赵万里1ꎬ2 ꎬ杨战标1ꎬ2
(1.中国平煤神马能源化工集团有限责任公司 炼焦煤资源开发及 综合利用国家重点实验室ꎬ河南 平顶山 467099ꎻ 2.中国平煤神马能源化工集团有限责任公司 能源化工研究院ꎬ河南 平顶山 467099)
摘 要:针对平煤一矿深部软岩巷道存在埋深大、应力高、围岩强度低等特点ꎬ传统锚网索支护技术难 以保障巷道长期稳定ꎮ 在采用高强锚注支护材料和优化注浆工艺参数的基础上ꎬ提出了强力锚注支 护技术ꎬ以直径 25 mm 全螺纹高强中空注浆锚杆和直径 29 mm 螺旋肋中空注浆锚索为核心的全断面 锚注一体化支护方案ꎬ采用高强支护、高灰水比、高压力扩散、大范围锚注加固支护工艺ꎮ 现场工程试 验表明:强力锚注支护实现了锚杆/ 锚索全长锚固ꎬ提高了巷道围岩的整体性和承载性能ꎬ顶板变形量 降低了 40%以上ꎬ有效控制了深部复杂困难条件下巷道围岩变形ꎬ而且施工工艺简单ꎬ成本较低ꎮ
关键词:深部矿井ꎻ软岩巷道ꎻ强力锚注ꎻ注浆加固
0 引 言
随着采深的不断加大ꎬ复杂条件下巷道支护问 题显得尤为突出[1-2] ꎮ 传统的高强锚网索支护或 U 型钢与锚网索联合支护方式难以满足深部巷道的持 续稳定ꎬ巷道断面收缩量极大ꎬ造成巷道前掘后修ꎬ 牵制了矿上大部分人力、物力和精力ꎬ支护成本高ꎬ 严 重 制 约 了 矿 井 正 常 生 产 接 续 和 安 全 高 效 发 展[3-4] ꎮ 近年来ꎬ国内外众多学者对深部巷道围岩 结构特点和支护技术进行了卓有成效的研究ꎮ 文献 [5]通过对锚注结构的承载特性以及巷道流变变形 进行了理论分析ꎬ得到了锚注结构承载力的计算公 式ꎬ方便了对锚注支护软岩巷道位移场的预测预报ꎻ 文献[6]针对深部软岩巷道提出了集密集高强锚杆承压拱、厚层钢筋网喷层拱和滞后注浆加固拱于一 体的锚喷注强化承压拱支护技术ꎬ并阐明其成拱及 强化支护的机理ꎻ文献[7] 提出了采用高预紧力、强 力锚杆支护系统ꎬ必要时配合注浆加固ꎬ强调锚杆预 应力及其扩散的决定性作用ꎬ能有效控制巷道围岩 的强烈变形ꎻ文献[8]建立了非连续“双壳”围岩控 制理论ꎬ形成了“U 型钢(外部应力支护壳体) +柔性 垫板(柔性层) +锚杆锚索注浆( 内部应力加固壳 体) ”的非连续“双壳”围岩控制关键技术ꎬ并在高应 力、高瓦斯工程软岩巷道应用取得了良好的支护效 果ꎮ 高强锚注支护作为目前新型的支护技术将锚 杆/ 索支护技术和注浆加固技术的两者优势集成一 体ꎬ在保证巷道的高强支护的同时ꎬ实现对围岩结构 的加固ꎬ提升了围岩的整体承载能力ꎬ成为治理深部 高应力软岩巷道失稳的最有效方式之一ꎮ 因此ꎬ深入 的研究和推广锚注一体化技术具有重要的现实意义ꎮ
1 工程概况
平煤一矿三水平下延戊一上山采区回风上山是 确保北山风井与三水平贯通的 1 条重要回风巷道ꎬ 强力锚注支护试验段位置如图 1 所示ꎬ巷道埋深超 过 1 000 mꎬ最大水平主应力达到 36 MPa 以上ꎬ戊组 煤位于巷道底板位置ꎬ距巷道底板最近处为 20. 33 mꎮ 围岩强度低ꎬ以灰色、灰绿色砂质泥岩为主ꎬ其 次为灰白色ꎬ灰色及灰绿色细粒砂岩ꎬ钙质胶结ꎬ中、 厚层状ꎬ具斜层理及交错层理ꎮ 巷道所处层位无大 型地质构造ꎬ只存在个别小型节理ꎬ巷道附近 40 m 范围内无跨巷情况ꎬ即无采动影响ꎮ
图 1 强力锚注支护试验段位置
