高应力软岩巷道锚注加固技术研究与应用

2023-03-07桑伟冲乔西如

山东煤炭科技 2023年1期

关键词：大巷锚索底板

桑伟冲乔西如

（山东能源集团鲁西矿业有限公司陈蛮庄煤矿，山东菏泽 274300）

陈蛮庄煤矿西翼胶带大巷埋深大、地应力高、围岩松软破碎，日常维护工作量较大，采用普通锚网索喷支护无法有效控制巷道变形。通过锚注加固方法可以提高巷道围岩强度，改善围岩的自承载能力，形成强度较大的围岩加固拱，满足现场使用要求。

1 概况

西翼胶带大巷布置在二叠系山西组3 上煤层底板（穿层布置），位于3206 工作面采空区下方约70 m，与西翼轨道大巷平面距离30 m。岩层倾角平均27°，大巷埋深约930 m。

巷道围岩以碳质泥岩、粉砂岩、细砂岩互层为主，其中碳质泥岩与煤接触面为滑面，破碎易风化；粉砂岩质硬但滑面明显，局部破碎且垂直裂隙较为发育；细砂岩灰色细沙粒状结构，互层状分布。其巷道围岩存在以下特点：

（1）巷道直接顶稳定性较差，含多层薄层泥岩夹层，层状节理发育，强度较低，为“复合软弱顶板”，对巷道稳定性控制影响较大[1]。

（2）巷道两帮为层理、垂直裂隙较为发育的泥岩、粉砂岩，滑面接触，由于岩层倾角较大，巷道围岩应力分布呈现出明显的非匀称性，岩层面之间易发生滑动现象，表现出围岩整体滑移，两帮整体变形。受附近回采活动的影响，岩层相对滑动现象将更加明显[2]。

（3）巷道直接底为遇水易膨胀的碳质泥岩、粉砂岩，强度低，易于发生底鼓现象。

（4）巷道穿层布置，部分地段巷道围岩泥质含量较高，且巷道顶板存在裂隙水，岩层湿度较大。高含水性对高泥质岩巷道的稳定支护有显著的负面影响。

2 巷道破坏机理分析

西翼胶带大巷巷道发生变形失稳是由多种因素造成的，主要包括复杂高应力环境、围岩弱面结构、原支护方式效率低以及返修方案不合理等。

（1）复杂高应力环境，是巷道失稳的主要原因。由于巷道处于背斜轴部高应力区，埋深大，岩层倾角大，巷道围岩应力分布及变形呈现出明显的非对称性，如图1。部分巷道段受到采动因素影响，处于显著的复杂高应力环境，且受相关工作面采动动压的反复作用影响，巷道围岩发生疲劳破坏。从现场的巷道变形特征分析，水平应力集中系数明显大于垂直应力集中系数[3]。

图1 大倾角作用下围岩呈现非对称变形模拟图

（2）原锚网索初次支护效率低，是巷道发生失稳的另一主要原因。巷道发生整体变形但锚杆受力较小，个别锚杆甚至出现不受力的情况，同时也出现锚杆因受力表面发生“内陷”并形成网兜等现象，锚杆、锚索在受力过程中出现较多尾部剪切破断现象。上述现象表明，锚杆支护效率偏低。

（3）围岩结构整体性差的固有特征进一步加剧了巷道变形。巷道穿层布置且巷道围岩岩性相变严重，同时巷道围岩层理发育，多为滑面接触，内生节理裂隙发育，岩层多为泥质胶结，遇水易膨胀，围岩整体性较差，在高应力作用下易发生整体变形[4]。巷道顶板为“复合软弱顶板”，在高应力作用下岩层面发生易离层以及层面滑移现象，如图2。

图2 “复合软岩顶板”离层滑移示意图

（4）返修方案选择不合理，未能有效控制巷道变形。对于巷道底板及两帮（尤其是有水的情况下）采用水泥浆加固条件下，因水泥浆液的渗透半径小、与泥质岩的胶结性能差、析水率高、凝结时间不易控制等缺点，对膨胀性岩层有很大的负面影响，有时非但不能起到有效的加固作用，反而有破坏影响。另外，水泥浆液加固围岩强度不足以满足抵抗其复杂高应力环境要求。

3 深井高应力软岩巷道围岩控制方案

通过西翼胶带大巷持续性变形原因分析可以发现，采用传统的锚网索喷支护对于深部永久性巷道的返修方案是不科学的，应该把巷道围岩看作相互作用的有机统一体。为解决以上问题，从改善围岩结构整体性、强化支护体系作用入手，采用“全断面高强抗剪锚网索+新型无机材料注浆加固”方式对巷道进行修复。即先施工高强高预紧力锚杆进行全断面支护，再进行新型无机注浆材料高压注浆加固，以实现所修复巷道的长期稳定性。

