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软岩巷道硐室锚注联合加固技术

　1 锚注联合加固机理

　　软岩巷道的维护一直是煤矿生产建设中的难题,在软岩内布置巷道和硐室,围岩变形量大,稳定性差,不仅施工困难,而且屡遭破坏,往往必须要反复修理,严重影响矿井的正常生产和安全状况。关于软岩巷道的支护,国内外尚无任何可“包治百病〞的万能支护方法,只能“对症下药〞;采纳的支护措施,只有满足其变形力学机制的要求,才干取得优良效果。

　　被动性支护方式中,刚性支架、碹体等支护体,由于让压性能极低,根本不能适应软岩巷道的围岩变形规律的要求;而以U型钢为代表的各种可缩性金属支架,虽有一定的让压能力,也因难以满足软岩巷道围岩庞大变形量的要求,无法获得满意的支护效果。作为主动性支护方式的传统锚喷支护技术,也已不适应高应力、大变形的软岩巷道(硐室)的控制。

　　近年来发展起来的锚注联合加固支护技术是一种将现代注浆加固技术、柔性锚索加固技术与传统锚喷支护技术有机地结合在一起的新型加固支护技术。是一种较理想的把碎岩由载荷变为承载体,有效改善软弱围岩性能的技术措施。它综合了锚杆加固技术和注浆加固技术的所有优点,并在此基础上衍生出了许多新的特点,成为解决高应力工程软岩安全维护的有效手段,其显著优点如下:

　　(1)与传统锚喷支护技术中喷混凝土层的作用原理相比,浆液的注入能够显然改善岩石的物理力学性质;浆液充填到岩石块间的孔隙之中,使破碎岩石块重新胶结成一体,从而提升了岩体的整体强度和稳定性。

　　(2)在锚注联合加固支护体系中,由于浆液能够与岩体及锚杆全面接触,将杆体内、杆体与钻孔间隙、四周岩体的缝隙全部充填满,从而形成“网络〞效应,如同自然界中树木的主根与须根的共同固结作用一样,使锚杆受力传递的可靠性和连续性得以充分保证,全面调动了围岩的自身承载能力,同时使锚杆、锚索自身的加固性能得以充分发挥。

　　(3)注浆后杆体与地下水、空气间的联系全部中断,彻底阻止了锈蚀反应,从而确保了锚杆的长期锚固能力,确保了支护体系的长期稳定性。

　　(4)在锚杆、锚索和浆液的共同作用下,注浆范围内的所有岩石被胶结加固成一个整体圆涵,保护着整个巷道(硐室)的自由空间。

　　(5)长达数米的柔性锚索的加入,使锚注联合加固支护体系中的“加固拱〞厚度大增,而“加固拱〞厚度的增加,从根本上为大断面巷道(硐室)安全维护奠定了技术基础。

　　2 锚注加固参数制定

　　2.1注浆加固强度要求及注浆孔合理深度实施围岩注浆施工时,影响注浆效果的参数很多,如:注浆压力、注浆顺序、注浆时间、注入量、水灰比、添加剂种类、注浆孔深度等。通过合理制定与有效控制这些注浆参数,目的是使最终加固效果达到最正确值,使浆液充分注入围岩裂隙,将破碎围岩固结在一起,形成完整的岩体,变载荷为承载体,从而达到有效控制巷道变形的目标。通过实验室模拟测定和工程施工验证,注浆加固强度和注浆孔深度对最终效果影响较大。

　　(1)注浆加固强度要求。室内模拟试验及工程施行验证结果说明,当破碎围岩强度提升幅度达到50%~75%时,围岩变形量显著减小。低于50%时控制效果显然变劣,超过75%以后,随强度的提升,加固成本快速上升,但围岩变形量减小幅度变小。

　　综合分析认为,使围岩强度提升60%~70%比较合理。

　　(2)注浆孔深度。注浆孔深度直接影响注浆范围(围岩加固厚度范围)的大小,室内模拟试验及工程施行验证结果说明,随着注浆孔深度的加大,围岩位移量逐渐减小(控制效果逐渐提升),底鼓量减小幅度尤为显然。当注浆孔深度达到2.0~3.5m时,围岩位移量显著减小。此后再增加孔深,减幅变小。

