1、浅析巷道围岩控制方法之锚注支护摘要：近年来，我国经济得到了的飞速发展，作为主要能源的煤炭起到了决定性作用。但伴随着煤炭产量的日益提高，煤炭资源逐渐减少，开采条件也日益复杂。其中，在复杂开采条件下，保证正常、高效、安全生产，巷道围岩控制、支护问题也成为我们必须解决的首要难题。通过研究分析与现场应用，锚注支护在一定条件下能很好的解决以上问题。本文先后系统介绍了我国巷道维护现状、锚注支护的机理、支护材料和设备、工艺流程及应用情况，提出了煤矿井下高应力、软岩条件、采动影响下巷道的有效支护措施。关键词： 复杂条件， 围岩控制， 巷道维护， 锚注支护1概述目前，煤矿井下高应力区、软岩条件、采动影响下巷道支
2、护方式、支护参数的确定是一个世界性难题，尤其是开掘在既是高应力区又是软岩中的巷道支护难度更大，国内外都对此进行了大量的研究工作，取得了一定的研究成果，为高应力、软岩等复杂条件下的巷道支护提供了比较可靠的安全保证。现在国内外普遍采用加大支护密度，锚架联合支护、卸压等方式来增加支护强度，力求减少巷道使用过程中的破坏变形量，但效果不是很理想，在巷道服务年限内仍需要翻修多次。近年来随着锚网索支护技术的推广，由于锚网索支护方式在支护强度上有了很大的提高，支护效果显著改善，但仍未彻底解决问题。其支护成本高、施工速度慢，巷道表面变形破坏不可避免，尤其在软岩中仍存在安全威胁。采用注浆材料和注浆锚杆支护方式加固
3、巷道围岩，增加围岩自身承载能力，在支护理论上是先进的，在材料、设备供应、施工工艺上已有成功的先例。结合生产实际中的具体条件，可进一步引进试用，研究几种支护加固方式，摸索出适合煤矿井下高应力区、软岩条件、采动影响下巷道支护技术和方式，很有必要。2巷道围岩破坏现状及破坏影响因素分析随着煤矿机械化程度的提高，煤炭产量不断增加，开采范围、开采深度也不断增加，巷道断面破坏也越来越严重，这给矿井施工和生产带来更多的困难，对井下作业人员在安全上造成更大的威胁。为寻求合理有效的支护体系以及安全可靠的修复加固方法，首先应研究巷道的破坏机理一般情况下，巷道具体破坏因素有： 地质构造：巷道所受地质应力除大地构造应力
4、控制外，主要影响是临近巷道的地质构造，如断层，褶皱，褶曲等，由于巷道所处的位置不同，所受到的主应力的大小及方向也不同。例如当断层为正断层时，巷道围岩应力主要来自断层构造残余应力，其主应力方向为垂直方向；而当断层为逆断层时，其构造应力为其残余应力，主应力方向为水平方向。当巷道位于构造应力带时，巷道一旦开挖，构造应力残余应力将重新分布以保持平衡，当支护体系不能承受这个荷载时，巷道将受到破坏。 重力：巷道开挖后，重力需重新平衡，这时如巷道周边有软弱岩层，可能会出现碎胀破坏，或者由于软岩流变，巷道也可能出现变形破坏，巷道位于破碎带内，破碎带内除残余应力外，更多的是自然平衡拱下的松散岩块的重力将成为巷道
5、变形破坏的重要因素。 膨胀应力：围岩中如果含有膨胀性粘土矿物，如蒙脱石、高岭石、伊利石等，这些岩石遇水会软化、膨胀。膨胀量高达几倍、几十倍，完全可能使巷道破坏。 设计及施工不合理：巷道设计施工方法不合理和施工质量差，也是巷道破坏的一个主要因素。比如巷道布置较密，相互间的岩柱宽度小，受采煤工作面的多次动压影响，巷道的成型差，破坏严重，支护厚度达不到设计要求。 受采煤方法和工作面超前压力影响：采煤工艺不同，其顶板来压规律和超前压力对巷道的影响有根本的差别，特别是工作面巷道布置及回采顺序安排是否合理，直接关系到工作面顶板压力对待采巷道的影响。 其它因素：如水能使围岩强度降低，造成围岩软化、泥化膨胀；
