中空注浆锚索在戛达煤矿回风巷支护中的应用

2021-07-20郭豫宁

科技创新与应用 2021年19期

郭豫宁

（湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭411201）

我国矿产资源极其丰富，井巷的建设规模和复杂程度在世界上都位列前茅。但随着我国浅部煤炭资源的消耗殆尽，矿产资源的开采逐渐向深部发展，开采条件和环境变得更加复杂，巷道围岩的变形变得尤为严重，对矿井安全生产造成了极大的影响，那么巷道围岩的有效支护便是矿井安全生产的重中之重。解决这个问题的关键在于巷道围岩变形破坏的机理，对症下药提出行之有效的支护方法[1-2]。

专家学者为了了解深部巷道变形的机理和巷道围岩稳定性控制做了大量的研究[3-5]。王卫军教授等[6]基于团队的现有研究成果，总结发现了支护阻力对深部高应力巷道围岩变形的影响程度，提出了在巷道掘进时需要预留一定的变形空间以容纳围岩部分“给定变形”的控制方法，这一划时代的发现为今后深部高应力巷道围岩稳定性的控制提供了有力的支撑。左建平教授等[7]建立了圆形与矩形巷道的围岩受力模型，通过分析得出了其所具备的受力特征及应力分布规律。在此基础之上，左建平教授还构建了巷道围岩梯度破坏机理及矩形巷道等强梁支护的破坏模型，提出了深部巷道等强支护控制理论力学概念模型。马念杰教授[8]分析了双向非等压条件下巷道围岩塑性区形成的力学机制及其形态特征，发现深部采动巷道围岩双向压力比值λ（0<λ<1）较小时，围岩塑性区形态不再表现为圆形和类椭圆形，而是呈现出蝶形分布的特征。基于这一发现，马念杰教授提出了可接长锚杆的支护技术，这一支护技术通过缩小蝶形塑性区“蝶叶”的方式，进而达到控制巷道围岩变形的目的。袁超[9]系统的研究了深部巷道围岩变形破坏力学机理，以塑性区时空演化规律与几何分布形态为出发点分析了其对巷道围岩稳定性的影响，提出了深部高应力巷道围岩稳定性控制方案及其支护原理。余伟健教授等[10]对深井巷道复合顶板进行了力学分析，研究顶板下沉对巷道围岩稳定性的影响，并基于此提出了以“预应力桁架锚索”为主体的支护方法。

本文以戛达煤矿回风巷为工程实例，以理论分析结合数值模拟的方法，探寻中空注浆锚索在巷道围岩支护中的支护效果，最后通过与数值模拟的分析结果结合现场调研的检验分析以“中空注浆锚索”为主体的支护方案所具备的优越性以及所选施工方案的可行性。

1 工程概况

1.1 工程背景

云南湾田集团戛达煤业总回风井原设计断面为3.7*3.8m（高*宽），巷道所处地质力学环境复杂，巷道岩层抗压强度低，围岩整体性差，承载力低，围岩压力大，矿压显现剧烈，加上风井长期风蚀、水浸等原因，造成该巷出现片帮、开裂、喷体下落、底鼓等现象，总回风巷的断面变小，严重影响矿井回风。之后为确保矿井回风系统稳定，矿方采用锚网索等支护对巷道进行了扩修，但巷道变形量依旧较大，仍不能满足矿井的安全生产需求。

1.2 巷道围岩矿物成份分析

通过X射线衍射仪对戛达煤矿巷道围岩所收集的岩样进行了分析，分析结果见表1。从成分测试结果可以看出，巷道围岩的矿物成分主要为石英、绿泥石、菱铁矿及云母等。其中18.57%绿泥石片岩是一种特殊的软岩，通常情况下强度比常见的软岩高，但是遇水会强度降低，在水环境下出现大变形现象，加剧巷道围岩的变形破坏；12.65%菱铁矿在空气中容易风化或水解，改变原有的性质。云母的含量为5.02%，其具有层状结构、呈片状晶体，在风化作用或外部压力作用下可破碎成极细的鳞片、碎屑。因此，巷道围岩的矿物成分种类及其相对含量均会对围岩的变形、整体性及稳定性造成较大的影响，应注意防水和加强支护。