　　综合分析认为,最经济合理的注浆孔深度为2.5~3.0m。

　　2.2可注浆式锚杆及变径钻孔结构锚注联合加固施工成功与否的关键因素之一,是可注浆式锚杆锚固段与钻孔岩壁间的密封性和锚固性可否得到保证。工程施工要求所用的密封锚固材料既具有优良的密封性能又能快速提供足够抵抗注浆压力的能力,还要求施工方便、快捷、可靠。经过多年探究,我们独家研制的变径钻孔可注浆式锚杆注浆组合体系实际应用效果甚佳。

　　(1)可注浆式锚杆结构。变径钻孔可注浆式锚杆由外径Φ18~20mm的厚壁无缝钢管制成(壁厚3~4mm),沿长度方向上分为锚固注浆段、锚固封孔段和联接段三部分。锚固注浆段长度1000mm,分布有假设干个Φ5~8mm的射浆孔,主要作用是射浆和里段锚固;锚固封孔段长度650mm,其作用:一是将锚杆锚固在岩壁上,二是完成固管封孔任务,防止高压浆液外溢;联接段长度150mm,位于锚杆尾部,用于安装预紧螺母和联接注浆泵的出浆管。注浆段与封孔段之间设一挡环,主要作用是药卷限位和杆体定位。

　　(2)变径注浆钻孔结构及参数。变径钻孔由内外两段构成,外孔段采纳Φ42mm大孔径,内孔段采纳Φ28mm小孔径。钻孔深度:一般外孔段深度0.8m,终孔深度2.5~3.0m。

　　(3)中空膨胀型快速封孔药卷的结构。中空膨胀型快速封孔药卷长度通常为200~250mm,药卷内孔孔径为Φ20~22mm,药卷外径为Φ38mm,共有4个结构层组成,自内到外依次为内皮、金属网衬、药剂和外皮。

　　2.3注浆材料

　　在许多工程案例中,巷道围岩松动圈大,围岩空洞、裂隙多,注浆量大。此时,如何降低锚注联合加固的注浆成本显得尤为重要,在水泥类注浆材料中加入其它细骨料以降低水泥用量是解决问题的有效方法之一。发电厂废料———粉煤灰由于具有与水泥相近的颗粒尺寸、容重和级配分布,因而悬浮性好,常作为首选细骨料与水泥合并使用。一般粉煤灰含量为15%~25%,水灰比控制在0.65~0.75。

　　2.4注浆参数

　　(1)注浆压力。注浆压力受到围岩特性、浆材性能、注浆方式等因素的影响和制约。注浆压力过小,浆液难以向围岩中扩散,达不到预期注浆效果;假设注浆压力过大,可能导致在注浆过程中巷道表面冒顶或片帮。一般状况下,注浆终止压力宜控制在3~6MPa。围岩破碎严重的地点,可采纳分次注浆工艺,初次注浆压力宜控制在1.5MPa以下。

　　(2)注浆孔布置。注浆孔的布置应使相邻两孔浆液的径向分布能够在一定程度上互相贯透,且浆液的多余部分能充填固结体之间的孔隙,以确保注浆时不出现死角,经验说明,注浆孔间排距一般可取为注浆有效扩散半径的1.67倍,实际施工中常用间排距为3~4m。

　　3 注浆设备及施工工艺

　　3.1注浆设备

　　注浆设备主要包括注浆泵、高压胶管、搅拌机等,依据选型计算,注浆泵型号选为2TGZ-60/210型;浆液采纳风动搅拌机拌制,搅拌机型号选为LJ-200。

　　3.2锚注联合加固施工工艺

　　锚注联合加固施工工艺流程为:施工准备———钻孔———安装可注浆式锚杆———造浆———注浆施工———清理锚注机具。

　　3.3钻孔和安装锚杆

　　外孔段采纳一般7655(或YT26)型风钻打眼,配用长度1.0m、1.5m钻杆和直径Φ42mm一字型合金钻头。内孔段采纳风动锚杆打眼机,配用组合式接长钻杆和Φ28mm合金钻头。也可采纳一般7655风钻(风钻配用3.0m长钻杆)打眼。