6、空气可能加速围岩风化；冲击地压，地震波，生产矿井的动压，特别是设计、管理不当更会造成巷道变形破坏。从以上分析结合现场实际应用情况，我们可以得出结论：传统的加大支柱支护密度，混凝土支护，锚杆支护，錨喷支护，锚网支护，锚架联合支护以及卸压等方式来增加支护强度，力求减少巷道使用过程中的破坏变形量，但效果都不是很理想，不能完全解决煤矿井下高应力区、软岩条件、采动影响下的巷道支护问题。而锚杆加注浆的锚注支护方式却可以很好的解决以上问题。3锚注支护原理浅析随着矿山开采技术的发展与丰富，矿山地层条件的变化，如前所述，使得单纯的锚杆支护或混凝土支护技术不能满足巷道稳定和安全的需要，从而在锚杆支护和混凝土支护的
7、基础上形成了一系列新的支护方式，而锚注支护更是取得了前所未有的技术经济效果。所谓锚注支护，就是利用锚杆注浆技术改变围岩松散破碎结构，提高其粘结力、内摩擦角和围岩的整体性，使围岩为锚杆提供可靠的着力基础，充分发挥锚杆对松散破碎软弱岩层的锚固作用。注浆锚杆即是锚杆又能用其进行注浆。注浆锚杆注浆支护加固机理如图1-1所示。围岩注浆后，一方面将松散破碎软弱岩块胶结成为一个整体，从而提高岩体的内摩擦角和内摩擦力，使岩体本身成为一种支护结构;另一方面，使普通端锚式锚杆成为全长锚固锚杆，使锚杆与围岩形成整体，充分发挥锚杆锚固作用，组成可靠有效的组合拱。利用浆液充填围岩裂隙，与錨喷网支护相结合，形成多层组合拱
8、（锚网组合拱D、锚杆压缩区组合拱B、浆液扩散加固拱A、喷层与压缩区间的浆液加固拱C），可扩大支护结构的有效承载范围，提高支护结构的整体性和承载能力。此外，在比较复杂的条件下，为了加强支护效果，常常采用全断面锚注加固的方式进行巷道维护。全断面锚注加固方法由于消除了支护体系的薄弱环节，使整个巷道加固体系受力均匀，不仅巷道的影响范围及极限平衡范围最小，而且巷道周围的应力分布呈现出圆形巷道的应力分布特征。同裸巷相比，底板最大位移量减少了61.3；同半断面锚注加固巷道相比，底板的最大位移量减少了56.7。因此，它是最有利于巷道维护于矿压控制的巷道加固方式。为了体现锚注支护的优越性，在本专题中谈到的锚注支
9、护均为全断面锚注支护。4锚注加固注浆材料与设备4.1注浆锚杆锚注用锚杆是一种特制的中空锚杆，利用这种锚杆的外段进行锚固和封孔，而利用其内段进行射浆，达到锚注合一的效果。整个锚杆由杆体、托板、分隔体、紧固螺帽等几部分组成，如图1-2所示。（1）杆长：根据围岩性质和巷道跨度合理确定，一般为巷道跨度的1/31/2，应在1.52.0之间。（2）注浆段长：主要用于完成射浆任务，位于锚杆前部，取锚杆长的2/3左右。（3）注浆孔直径和数目：孔径愈小，浆液流通阻力愈大，孔径愈大，杆体强度损失愈大，经测试，孔径确定为58mm，在注浆段内间隔20cm左右均匀钻出。注浆数目n应满足 nk(s1 /s2) ，其中：k
10、为孔截面损失系数，取2；s1 为杆体钢管内截面面积；s2 为注浆孔面积。（4）螺纹：锚杆尾部螺纹与注浆泵出浆管高压快速接头相匹配及满足安装托板要求，采用滚丝加工。（5）锚杆挡圈：采用6mm厚的钢材制作。（6）托盘：选用碳素钢鼓型托盘。A注浆段； B锚固封孔段； C联接段图1-2 锚注用特种中空锚杆示意图调节，该方法不仅结构简单、操作方便、成本较低，而且由于密封锚固卷长度较长且随意调节，可有效防止高压浆液从岩体裂隙向巷道空间外泻，并且密封锚固卷巧妙地将密封与锚固融为一体，实现了“锚封一体化”，从目前使用的情况来看，效果十分理想。根据以上分析，并结合现场实际，注浆锚杆规格确定为22mm1800mm
