安全，且无法保证后期的稳定。因此，必须对泵房硐室采取合理有效的修复、支护与加固措施，以保证泵房硐室的稳定和满足使用要求。

2 围岩控制技术方案及作用机理

由于原设计的支护结构和采用的施工方法，不能很好的达到预期的稳定控制效果，不能满足静、动压作用的要求，因此必须采取合理的支护结构和施工方法，以保证硐室在正常掘进施工与生产条件下，围岩和支护结构的长期稳定。

对这类硐室的支护原则为：尽量采用主动支护技术，同时提高围岩的整体性，发挥围岩的自承载能力，并形成一个受力性能良好的稳定的锚固支护结构。根据硐室围岩赋存和结构特性及断面设计要求，宜采用二次支护的方法来实现上述目的。因此，确定的围岩控制技术方案为[3-16]：

(1)预留变形量

加大硐室断面掘进宽度，以允许两帮围岩产生一定的变形，从而使得围岩中的高应力得到释放，有利于降低集中应力，使围岩中高应力向更深部围岩转移，以利于支护结构的稳定。

(2)初次高性能锚网喷支护

顶板采用高预应力钢绞线锚杆，以合理的倾角与顶板岩体形成梁-拱锚固结构，实现对顶板的有效控制。而两帮采用高性能螺纹钢锚杆进行加强支护，形成初步的锚固结构，以允许硐室两帮煤体及锚杆作用形成的锚固结构产生一定的变形，从而实现对两帮煤体卸压的目的。

顶板梁拱锚固结构的作用机理为：通过顶板锚杆(索)穿过各层状岩层，可形成组合梁结构；硐室两帮的锚杆使硐室两帮整体稳定性提高，形成压缩墙，使硐室两帮近似成为稳定围岩，且顶角锚杆将顶板梁与两帮联接成一个整体；同时，将顶板锚杆(索)以一定的倾斜角度和间排距布置，从而与顶板岩体可形成组合拱结构，减弱了顶板冒落拱范围内岩体结构特性弱化对顶板组合梁结构的形成与承载能力的影响。这样，一方面可以增加组合梁截面厚度，另一方面形成的组合拱结构改善了顶板岩体的受力状态，提高了顶板岩体自承载结构的承载能力，使处于塑性区中的破碎岩体仍然可以提供一定承载力，从而保证顶板围岩与支护结构的稳定。

(3)二次锚注加固

全断面二次注浆加固，可形成积极主动有效的全断面锚注支护结构和多层组合拱(梁)结构，实现与围岩的共同承载，提高了支护结构的整体性和承载能力，并使支护体内锚杆、锚索均转化为全长锚固，能够保证硐室围岩和支护结构较长时间内的稳定。

(4)底角和底板高性能锚固与注浆加固

在完成全断面注浆再加固后，再对底角和底板实施加强锚固与注浆加固。通过对底角和底板的加强锚固与注浆加固，可有效控制硐室的底角和底板变形，保证硐室两帮、底角和底板的稳定，从而实现对硐室底臌的有效控制，保证硐室围岩和支护结构的稳定。

3 围岩控制技术参数

3.1 全断面锚网喷支护

首先，在原喷射混凝土支护体全断面打眼安装锚杆、挂金属网、喷射混凝土，进行全断面锚网喷支护，同时安装低压浅孔注浆管。

为使长短锚杆搭配与顶板岩体形成梁-拱结构，顶板锚杆(图1中锚杆的编号为1、2、3)中1#锚杆为螺纹钢锚杆，规格为Φ22 mm×3500 mm； 2#和3#锚杆为钢绞线锚杆，由1×19股高强度低松弛预应力钢绞线制作，直径为φ22 mm，2#锚杆长度为4300 mm，3#锚杆长度为4500 mm，外露长度为220 mm；顶板锚杆间排距为800 mm×900 mm，锚杆孔直径为φ28 mm，其采用1卷中速2360型和1卷快速2335型树脂药卷加长锚固，锚固长度不少于800 mm，锚固力不低于150 kN，预紧力矩不低于400 N·m；托盘采用拱型高强度托盘，规格为150 mm×150 mm×8 mm。

两帮锚杆采用高性能螺纹钢锚杆，规格为Φ22 mm×3500 mm，杆体采用直径为22 mm的左旋无纵筋螺纹钢筋，钢号BHRB500，杆尾螺纹为M24，间排距为900 mm×900 mm，锚杆孔直径为φ28 mm，其采用1卷中速2360型和1卷快速2335型树脂药卷加长锚固，锚固长度不少于800 mm，锚固力不低于150 kN，预紧力矩不低于400 N·m；托盘采用拱型高强度托盘，规格为150 mm×150 mm×8 mm。