Fig.1 Site of strength blot-grouting experiment
该巷道为典型的深部高应力软岩巷道ꎬ由于其 地应力高、围岩强度低、整体性差[9-10] ꎬ原支护形式 采用“两锚两注”方式ꎬ即一次锚网索喷后采用 ø20 mm×1 000 mm 薄壁钢管浅部注浆ꎬ二次锚网喷后再 采用 ø20 mm×2 000 mm 薄壁钢管深部注浆ꎬ注浆材 料以水泥单液浆为主ꎬ两次注浆压力分别不大于 2、 3 MPaꎮ 由于注浆压力低、浆液扩散范围小ꎬ顶板下 沉严重、底鼓现象普遍存在ꎬ围岩持续变形ꎬ巷道断 面收缩量大ꎬ严重影响生产运输ꎬ巷道返修频率高ꎬ 且支护成本高ꎬ工艺繁琐[11] ꎮ 为此ꎬ采用强力锚注 一体化支护技术ꎬ即高强中空锚杆/ 索、高强抗缩性 注浆材料、高注浆压力对巷道大范围围岩进行锚注 加固ꎬ构成“三高一大”的锚注体系ꎬ对回风上山进 行支护试验ꎬ试验区段长度 150 mꎬ以期提高巷道围 岩强度和整体性ꎬ实现巷道持续稳定ꎬ降低支护 成本ꎮ
2 巷道围岩结构特征
巷道围岩体内部含有各种各样的不连续面ꎬ如 节理、裂隙等ꎬ这种不连续面的存在显著的改变了岩 体的强度特征和变形特征ꎬ因此ꎬ通过钻孔窥视仪获 得围岩结构特征对了解巷道围岩状态、制定巷道支 护设计参数非常重要ꎮ 顶板围岩结构窥视结果如图 2 所示ꎬ回风上山顶板岩性以泥岩为主ꎬ遇水泥化非 常严重ꎬ围岩破碎范围在 4 m 左右ꎮ 顶板以上 1.5 m 内围岩非常破碎ꎬ存在大量主导裂隙面ꎬ离层距离较 大ꎻ顶板以上 1.5 ~ 4.0 m 范围内围岩以裂隙带形式 分布ꎬ且裂隙密度逐步减小ꎻ顶板 4 m 以上区域围岩 完整性相对较好ꎬ未见明显裂隙、离层ꎬ但孔壁存在 泥块剥离现象ꎮ
图 2 顶板围岩结构窥视结果
Fig.2 Observation results of roof rock structure
帮部钻孔窥视结果如图 3 所示ꎬ巷道帮部岩性 以泥岩为主ꎬ遇水后泥化非常严重ꎬ围岩破碎范围在 1.2 m 左右ꎬ较顶板破碎程度和范围明显减小ꎮ
图 3 帮部围岩结构窥视结果
Fig.3 Observation results of roadway-rib rock structure
巷道帮部喷浆层壁后 0.3 m 范围内围岩非常破 碎ꎬ成块状分布ꎻ帮部在 0.3 ~ 1.2 m 范围内围岩以裂隙带向节理带转换形式分布ꎬ裂隙密度逐步减小ꎻ顶 板 1.5 m 以上区域围岩完整性相对较好ꎬ未见明显 裂隙、离层ꎬ但孔壁存在泥块剥离现象ꎮ
3 巷道支护设计
由于回风上山巷道为新掘巷道ꎬ且地质条件较 好ꎬ区域无重大地质构造ꎬ可按照传统悬吊理论计算 锚杆支护参数ꎮ
1)锚杆长度计算公式为 L ≥ L1 + L2 + L3 其中:L 为锚杆长度ꎬmꎻL1 为锚杆锚入稳定岩 层深度ꎬ一般长度取 1. 0 mꎻL2为锚杆的有效长度ꎬ mꎮ L3为锚杆在巷道中的外露长度ꎬ一般取 0.1 mꎮ 其中:L2 = [ B / 2 +Htan 45°-ω/ 2 ( ) ] / f d = 1. 32 mꎬ其 中:B 为巷道开掘宽度ꎬ取 6. 3 mꎻH 为巷道开掘高 度ꎬ取 5.0 mꎻf d 为顶板岩石普氏系数ꎬ取 3ꎻ ω 为两 帮围岩的似内摩擦角ꎬ ω = tan -1 f d ( ) ꎮ 计算可得L = 2.42 mꎮ 根据围岩结构特征观测结果ꎬ其主导裂隙 发育范围主要集中于 2.0 m 内ꎬ因此根据理论计算 和现场实测结果ꎬ可选用长度为 3. 0 m 中空注浆 锚杆ꎮ