（1）针对在高应力巷道中易出现锚杆剪断的现象，从杆体材质和锚杆结构两方面入手，来提高锚杆的抗剪切能力。在锚杆托盘下方增加抗剪切构件，一方面防止表面围岩错动引发锚杆发生“孔口剪切”，另一方面可保证锚杆的对中性，可避免锚杆杆体与围岩的接触，减小围岩错动而引发锚杆剪切破坏的几率。

（2）针对传统水泥浆液注浆扩散范围小、与泥质岩的胶结性差、析水率高、对高泥质岩（尤其是膨胀性岩层）负面影响大的特点，采用新型注浆添加剂材料具有成本低、渗透性能好、抗压强度高等优点。

从表1 中可以看出，在浓度相同的情况下，新型无机注浆材料的黏度比水泥要小，初凝和终凝时间要短，抗折和矿压强度明显高于水泥。注浆后该材料的结石率稍大于1，说明材料有微膨胀的特性。新型无机注浆材料的渗透性是水泥浆液的10 倍，在相同浓度的情况下，新型无机注浆材料的渗透性大于水泥浆液，析水率小，抗折强度明显大于水泥，其与泥岩的胶结能力明显大于水泥浆液。

表1 新型无机注浆材料与普通水泥参数对比表

深井高应力巷道返修方案：将巷道刷至设计断面→顶板和两帮锚网索支护→巷道表面喷浆封堵（50 mm 以堵漏为目的）→初次底板注浆锚杆注浆→顶板、两帮注浆锚杆初次注浆→深孔注浆锚索高压注浆加固→钻孔窥视检查，不合格钻孔需复注。

3.1 注浆加固巷道断面布置方案

西翼胶带大巷在巷道修复完成后，施工注浆锚索、注浆锚杆，进行注浆加固。每排施工注浆锚杆11 根（包括底板施工4 根），顶、帮注浆锚杆第1 根布置在正拱顶，其他沿巷道中心线向两边对称布置，注浆锚杆间排距1800 mm×3200 mm。底板注浆锚杆每排施工4 根，间排距为1400 mm×3200 mm，沿巷道中心线向两边对称布置。每排施工注浆锚索3 根，第1 根布置在正拱顶，其他沿巷道中心线向两边对称布置，注浆锚索间排距3000 mm×3200 mm。

注浆锚索规格为Ф22 mm×6300 mm，每根注浆锚索使用2 块MSM2350 型锚固剂锚固，预紧力不低于150 kN，锚固力不低于450 kN。注浆锚杆规格为Ф20 mm×2000 mm，每根注浆锚杆使用1 块MSCK2335型锚固剂和1块MSM2350型锚固剂固定。

3.2 注浆施工方法

在巷道修复完成后，打设顶、帮注浆锚索、锚杆。底板注浆锚杆在底板成型后先浇筑止浆层厚150 mm，待凝固后按支护设计施工。按照底板、两帮、顶板的顺序对注浆锚杆、锚索进行注浆，最后对不合格的钻孔进行复注[5]。

注浆材料：注浆主要以水泥浆（P.O52.5）、新型无机添加剂材料为主，水泥浆按水泥:添加剂:水=1:0.1:0.22～0.33 的水灰比配制。

3.3 施工注意事项

（1）在进行高强高预紧力抗剪切锚杆施工时，应注意锚杆正确组装顺序。

（2）待巷道锚网索施工结束后，应及时进行注浆加固。

（3）复注时可根据现场注浆量和注浆压力情况，来确定或调整复注钻孔深度。

注浆锚杆锚索布置断面图及曲面图如图3。

图3 注浆锚杆锚索布置断面图及曲面展开图（mm）

4 锚注加固效果分析

为观察注浆完成后巷道顶底板及两帮移近量，采用十字交叉法对巷道进行观测，注浆段每20 m布置一组测点[6]。注浆完成后7 d 内每天观测一次，7 d 后每周观测一次，并与未注浆段矿压观测数据进行对比分析。未注浆段60 d 内顶底板最大移近量16 mm，帮部最大移近量22 mm；注浆段60 d 内顶底板最大移近量9 mm，帮部最大移近量7 mm。锚注加固使巷道围岩的整体性和强度得到提高，巷道表面位移有了较大程度的减小，保证了巷道的持久稳定性。如图4。