低压浅孔注浆管安装在两排锚杆之间，注浆管使用φ26 mm钢管制作，规格为φ26 mm×1000 mm，孔口封孔长度400～500 mm，排距1800 mm，采用风钻打眼，孔径φ45 mm，孔深2000 mm。

钢筋托梁采用Φ14 mm的钢筋焊接而成，顶板托梁规格6000 mm×80 mm，两帮托梁规格3800 mm×80 mm，支护时顶板与两帮的钢筋托梁上下搭接，搭接位置为帮部从上往下第一根锚杆处，锚杆压紧两根钢筋托梁。在安装锚杆位置各焊接两段纵筋，纵筋间距100 mm，以便安装锚杆。

金属网采用φ6.5 mm钢筋焊接，网片规格1950 mm×3000 mm，网孔规格100 mm×100 mm，网片之间采用勾接方式连接，勾接长度为150 mm。

喷射混凝土强度等级C30，配比为1∶2∶2，掺3%～5%速凝剂，厚度100 mm，要覆盖住锚杆托盘，并保证注浆管孔口外露长度不少于30 mm，以便于后期注浆加固。

形成的锚网支护结构如图1所示，低压浅孔注浆管布置如图2所示。

图1 全断面锚网支护结构

图2 低压浅孔注浆管布置断面

3.2 底角和底板加固

(1)硐室底角卧底和铺设金属网

对硐室底角处卧底、铺设金属网，要将金属网深入到硐室实际底板以下100～150 mm，然后利用灌浆锚索对硐室底角进行锚固加固。

金属网采用φ6.5 mm钢筋焊接而成的经纬网，网片规格为1950 mm×3000 mm，网孔规格为100 mm×100 mm，网片之间采用勾接方式连接，勾接长度为150 mm。

(2)底板反底拱结构和锚注支护

浇灌混凝土前卧底时，将底板卧成弧形结构，铺设 50 mm左右的垫层，然后铺设由φ6.5 mm钢筋焊接而成的经纬网，浇灌1000 mm厚混凝土后(弧中间最深部位)，可形成反底拱结构。然后，铺设由Φ14 mm钢筋焊接而成的经纬网，并利用自钻式中空类注浆锚杆进行锚注加固。

反底拱要求为：采用采用圆弧拱结构，弧的两端与硐室的墙角相接，弧中间最深部位和墙角水平垂距不小于1000 mm，使硐室原底板下落200 mm。自钻式中空钻注浆由中空特种钢制成，规格为φ28 mm×2000 mm，极限拉断力150 kN，延伸率10%～15%，间排距为800 mm×900 mm。采用拱形高强度托板，规格为150 mm×150 mm×8 mm。靠近巷帮的底板锚杆安设角度为与垂线成30°。自钻锚杆一次性钻头φ46 mm。混凝土强度等级应不低于C30。底板的注浆加固应在反底拱混凝土浇灌7 d后进行。铺设的钢筋网：采用φ6.5 mm和Φ14 mm圆钢焊接，网片规格为1950 mm×3000 mm，网孔规格为100 mm×100 mm，网片之间采用勾接方式连接，勾接长度为150 mm，并延展至帮角，利用稍后的底角灌浆锚索进行固定。

形成的底角和底板加固结构如图3所示。

图3 底角与底板加固结构图

3.3 全断面注浆加强支护

利用锚网支护中安装的低压浅孔壁后充填注浆管和底板中空注浆锚杆对围岩进行注浆加固。注浆时，采用单液水泥-水玻璃浆液，水泥使用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为0.8～1.0，水玻璃的掺量为水泥用量的3%～5%。浆液结石率不低于92%，浆液固结体强度不低于20 MPa，注浆压力控制在2.0 MPa以内，保证喷层不发生开裂；注浆扩散半径控制在3.0 m左右，每米硐室注浆量控制为3.0 t水泥。

3.4 全断面复注加强支护

全断面复注加强支护，采用高压深孔渗透注浆，即在低压浅孔注浆加固后形成一定厚度的加固圈(梁、柱)基础上，布置深孔，采用高压注浆加固，一方面可扩大注浆加固范围，另一方面高压注浆可提高浆液的渗透能力，改善注浆加固效果，而不会导致喷网层的变形破坏，并可对低压浅孔注浆加固体起到复注补强的作用，从而显著提高注浆加固体的承载性能。