2)锚杆间排距计算公式为 A ≤ G KLγ 其中:A 为锚杆间排距ꎬmꎻG 为锚杆设计锚固力ꎬ 80 kN / 根ꎻk 为安全系数ꎬ取 2ꎻL2为锚杆有效长度ꎬ取 2.0 mꎻγ 为岩体容重ꎬ取 25 kN / m3 ꎻ计算得 A = 0.9 mꎮ 通过计算选择锚杆间排距均值不得大于 0.9 mꎬ因此 巷道支护设计确定锚杆间排距取 0.7 mꎮ
3)锚杆锚固力计算公式为 Q = K A2Hγ 其中:Q 为锚杆锚固力ꎻK 为安全系数ꎬ取 2ꎻA 为锚杆间排距ꎬ取 0.7 mꎻH 为需要悬吊的岩层厚度ꎬ 取 2.5 mꎻγ 为承载岩体容重ꎬ取 25 kN / m3 ꎻ计算可 得 Q= 61.25 kNꎬ采用 1 卷 2850 树脂锚固剂端锚锚 固力不低于 80 kNꎬ满足要求ꎮ
4)锚杆截面积计算公式为 S ≥ KA2 Lγ ∕ σs 其中:S 为锚杆截面积ꎻK 为安全系数ꎬ取 2ꎻA 为锚杆间排距ꎬ取 0.7 mꎻL 为锚杆长度ꎬ取 3 mꎻγ 为 承载岩体容重ꎬ取 25 kN / m3 ꎻσs 为锚杆抗拉强度ꎬ这 里取屈服强度 0.5 GPaꎻ通过计算锚杆截面积大于 147 mm2即可满足支护要求ꎬ直径 25 mm 高强中空 注浆锚杆ꎬ壁厚为 7 mmꎬ破断强度不低于 500 MPaꎬ 杆体截面积为 396 mm2满足要求ꎮ
5)锚索长度应满足: L≥La +Lb +Lc +Ld 其中:L 为锚索总长度ꎬmꎻLa为锚索深入到较稳 定岩层的锚固长度ꎬmꎻLb为需要悬吊的不稳定岩层 厚度ꎬ按照锚杆长度计算取 3.0 mꎻLc为托盘及锚具 的厚度ꎬ取 0.1 mꎻLd为外露张拉长度ꎬ取 0.3 mꎻ其 中:La≥Kd1 f a / (4f c) ꎬ其中:K 为安全系数ꎬ取 2ꎻd1为 锚索直径ꎬ取 29 mmꎻf a 为锚索抗拉强度ꎬ取 1 770 MPaꎻf c为锚索与锚固剂的粘合强度ꎬ取 10 N / mm2 ꎮ 计算可得 La = 2.57 mꎮ 则: L = 5.97 mꎮ 现场采用声 波探头多点位移计进行围岩变形监测ꎬ围岩变形主 要集中于 6.0 m 范围内ꎻ根据围岩结构观测结果ꎬ其 全部裂隙发育范围在 4.3 m 以内ꎬ综上采用 8.3 m 锚 索满足要求ꎮ
6)注浆参数直接影响到强力锚注支护效果ꎬ为 了保证强力锚注支护质量ꎬ在现场试验期间开展了 相关的研究工作ꎬ对注浆参数进行优化设计[12-13] ꎮ ①注浆材料采用水泥基注浆材料ꎬ浆液水灰比为 1 ∶ 2ꎬ并添加 ACZ 系列注浆改良剂ꎬ使得注浆材料 具有稳定性高、流动性好、固化体积微膨胀优点ꎬ明 显改善水泥浆液的可注性和锚注支护效果[14] ꎮ ②注浆压力需要采用高压力注浆[15] ꎬ先注锚杆后注 锚索ꎬ锚杆注浆压力不低于 7 MPaꎬ锚索注浆压力不 低于 10 MPaꎬ以保证水泥浆液的扩散效果和强化对 微裂隙的渗透和劈裂作用ꎬ满足较好的锚注一体化 支护效果ꎮ ③高应力软岩巷道开挖后围岩裂隙表现 出先充分发育后又转向闭合的过程ꎬ其渗透系数呈 现逐渐增加达到最大又进一步降低的变化规律ꎬ因 