表1 矿物成分含量

2 中空注浆锚索支护技术

2.1 技术机理

在巷道开挖后，随着巷道围岩卸荷程度的减弱，巷道围岩变形主要是巷道围岩离层、滑动、裂隙张开等碎胀变形量，中空注浆锚索支护技术是通过将锚索进行组合，通过钻机将其打入钻孔，通过注浆使少部分浆液经由注浆锚索的孔进入周围围岩的裂隙中，大部分浆液注入到更深部的围岩裂隙。等到注浆段浆液凝固后，对锚索施加预应力，外锚固段用托盘等锁具锁紧。应力以点载荷形式转化为面载荷均匀分布在更为广阔的支护物结构面上，使被支护体受到更为均匀的挤压。在预应力作用下，围岩改善了应力状态，提高了抗变形破坏的能力[11]。

和普通锚杆支护相比，采用高强中空注浆锚索进行围岩体强度强化及变形控制，会使巷道围岩裂隙完全充满浆液（注浆压力适当增大，2~3MPa），深部围岩胶结成一整体，能增强围岩自稳能力。中空注浆锚索支护设计见图1。

图1 中空注浆锚索支护设计图

2.2 锚索布置参数

中空注浆锚索每组由9根Φ22×7000mm（长度）的钢绞线组合而成（见图2），注浆锚索间排距按1200×1600mm分布，锚杆锚索间隔布置。中空注浆锚索允许外露长度不超过0.5m，中空注浆锚索盘采用厚度为20mm槽钢与16mm钢板焊接加工而成，20mm槽钢长度0.5m，16mm钢板长度0.4mm。

图2 中空注浆托盘及锁具

2.3 注浆材料选择

戛达矿区巷道围岩含有绿泥石等亲水性矿物，在水环境下强度下降严重，体积膨胀迅速，但若采取水泥浆液为注浆材料则又不利于巷道围岩强度的增加，综合材料的力学性能、经济因素、注浆效果、现场实际情况等因素，高水速凝材料是最好的选择[12-13]。BX-1型高水速凝材料是近年研制出的一种新型注浆材料，主要特点是它可以速凝，水灰比调节范围大，浆液流动性好，渗透性强，材料本身固结后塑性好，能适应围岩变形、高水条件下具有微膨胀性，成本较低。因此，决定选用BX-1型高水速凝材料作为巷道加固注浆材料。

2.4 注浆加固参数

注浆加固参数如表2所示。

表2 主要注浆加固参数表

2.5 注浆系统

BX-1型高水材料出厂后分为甲料、乙料、加甲料及加乙料四部分，制浆时加甲料与甲料混合形成甲料浆，加乙料与乙料混合形成乙料浆，需要甲料浆和乙料浆分别加水搅拌输送，要求必须等量进浆、混合均匀，在注浆处混合，甲、乙料浆单独搅拌、输送均不凝固，混合后能快速凝固，其强度才能达到最大。因此，要求注浆泵应能够保证同时进浆，甲、乙料浆等量，从根本上保证注浆的质量。

搅拌桶分别搅拌甲料浆、乙料浆，双液注浆泵分别对两种浆液加压，双趟高压管路输送浆液，通过混合器混合后注入需加固巷道。

3 数值模拟分析

戛达回风井含有遇水易膨胀的绿泥石，属于典型的软岩巷道，围岩结构松散、塑性区范围大，抗变形能力差，受开采扰动与构造应力叠加形成复杂的力学环境，巷道围岩极易产生大变形。为了验证中空注浆锚索支护技术的合理性与科学性，采用数值模拟对支护方案与未支护情况下的巷道围岩变形破坏情况进行了对比分析。

采用FLAC3D数值模拟软件对总回风井变形破坏机理的进行分析。所建立的三维模型的尺寸为：高×长×厚=50m×50m×20m。具体模型见图3所示，生成的网格共划分为38975个单元，37875个节点。模型的边界条件为:下边界：位移为零；左、右、前、后边界：水平构造应力；上边界：自由边界（地表）。

图3 巷道三维数值模型

在本次分析中，根据地应力测试结果结合埋深确定模型垂直应力取为9.3Mpa，水平应力取为21.2Mpa，准则破坏采用摩尔-库仑（Mohr-Coulomb）。

未支护条件下的巷道围岩位移云图如图4所示，支护条件下的巷道围岩位移云图如图5所示。未进行中空注浆锚索支护时，巷道顶板、底板变形严重，顶板区域的下沉高达0.4m，底板的底鼓量达0.3m。而采取了中空注浆锚索的支护方案后，巷道围岩位移云图得到了明显改善，巷道顶板下沉量仅为0.01m左右，底板的底鼓量仅为0.02m，和未支护前相比大大减少，说明中空注浆锚索的支护方案可以有效控制巷道围岩的变形。