高压深孔渗透注浆过程中的主要技术参数为：

(1)注浆材料：渗透注浆材料以高渗透性、高强度的水泥浆液为主，可采用52.5级普通硅酸盐水泥，水灰比控制在0.5～0.6，掺加水泥量0.7%的NF高效减水剂。浆液的结石率不低于95%，强度不低于30 MPa。当围岩中的裂隙细小，无法进行深孔注浆时，可采用超细水泥制作注浆材料，以保证注浆加固效果。

(2)注浆参数：施工时注浆压力在3～5 MPa，加固范围在5.0 m左右，具体需要根据围岩松动圈测试结果确定。注浆扩散半径控制在2.0 m左右，每米硐室注浆量控制为1.5 t水泥。

(3)钻孔方式：采用风钻打眼，孔径φ45 mm，钻孔长度为5.0 m。

(4)注浆管：使用φ26 mm钢管制作，长度1.0 m，孔口封孔长度400～500 mm，排距为1.8 m，布置在两排锚杆之间，与低压浅孔注浆间隔900 mm。

(5)滞后注浆时间：一般滞后低压浅孔充填注浆1周左右。

形成的支护结构如图4所示。

图4 全断面复注支护

3.5 底角锚索加强支护

在完成全断面喷浆和复注加强支护后，在硐室底角处补打灌浆锚索，对底角进行加强支护，排距1800 mm。底角灌浆锚索1×19股高强度低松弛预应力钢绞线制作，规格φ22 mm×8400 mm，锚索孔径φ45 mm，自由段长度3000 mm(为保证锚索能够进行张拉和施加预应力，锚索自由段上套内径φ22 mm的塑料软管)，预紧力不小于250 kN，外露不大于300 mm，锚索向下倾角不小于30°。为方便安装和保证安装质量，在锚索顶端制作好锚头，并在锚索索体上架设两个对中支架。

灌浆浆液采用52.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为0.5～0.6，掺加水泥量0.7%的NF高效减水剂。浆液的结石率不低于95%，强度不低于30 MPa。

4 应用情况

在对泵房硐室进行二次锚注支护后，进行了七个多月的位移监测。监测结果表明：泵房硐室在受到煤层采动应力、西翼南辅运大巷返修的影响后，硐室顶板、底板和两帮的收敛变形，与单独采用锚喷支护相比有了明显的减小。顶底板最大移进量为27.0 mm，两帮的最大移进量为15.7 mm，围岩变形已逐步趋于稳定；没有发生明显的顶板下沉、喷层开裂及底臌等现象。所提出的全断面二次锚注加固技术方案、有效地控制了硐室围岩变形，保证了硐室围岩和支护结构较长时间内的稳定。监测结果如图5所示。

图5 围岩变形监测数据

5 结 论

(1)在“三软”硐室中，锚喷支护结构通常不能够有效地控制围岩的变形，无法阻止破碎煤体结构特性的进一步恶化，使得硐室围岩出现较大程度的变形和破坏。因此，必须采取合理有效的修复、支护与加固措施，才能保证硐室的稳定和满足使用要求。

(2)适当加大硐室的掘进断面，允许围岩产生一定的变形，使得围岩中高应力得到一定释放，起到了整体让压作用，又能及时控制围岩的大变形特性。

(3)采用初次锚喷支护(由钢绞线锚杆、高强度螺纹钢锚杆、钢筋网、钢筋梯和喷射混凝土组成)方式，滞后采用锚注支护(低压浅孔注浆和高压深孔注浆)进行二次加固，能形成有效的动态迭加耦合支护结构，保证硐室的长期稳定。

(4)在低压浅孔注浆加固后形成一定厚度的加固圈(梁、柱)基础上，采用高压深孔渗透注浆的形式进行全断面复注加强支护，一方面可扩大注浆加固范围，另一方面高压注浆可提高浆液的渗透能力，改善注浆加固效果，而不会导致喷网层的变形破坏，并可对低压浅孔注浆加固体起到复注补强的作用，从而显著提高注浆加固体的承载性能，保证硐室的长期稳定。

(5)采用水泥内浆液为主对硐室围岩进行注浆加固，形成复合锚注支护结构。其注浆加固成本为马丽散等化学浆液成本的1/100，为超细水泥浆液成本的1/10，具有较好的技术与经济效益。

(6)工程应用实践表明，所提出的围岩控制技术有效地控制了“三软”硐室的变形，支护效果良好，具有良好的技术推广价值，也能为其它类似“三软”巷道或硐室的支护设计与施工提供借鉴。

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