破碎围岩巷道全断面锚注加固支护技术研究与应用.pdf

372023 年第 8 期乔双鹏：破碎围岩巷道全断面锚注加固支护技术研究与应用收稿日期 2022-12-29作者简介 乔双鹏（1989），男，山西稷山人，2015 年毕业于太原理工大学采矿工程专业，本科，工程师，现从事采掘管理技术工作，研究方向：采煤。乔双鹏：破碎围岩巷道全断面锚注加固支护技术研究与应用破碎围岩巷道全断面锚注加固支护技术研究与应用乔双鹏（山西汾西矿业（集团）有限责任公司灵北煤矿，山西 晋中 031300）摘 要 为有效解决松散破碎围岩巷道变形严重、修复困难的问题，以两渡煤业轨道运输石门为工程背景，采用数值模拟确定了全断面锚注加固技术方案。试验结果表明，采用该加固技术后，巷道顶底板最大变形量125.5 mm，两帮的最大变形量 105.7 mm，变形量较原支护方案下大幅度减小，巷道围岩变形得到了有效控制。关键词 破碎；巷道；锚注；支护 中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.08.013Research and Application of Full Section Anchor Grouting Reinforcement Support Technology for Broken Surrounding Rock RoadwaysQiao Shuangpeng(Shanxi Fenxi Mining Industry(Group)Co.,Ltd.,Lingbei Coal Mine,Shanxi Jinzhong 031300)Abstract:In order to effectively solve the problems of severe deformation and difficult repair of loose and broken surrounding rock roadways,taking the railway transportation crossdrift of Liangdu Coal Industry as the engineering background,a full section anchor grouting reinforcement technology scheme is determined by using numerical simulation.The experimental results show that after using this reinforcement technology,the maximum deformation amount of the roof and floor of the roadway is 125.5 mm,and the maximum deformation amount of the two sides is 105.7 mm.The deformation amount is significantly reduced compared to the original support scheme,and the deformation of the roadway surrounding rock is effectively controlled.Key words:broken;roadway;anchor grouting;support1 工程背景山西汾西矿业两渡煤业+240 m 水平轨道运输石门整体位于 2 号煤层下方，埋深 650 m。巷道为直墙半圆拱形，宽和高分别为 4400 mm 和 3800 mm，拱墙高度 1500 mm，截面积 14.6 m2。巷道支护采用“U 型钢+锚杆+喷射混凝土”。2 围岩变形破坏特征及影响因素2.1 变形特征1）大变形。在轨道运输石门的部分位置巷道拱顶下沉量可达 0.9 m，巷道底板隆起量达 1.2 m。2）高变形速度。现场测量结果表明，围岩变形速度为 5.53 mm/d，部分地区的变形速度达到 8.9 mm/d，断面收缩率最大达到 68%。2.2 变形影响因素1）地应力大。由于巷道埋深较高（650 m），原位应力较大，围岩压力较高，是巷道围岩发生变形破坏的主要原因。在较高地应力作用下，围岩变得松散破碎且在局部范围内裂隙较发育。2）巷道围岩强度低。轨道运输石门的围岩主要由泥岩组成，在水的浸润下容易吸水发生膨胀，泥岩平均抗压强度为 25 MPa，抗压强度较低，稳定性差。3）巷道拱顶位置渗漏水严重，促进了裂缝的发展。同时，开采活动的影响，巷道围岩变形加剧。4）巷道不合理的支护方式。原支护方案采用“U型钢+锚杆+喷射混凝土”的联合支护方式，如图1。U 型钢纵向间距为 600 mm，喷射 C25 混凝土的厚度为 100 mm，锚杆直径 22 mm、长度 2200 mm，382023 年第 8 期环向间排距为 2000 mm1500 mm，梅花形布设，拱部锚杆与巷道围岩表面全部垂直，拱脚处锚杆距离路面 500 mm，向下与水平方向呈 20打设。