此注浆时机应该在围岩变形的某个阶段ꎬ选择渗透 系数较大的时间段注浆ꎬ有利于提高围岩的可注性ꎬ 方便注浆作业ꎮ 根据观察围岩裂隙发育趋势和矿压 监测结果ꎬ考虑到浆液固化时间问题ꎬ注浆时机采取 滞后区别注浆技术ꎬ在巷道掘出后 3 ~ 5 d 或滞后掘 进工作面 10 ~ 20 mꎬ巷道变形破坏不明显ꎬ围岩裂隙 发育主要集中于围岩浅部 2 m 范围内ꎬ适宜中空注 浆锚杆进行浅部注浆ꎻ锚杆注浆完成后 5 ~ 8 d 或滞 后掘进工作面 30 ~ 50 mꎬ围岩浅部注浆帷幕形成并 固化ꎬ适宜于中空注浆锚索进行高压深部注浆ꎮ
4 支护方案
1)锚杆施工参数ꎮ 注浆锚杆长度 3 000 mmꎬ直径 25 mmꎬ全长连续螺纹结构ꎬ破断力不低于 200 kNꎬ配 150 mm×150 mm×10 mm 方形托盘ꎬ间排距 700 mm×700 mmꎬ采用 1 卷 2850 树脂锚固剂端锚ꎬ 考虑到注浆需要ꎬ注浆锚杆螺母预紧力不低于 60 kNꎬ高强注浆锚杆和锚索外观与结构如图 4a 所示ꎮ
图 4 高强注浆锚杆和锚索外观与结构
Fig.4 Appearance and struction of high-strength grouting rockbolt and cable
2)锚索施工参数ꎮ 中空注浆锚索长度 8 300 mmꎬ直径 29 mmꎬ采用强度等级 1 770 MPa 螺旋肋 预应力钢丝编织而成ꎬ破断力达 400 kN 以上ꎬ配 300 mm×300 mm × 16 mm 方形托盘ꎬ间排距 1 400 mm×1 400 mmꎬ采用 2 卷 2850 树脂锚固剂端锚ꎬ中 空注浆锚索预紧力不低于 120KNꎬ高强注浆锚杆和 锚索外观与结构如图 4b 所示ꎮ
3)布置方式ꎮ 拱部正顶布置 1 根中空注浆锚 索ꎬ两侧对称呈放射状依次布置ꎬ保证中空注浆锚索 均垂直岩面布置ꎮ 最上端中空注浆锚杆距巷道中心 线 350 mm 对称布置ꎬ其余锚杆依次垂直于岩面对 称布置ꎬ底角锚杆下扎 15°ꎬ且距离巷道底板不得大 于 200 mmꎮ 强力锚注支护方案断面如图 5 所示ꎮ
4)钻孔参数ꎮ 中空注浆锚杆安装孔径 32 mmꎬ 孔深 2 900 mmꎻ中空注浆锚索安装孔径 38 mmꎬ孔 深按 8 000 mmꎬ误差均不得大于±50 mmꎮ
5)护表方式ꎮ 采用直径 6 mm 钢筋网ꎬ网格间 距 80 mm×80 mmꎬ中空注浆锚杆之间采用 W 钢带 连接ꎮ
6)喷层要求ꎮ 混凝土喷浆层厚度 150 mmꎬ强度
图 5 强力锚注支护方案断面
Fig.5 Sectional view of strength blot-grouting support
级别 C20ꎮ 巷道掘出后立即初喷 50 mmꎬ待锚杆/ 锚 索支护完成后二次喷浆 100 mmꎬ要求喷层表面密实 平整ꎬ并每天洒水养护ꎮ
7)注浆材料ꎮ 采用标号不低于 P.O42.5R 级硅 酸盐水泥ꎬ并按 8%的比例添加 ACZ-1 水泥添加剂 作为注浆材料ꎮ 该材料具有良好的流动性、硬化塑 形和抗干缩性ꎮ
5 支护效果分析
5.1 围岩表面位移监测
