壁后注浆、锚杆、锚索联合支护在高应力巷道返修中的应用.pdf

98 随着矿产资源逐步向深部开采，面临着高应力等问题，围岩表现出明显的软岩特性，形成高应力软岩巷道1-2。一方面，高应力软岩巷道的围岩含有比较丰富的云母和高岭石等黏土矿物，遇水易膨胀，极大地降低了围岩的强度；另一方面，围岩的裂隙发育，变形大，对巷道的稳定性构成极大的威胁3-5。实践表明：40%以上的高应力软岩巷道需经过多次返修才能有效控制围岩变形，因此高应力软岩巷道成为国内外亟待解决的技术难题之一6。针对这一技术难题，国内外学者从理论分析、数值模拟和工程实践方面都进行了大量研究，柏建彪和李冲等学者对高应力软岩巷道支护原理进行分析，为高应力软岩巷道进行支护提供了理论依据7-8；杨新安和何满潮等学者借助数值模拟技术，对软岩巷道支护技术进行分析，为巷道的安全性分析提供指导9-10；齐干、于伟健和刘泉声等学者提出了围岩叠加拱承载体强度理论和分步联合支护等技术，并将其应用到工程实践中，这些研究成果在一定程度上解决了高应力软岩巷道支护技术难题14。但由于高应力软岩巷道所处的地应力环境和围岩特征的复杂性，不同的高应力软岩巷道表现出不同的破坏特征，高应力软岩巷道所处地应力条件复杂，围岩裂隙发育，强度较低，因此需要针对不同的高应力软岩巷道特点，采取特殊的支护手段。本文针对高应力软岩巷道大变形的特点，以某磷矿胶带斜井为研究对象，提出了以壁后注浆、锚杆和预应力长锚索为核心的“双拱协同”加固返修技术，从理论计算、工程类比和工程实践角度确定返修方案技术参数和工艺，运用现场监测手段对返修方案的效果进行验证，为高应力软岩巷道返修技术提供参考。1 巷道工程概况及变形情况1.1 巷道工程概况该磷矿胶带斜井是整个矿区皮带出矿的重要运输通道，服务整个矿山的生命周期，对矿山的可持续生产具有重要的作用。靠近深部的斜井巷道构造应力较壁后注浆、锚杆、锚索联合支护在高应力巷道返修中的应用李辉（中色非洲矿业有限公司，赞比亚基特韦 22592）摘 要：为研究高应力软弱围岩巷道返修控制技术，以某磷矿胶带斜井软岩巷道为研究对象，研究该巷道破坏特征、围岩变形机理及返修控制技术。借助 X 衍射仪对围岩矿物组份进行分析，表明围岩含有的黏土矿物遇水易膨胀，围岩强度显著降低。该巷道主要呈现顶板下沉严重、两帮向内挤压、钢拱架弯曲或折断等破坏特征，提出了以壁后注浆、锚杆和预应力锚索为核心的“双拱协同”加固返修方案。应用结果表明：巷道返修后，围岩的变形大大减小，经过 12 天，围岩变形速率迅速减小，经过 120 天，顶板的最大下沉值为 90.26mm，两帮最大移近量为 71.0mm，围岩变形速率趋于稳定，巷道稳定性得到有效控制，返修效果较好。关键词：高应力；软岩巷道；变形机理；双拱协同；巷道稳定性；返修 99 大，变形严重，前期采用钢拱架和喷砼联合支护，在标高+811m +758m 地段岩性为泥质页岩和泥质白云岩，巷道围岩富含孔隙、裂隙水，受上部含水层的影响，围岩弱化严重，顶板变形较大，局部出现支护体开裂和渗水现象，并有持续发展的趋势。根据前期的现场观测情况，顶板岩体变形严重，巷道断面明显减小，局部钢拱架支护失效，原有的支护体系已经不能保证巷道的稳定性，需变被动支护为主动支护，以提高围岩的自承能力。1.2 破碎带巷道围岩特性利用 X 衍射仪对该巷道围岩矿物组份进行分析，得到的矿物组份如表 1 所示，泥质页岩和泥质白云岩含云母和高岭石组份较高，遇水易膨胀、水解，围岩的强度大大降低，对巷道的稳定性构成严重的威胁。