　　每孔钻成后均应马上安装可注浆式锚杆,安装方法如下:首先往锚固封孔段套装上快硬水泥空心药卷,蘸水3~5s后迅速插入钻孔中,使可注浆式锚杆挡环贴紧到变径台阶上,之后用专门的捣杆将药卷捣实,使之与孔壁密接,然后戴上托盘、螺母和注浆联接头即告安装完毕。

　　3.4注浆施工

　　采纳搅拌机拌制浆液时,必须先在搅拌桶中放入适量的水,之后再缓缓倒入水泥和粉煤灰,浆液的水灰比控制在0.60~0.80范围内。搅拌时间关于浆材与水的充分混合有着非常重要的影响,搅拌时间太短,浆材与水混合不均匀,使浆液的流动性受到很大影响,因而搅拌时间一般不少于5min。按施工要求连接好注浆管路,调节注浆泵安全阀,经试转一切正常后方可正式开泵注浆;当注浆压力达到制定终压值时停止注浆。每排孔注浆顺序为先注下部孔,次帮肩孔,最后再注顶孔。

　　3.5全长锚固型预应力锚索

　　在采纳锚注联合加固技术治理硐室底鼓时,往往必须要安装锚索。传统做法是由打眼———下绳灌注———待升强度———张拉4道工序组成,其弊端在于:在进行张拉时,由于钢绞线已经被浆液固结体紧紧包裹住,因此张拉后实际产生预应力的仅有孔口四周的几个厘米段,主体部分无法产生预应力,也有的在下绳灌注时提前在钢绞线上涂抹油脂,此种做法虽能产生一些预应力,但实际已变成端锚结构了,最终效果大打折扣。为此创立的“二次灌注与张拉〞施工法,虽然工艺复杂化(增加为6道工序且施工要求高),但真正实现了“预应力〞和“全长锚固〞二者兼得,经过8年来的多次工程应用施行证实,对围岩变形的控制效果优良。

　　3.6锚注联合加固效果分析

　　对锚注联合加固巷道(硐室)进行的大量矿压观测说明:

　　(1)与未进行锚注联合加固的同等条件巷道(硐室)相比,实施锚注联合加固后,7~28d内顶板及两帮移近速度可降低35%~55%,平均降幅为45%;而在28d以后降低幅度为55%~95%,平均为75%。一般注后3个月逐渐趋于平稳,围岩两帮移近总量可减小1/3~1/2。

　　(2)底鼓速度在7~28d内降低率平均值约为35%;在28d以后降低率在50%~80%,平均为65%,比两帮移近速度减少率(75%)稍小。分析原因,多是巷道底板施工条件较差,压力不易控制,浆液渗透不到位所致。

　　4 结束语

　　本研究针对软岩巷道(硐室)常见条件,通过实验室试模拟试验和大量现场锚注联合加固应用验证,得到以下主要结论:

　　(1)锚注联合加固主要参数制定正确,研制的可注浆式锚杆结构合理、工作可靠性高。变径钻孔锚固注浆工艺国内独创,效果极佳。

　　(2)矿压观测结果说明,实施锚注联合加固后巷道围岩的顶板下沉及两帮移近速度、底鼓速度都能较大程度地降低,巷道(硐室)变形总量能够得到显然控制。该项技术关于控制软岩巷道(硐室)的变形具有显著效果。

　　(3)试验说明,注浆材料可依据工程重要程度的具体要求进行调整和选择,关于高要求工程,可选用高标号水泥浆或高强度化学浆;而在要求不太高的工程施工时,为了降低锚注联合加固成本,可选用较低标号水泥浆或在水泥浆中加入适量粉煤灰之类的细骨料以降低成本。