由于围岩松散破碎，锚杆和围岩很难形成稳定的整体的支护结构。现场勘察发现，部分锚杆没有有效锚固在围岩上，锚固效果较差，支护方式没有利用到巷道深部稳定岩层的自承能力。图 1 巷道原支护方案图（mm）3 全断面锚注加固技术3.1 加固技术机制在复杂的地质力学环境条件下，大量的巷道围岩支护实践表明，在巷道开挖、围岩释放出一定的压力后，应在浅层围岩中通过注浆建立浅层支护壳，然后打入锚索进行锚固，在深层围岩注浆，形成深层支护壳。浅层和深层支护壳可以有效地控制巷道变形，并隔离地下水，保持巷道围岩长期稳定1-5。3.2 加固技术方案在双壳锚固注浆加固机制的基础上，轨道运输石门全断面锚固注浆加固技术设计如下：1）浅层注浆。注浆孔直径 42 mm，孔深 2500 mm，拱部注浆孔间排距 3000 mm1000 mm，采用梅花形布设。拱部注浆孔与巷道围岩表面全部垂直，拱脚处注浆孔距离路面 500 mm，向下与水平方向呈 20。在注浆孔内埋设 2.0 m 的射浆管，通过射浆管进行注浆作业。采用水泥-水玻璃双液浆的注浆材料，注浆压力约为 2.5 MPa，水灰比为 0.8，水玻璃的浓度为 50B，模数为 3.0，水泥浆液与水玻璃的体积之比为 2:1。2）在巷道的顶板和两帮布设锚索，同时在锚索孔内埋设 6.0 m 的射浆管，通过射浆管进行注浆作业。采用水泥-水玻璃双液浆的注浆材料，注浆压力约为 4.0 MPa，水灰比为 0.8。将锚索全长进行锚固，以充分发挥锚索的支护作用。3）巷道底板采用长锚索和深层注浆相结合的方法进行加固。由于巷道底板围岩松软破碎，在底板位置难以打孔，首先对底板 6 m 范围内的岩层进行初步注浆，以便锚索钻孔和深层注浆。注浆材料和方法同巷道顶板和两帮一致。浅层注浆孔的布置如图 2，锚索布置如图 3。图 2 浅层注浆孔布置图（mm）图 3 锚索支护布置图（mm）3.3 数值模拟验证根据轨道运输石门的地质条件，运用 FLAC3D软件建立尺寸为 55 m20 m55 m 三维模型。在模型计算过程中，锚杆索采用 cable 单元，混凝土衬砌采用实体单元 Elastic 模型。模型四周设置为水平约束边界，底面设置为固定约束边界，顶部设置为自由边界，同时施加等效荷载。各岩层物理力学参数见表 1。计算所得巷道围岩竖向位移分布云图如图 4，巷道围岩塑性区分布云图如图 5。原支护技术方案下，巷道围岩变形严重，顶底板变形量约 538.7 mm；当采用全断面锚注加固支护技术时，顶底板最大的变形量约为 116.3 mm。由塑性区的范围可以看出，原支护技术方案下，巷道拱顶和底板的塑性区深度分别为 8.1 m 和 3.3 m，两帮塑性区最大深度392023 年第 8 期乔双鹏：破碎围岩巷道全断面锚注加固支护技术研究与应用约 11.7 m；采用全断面锚注加固支护技术后，巷道拱顶和底板的塑性区深度分别为 4.8 m 和 1.1 m，两帮塑性区最大深度约 5.5 m，塑性区范围明显减小。表 1 围岩物理力学参数岩性摩擦角/（）黏聚力/MPa剪切模量/GPa抗拉强度/MPa体积模量/GPa砂质泥岩232.92.10.54.7细粒砂岩324.95.61.88.3泥岩222.75.11.67.2煤层181.91.30.31.3中粒砂岩395.35.51.67.9（a）原支护方案 （b）加固方案图 4 巷道围岩竖向位移云图（a）原支护方案 （b）加固方案图 5 巷道围岩塑性区分布云图4 工业性试验在巷道加固期间安设 2 组测量站，监测巷道顶底板及两帮的围岩变形情况。围岩观测站按每周 1次进行测读和记录，监测时间共计 180 d。由监测结果所得巷道变形曲线如图 6。由图 6 可以看出，巷道顶底板最大变形量为125.5 mm，两帮的最大变形量为 105.7 mm。在前120 d 巷道的变形速率较大，此后变形速率逐渐减慢，140 d 后，巷道的变形量和收敛速率保持稳定。全断面锚固注浆支护技术在监测结果与数值计算结果上有较好的一致性，围岩变形量相对较小，满足矿井安全生产的要求。（a）测站 1（b）测站 2图 6 巷道围岩变形曲线图5 结语1）通过计算分析，轨道运输石门采用全断面锚注加固技术后，围岩变形与塑性区范围明显减小。2）现场工业性试验结果表明，采用全断面锚注加固技术后，巷道顶底板最大变形量为 125.5 mm，两帮的最大变形量为 105.7 mm，变形量较原支护方案下大幅度减小，表明该技术方案对破碎围岩巷道变形控制的有效性。【参考文献】1 刘海东，刘向忠，刘伟冬.顶板破碎围岩巷道“锚护喷注”一体化支护技术研究 J.煤炭工程，2021，53（10）：52-56.2 张文，陶宇.化学注浆复合支护技术在软岩巷道中的应用 J.矿业研究与开发，2016，36（10）：99-102.3 郭海明.回采巷道掘进过围岩破碎带支护参数优化 J.山东煤炭科技，2022，40（02）：50-52.4 李纯财.松软破碎煤巷锚网支护及强效锚固技术研究 J.煤炭技术，2021，40（07）：37-39.5 朱树来，张峰.极软突出煤层围岩破碎带巷道掘进综合施工技术 J.煤炭工程，2015，47（03）：55-57.