通过钻孔窥视仪对破碎带巷道围岩松动圈进行窥视，在两帮到孔口 0 50cm 范围内的岩体较完整，50 210cm 范围内岩体较破碎，210cm 后的岩体完整性较好，表明距离巷道孔口围岩较完整，围岩松动圈为2m，在松动圈范围之外的围岩完整性较好。1.3 巷道返修前围岩破坏特征该巷道为三心拱断面，巷道净宽 4.5m，高 3.5m，经过数次维修之后，采用了钢拱架、钢丝网和喷砼联合支护。巷道虽然经过多次维修，但巷道变形仍有持续增加的趋势，对矿山的安全生产构成严重威胁，因此必须对巷道进行返修。在现场对变形的巷道进行调查，发现巷道有以下几个方面的破坏特征：（1）巷道顶板变形严重，钢拱架变形较大。巷道处于高应力环境，上覆岩层自重应力作用导致巷道的顶板地压较大，原有的支护体系与巷道受力不匹配，喷层开裂，钢拱架压弯，局部巷道顶板下沉 500mm，出现巷道顶板变形严重，甚至出现冒落（如图 1 所示）。（2）巷道变形具有明显的时效性。前期巷道稳定一段时间后，巷道开始出现大的变形，随着时间的延长，由于快速蠕变的作用，巷道变形呈现快速增大的趋势，钢拱架呈现明显的受力特征，局部钢拱架出现压弯现象，甚至折断（如图 2 所示）。（3）受上覆岩层自重和地应力的影响，两帮围岩向巷道中心挤压，巷道断面变小。变形后的巷道断面为4.1m3.0m，虽然巷道经过数次维修，不超过 1 年，巷道的变形会持续增加。（4）岩体遇水发生碎胀作用，强度降低，在巷道顶部及两边出现冒顶、片帮等现象。岩体主要为泥质页表1 主要围岩矿物组份表岩性石英长石高岭石云母黄铁矿白云石方解石其他泥质页岩（%）12.310.333.423.24.22.28.26.2泥质白云岩（%）4.83.719.413.82.151.31.53.4图3 巷道监测位移变形图图4 巷道变形前后断面变化图图1 破碎带巷道顶板围岩下沉图2 顶板钢拱架支护失效 100 岩和泥质白云岩，含云母和高岭石较多，遇水易膨胀，围岩强度显著降低，岩体的自承能力下降。2 巷道变形机理分析通过对该磷矿胶带斜井加固段巷道进行现场调查，造成该巷道变形较大的主要原因如下：（1）高地应力对巷道的影响。巷道处于高应力环境，上覆岩层的自重应力作用导致巷道的底板地压较大，巷道压力显现强烈，导致喷层开裂，钢拱架压弯，因此出现巷道顶板变形严重，甚至出现冒落。（2）岩体性质对巷道围岩稳定性的影响。巷道所处岩性为泥质页岩和泥质白云岩，遇水易膨胀，而破碎带巷道上方为含水层，节理、裂隙发育，从而使地下水沿着裂隙向巷道围岩流动，受到上覆岩层自重和地应力的影响，围岩的强度明显降低，丧失自稳能力，导致围岩出现冒顶、片帮等现象，巷道严重变形。（3）原支护方案对围岩稳定性的影响。巷道支护前期，过于追求施工的速度，未对地质情况进行详细勘探，围岩的松动圈范围较大，岩性强度低，采取的支护形式不能适应巷道的变形要求，导致巷道变形出现持续增大的趋势。根据现场的调查分析，该磷矿胶带斜井虽然采用“钢拱架、钢丝网和喷砼”联合支护，但巷道的变形仍然很大，且巷道的变形有继续增大的趋势，若不及时进行返修，会导致巷道变形更大，最终导致整个巷道的失稳。3 返修方案支护机理及参数的确定3.1 返修方案支护加固机理通过对该巷道破坏特征及变形机理进行分析，提出以喷射混凝土、壁后注浆、锚杆和锚索联合支护技术为核心的“双拱协同”加固支护体系，图 5 为返修方案加固机理图，具体的支护加固机理如下：（1）喷射混凝土。