2016 年 4 月—2017 年 5 月采用十字观测法对 两锚两注和强力锚注支护后围岩表面变形情况进行 监测ꎬ如图 6 所示ꎮ 对比分析得到ꎬ采用强力锚注支 护效果优于两锚两注支护方案ꎬ巷道成巷效果良好ꎬ 喷浆层未出现明显开裂、脱落现象[16-17] ꎮ 特别是在 顶板的稳定性上ꎬ强力锚注支护方案强化了巷道拱 部整体性ꎬ增强了对顶板水平应力的承载性能ꎬ变形 量随时间逐渐增大而增加缓慢并趋于稳定[18-19] ꎬ其 顶板下沉量为 201 mmꎬ较两锚两注支护方案顶板变 形量降低了 40%以上ꎬ
两帮变形量随时间逐渐增大并趋于稳定ꎬ稳定 期在 5 个月左右ꎬ变形量均不大ꎬ两锚两注支护方案 帮部移近量为 130 mmꎬ强力锚注支护帮部移近量为 100 mmꎬ相差不大ꎬ且帮部喷浆层极少出现开裂、脱 落现象ꎮ 但是在支护成本和工艺繁琐程度上强力锚 注支护技术占很大优势ꎬ经济效益突出[20] ꎮ
5.2 锚杆承载性能监测
采用测力锚杆开展持续性观测[21] ꎬ来监控锚杆 是否对围岩起到应有的作用、评估锚杆支护质量ꎮ 通过锚杆承载性能监测ꎬ得出强力锚注支护试验段 巷道锚杆承载力随时间逐渐增大并趋于稳定ꎬ整体
承载力较为均匀ꎬ顶板至两帮锚杆承载强度依次降 低ꎬ顶板承载力达到 130 kNꎬ肩窝处锚杆承载力 118 kNꎬ帮部锚杆承载力为 98 kNꎬ均完全在锚杆可承载 范围之内ꎮ 由此验证了锚注支护质量是合格的ꎬ支 护参数设计是合理的ꎬ取得了较好巷道支护效果ꎮ
6 结 论
1)采用强力锚注支护技术加固深部高应力软 岩巷道ꎬ能明显改善巷道应力环境ꎬ提高巷道稳定 性ꎬ为埋深大、应力高、支护难度大的深部巷道支护 问题提供新的支护方式ꎮ
2)针对原两锚两注支护方式在巷道支护过程 中出现的问题和弊端ꎬ采用强力锚注支护技术予以 改进和完善ꎬ提出了以直径 25mm 全螺纹高强中空 注浆锚杆和直径 29 mm 螺纹肋中空注浆锚索为核 心的全断面锚注一体化支护方案ꎮ
3)对注浆参数进行优化设计ꎬ确定注浆液水灰 比采用 1 ∶ 2ꎬ注浆压力采用高压力注浆ꎬ锚杆注浆 压力不低于 7 MPaꎬ锚索注浆压力不低于 10 MPaꎬ 中空注浆锚杆最佳注浆时机在巷道掘出后 3 ~ 5 d 或滞后掘进工作面 10 ~ 20 m 位置ꎬ中空注浆锚索最 佳注浆时机为锚杆注浆完成后 5 ~ 8 d 或滞后掘进 工作面 30 ~ 50 m 位置ꎬ达到了锚注一体化支护预期 的技术指标ꎬ取得了较好的支护效果ꎮ
4)工程实践应用表明ꎬ锚注支护参数设计合 理ꎬ强力锚注支护显著降低了围岩变形量ꎬ锚注加固 强化了巷道整体性ꎬ增强巷道围岩的承载性能ꎬ有效 地控制了巷道变形ꎬ巷道稳定性明显提高ꎮ
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——转载自“煤炭行业知识服务平台”
单体便携式螺旋支柱简介
湘潭乾坤的便携式螺旋支柱是一款矿井临时支护设备,是矿井适用的金属单体支柱,参数经过多次试验和客户使用数据验证的,不能超高度超承载能力使用(具体要求见附表),超高和超载使用将影响支柱 的稳定性,甚至发生安全事故。
作业过程中,作业人员要经常检查丝杠松紧和顶板变化情况,及时将支柱拧紧,确保作业安全
湘潭乾坤的便携式螺旋支柱由五部分组成。
规格型号解读:
1.5米便携式螺旋支柱的含义:金属钢管直径有48和63两款,最高支撑高度为1.5米。该款支柱可支撑1-1.5米的高度 。
钢管直径越大,支柱承重越大,可支撑高度越高。
支柱高度越高,支柱承重越小。