巷道返修之前，在巷道表面喷射混凝土，与钢拱架、钢丝网形成一个整体，其作用主要体现在：可对围岩起到封闭的作用，为注浆提供良好的条件，防止漏浆；为锚杆、锚索的托盘安装提供有利条件，保证锚杆、锚索的安装质量。（2）壁后注浆。注浆加固技术不仅对巷道涌水具有良好的封堵作用，还对不良地层的改良有积极作用。壁后注浆，可对裂隙岩体进行充填，围岩的密实度增加，孔隙率减小，破碎围岩的强度增加，围岩的自承能力提高。（3）预应力锚杆、锚杆联系链。预应力锚杆既可对围岩应力状态起到恢复改善作用，起到组合梁、组合拱、悬吊和加固的作用。锚杆联系链将同一断面上的锚杆连接在一起，并与围岩相互作用，形成坚固的压缩拱，将松动的破碎围岩悬吊在稳定的岩层上，形成加固工程中的内拱。（4）高强度注浆预应力长锚索。长锚索的加固机理主要体现在两个方面：通过锚索孔注浆，提高围岩的自承能力；施加的高预紧力，使围岩形成承载拱，对内拱起到一定的悬吊作用。通过壁后注浆和树脂锚杆的作用形成加固中的内拱，注浆长锚索将内拱悬吊在稳定的岩层上，形成加固中的外拱，两者相互协同耦合作用，使得巷道在深部与浅部都形成注浆加固圈，提高围岩的自承能力，形成内、外拱相互支撑的耦合协同加固技术。3.2 支护方案设计3.2.1 注浆支护参数（1）浆液材料。选用水泥浆和水玻璃双浆液注浆，通过室内试验，最终确定的浆液配比为：水灰比 0.7，水玻璃的添加量为水泥质量的 5%，水泥采用 425 号普通硅酸盐水泥，水玻璃的浓度为 40mol/m3。（2）注浆方式。全孔采用一次性注浆，对于空区较大部分，采取分层注浆，若发生漏浆，需停泵后对漏浆部位进行封堵。（3）注浆孔深。根据现场钻孔窥视仪的探测结果，围岩松动圈的平均范围为 2.0m，因此确定的注浆孔深为 2.0m。（4）注浆孔间排距。为了保证两注浆孔之间破碎围岩中的浆液充分交汇，在给定的注浆压力下，注浆孔1.混凝土喷层；2.注浆孔；3.树脂锚杆；4.长锚索；5.破碎岩体；6.潜在不稳定岩层；7.稳定岩层图5 双拱协同加固方案支护机理 101 的间距应小于或等于 2 倍的浆液扩散半径，通过现场试验得到浆液的扩散半径为 2m，取注浆孔的排距为 3m，注浆孔间距为 2m。（5）注浆压力、注浆时间的确定。浆液以充填扩散方式为主，注浆时间为 1800 3600s，注浆压力为2 3MPa。根据确定注浆技术参数，每个断面布置 5 个注浆孔，两帮各布置 1 个注浆孔，顶部布置 3 个注浆孔，各注浆孔均呈向心布置，与巷道岩面垂直。3.2.2 锚杆、锚索支护参数结合现场施工条件及巷道变形破坏情况，确定的锚杆支护参数为：锚杆采用高强度树脂螺纹钢锚杆，端部为麻花段，麻花段长度为 20mm，锚杆规格为 20mm2400mm，锚杆孔直径 28mm，间距为850mm，排距为 1000mm，每根锚杆孔装 3 根中快速型树脂锚固剂，有效锚固长度 1200mm，锚固力不低于 7kN，托盘厚度不低于 10mm，预紧力扭矩不低于200Nm，锚杆支护断面如图 7 所示。根 据 窥 视 仪 的 窥 测 结 果，松 动 圈 的 范 围 为2m，结合理论计算与工程类比19-20，确定锚索的长 度 为 6m，15.24mm 的 钢 绞 线，锚 索 间 排 距 为2000mm2000mm，张力为 8t，采用双孔锚具，锚索孔孔径为 90mm，锚索进行全长锚固，使用标号为 42.5的普通硅酸盐水泥对锚索孔进行注浆，注浆水灰比为0.35 0.4，排气管直径为 12mm，注浆管直径为25mm，注浆 7 天后，方可用张拉泵施加预紧力，锚索锚固力不低于 18kN，锚索支护断面如图 7 和图 8 所示。4 工程应用及效果分析4.1 返修方案施工工艺结合现场施工条件，返修巷道长度为 200m，需分段进行。返修巷道加固工程施工工艺顺序为：初喷混凝土钻孔注浆钻孔安装树脂锚杆安装长锚索复喷混凝土。首先对加固段巷道初喷 50mm 的混凝土，为注浆和安装锚杆、锚索创造有利条件，之后进行锚杆、锚索的安装，最后对巷道复喷 50mm 厚的混凝土，对巷道进行封闭。加固段巷道注浆孔排距与锚索孔排距错开布置，注浆顺序遵循“先下后上，先墙后拱”的顺序，其中两帮注浆孔的顺序可超前顶部孔的顺序。4.2 返修效果分析采用十字交叉法对修复前变形较大围岩进行变形量观测，沿加固段巷道自下而上每隔 20m 布置一个监测点，共布置 10 个监测点，这里主要给出修复前变形最图6 注浆孔布置图图7 锚杆、长锚索断面布置图图8 拱顶锚杆、长锚索布置图 102 大的 1 号断面和 2 号断面位移监测结果，图 9 为两个断面监测点的顶板下沉量和两帮移近量，1 号和 2 号监测点的顶板下沉量分别为 70.42mm 和 90.26mm，两帮移近量分别为 58.83mm 和 71.0mm，随着监测时间的增加，变形量逐渐增加，经过 50 天，围岩的变形量基本趋于稳定。图 10 为 1 号断面和 2 号断面监测点的位移变化速率趋势图，在修复 12 天后，两个监测点的顶板下沉变化速率和两帮位移变化速率迅速减少，1 号监测点在修复 25 天后，位移变形速率小于 1mm/d，2 号监测点在修复 30 天后，位移变形速率小于 1mm/d，随着时间的增长，变形速率逐渐减少，最后趋于稳定，围岩的变形得到有效控制。5 结论（1）该磷矿胶带斜井巷道围岩属典型的高应力软岩巷道，由于地应力大、围岩地质条件差及原有支护体（a）1号断面围岩表面位移 （b）2号断面围岩表面位移图9 试验段巷道围岩位移监测曲线系与巷道变形不匹配的原因，导致巷道经过多次返修之后仍破坏较严重，需针对不同类型的巷道采取特殊的支护体系。（2）根据巷道的变形失稳机理，制定了以注浆为基础，“锚杆、锚索”联合支护的双拱协同支护方案，分析了双拱协同加固方案的支护机理，其核心在于注浆提高围岩的自承能力，锚杆、锚索分别形成内拱和外拱对巷道进行协同耦合支护。（3）工程应用结果表明，巷道在返修 12d 后变形速率急剧减少，最后逐渐趋于稳定，通过双拱协同加固方案对巷道进行返修，遏制了围岩的进一步弱化，能较好地抑制巷道的变形，有效地提高了围岩的自承能力，双拱协同加固方案在破碎带巷道加固中的应用效果较好。参考文献：1方秋新，何杰，何加省.深部高应力软岩动压巷道加固技术研究J.岩土力学，2009，30（6）：1693-1698.（a）1号断面围岩变形速率 （b）2号断面围岩变形速率图10 试验段巷道围岩位移变化速度曲线 103 2 Meng Qingbin，Han Lijun，Yu Xiao，etal.Numerical simulation study of the failureevolutionprocessandfailuremodeofsurroundingrockindeepsoftrockroadwaysJ.InternationalJournal of 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