11、，其内径根据选材而定，锚杆注浆段为杆体全长的2/34.2注浆材料注浆材料国外主要开发树脂类材料，由于成本较高，国内主要应用水泥类材料。目前国内常用的注浆材料有水泥类单液浆、水泥和水玻璃双液浆、化学类浆液。注浆材料的选择与巷道破坏机理有关，如重力、构造应力为主造成巷道破坏的可选用水泥、水泥和水玻璃双液浆液。如造成巷道失稳的主要因素是膨胀性粘土矿物，如蒙脱石、高岭石、伊利石等，则应以化学浆液更好。因此我们在选择浆液时，除考虑巷道破坏机理外，还应注意以下几点： 粘度低，可注性好； 凝固时间可控制，有水时这一点特别重要； 稳定性好，无毒、无嗅、阻燃、不爆； 对设备无腐蚀，易清除； 结石性、抗渗性、耐老
12、化性好，结石强度高； 粘结性好，不影响围岩稳定； 材料来源丰富，价格便宜。4.3注浆泵注浆泵是锚注过程中使用到的最主要设备之一。其性能及其工作性能直接关系到注浆效率和注浆效果。常用的注浆泵主要有液压注浆泵、电气注浆泵和气（风）动注浆泵等几种。例如，工作面经常使用的KBY-50/70液压注浆泵，是一种全液压单缸双作用往复式活塞泵、防爆电动机驱动的注浆泵。其工作原理：即当电动机转动，并通过三角皮带驱动齿轮油泵旋转时，从齿轮油泵排出的高压油液通过二位四通换向阀和换向机构，使油泵和注浆缸作同步往复运动，从而使浆液经吸、排管路和阀室吸入并排出，最终使浆液注入预定的注浆孔位。其主要参数如下：表2-1 KB
13、Y-50/70注浆泵参数型号流量(L/min)压力 （MPa)驱动功率(kw)外型尺寸(mm)质量(kg)KBY-50/70500.571113007207003005注浆锚杆布置与注浆参数5.1注浆锚杆布置锚杆间距、排距等支护参数不仅受到注浆要求的影响，还要受到锚杆对围岩必须提供足够支护阻力等方面的影响，所以在设计锚杆布置参数时，要综合考虑上述因素的影响。注浆孔的布置应使相邻两孔固结浆液的径向分布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空隙，孔的排列方式一般有按行排列及三角形排列两种。当采用按行排列时（图14a），为满足前述要求至少应使得A1 =2A2 ，A1为矩形ABCD的
14、面积，A2为矩形ABCD内各注浆孔的注浆扩散面积。A1 =2Rd,A2=R2/2，故应有：2Rd=R2，经计算得，d=1.57R,其中：R为注浆孔的扩散半径，通常取值12.5m；d为孔间距。所以按注浆要求，锚杆的间距至少可以在1.5m左右。同理，排距也可以在1.5m左右。a成排布置方式 b等腰三角形布置方式图1-4 注浆孔的布置方式当采用按等边三角形排列时（图14b），同理，经计算有：d=1.77R。所以按注浆要求，按等边三角形排列的锚杆间距至少可以在1.7m左右。同理，排距也可以在1.7m左右。当然，锚杆间、排距还要受到锚杆对围岩必须提供足够支护阻力等方面的影响，得知使用锚注加固所维护的高应
15、力软岩巷道的具体矿山地质条件和生产技术条件后，即可确定按支护强度所要求的锚杆间排距。在所求出的按注浆要求的锚杆间排距和按支护强度要求的锚杆间排距中，取数值较小的一组作为实际应用锚注加固技术时，选择锚杆间排距的参考依据。例如，矿山深部大巷，由于巷道岩性主要为海相泥岩砂质，并且巷道受采面动压以及断层等综合因素的影响，巷道变形破坏严重，顶底板两帮移近量大，所以锚杆的间排距应根据巷道围岩的岩性和破碎程度的不同而有所差异，在巷道处于采面动压影响较大和穿过断层破碎带部分，围岩岩性较差，所以该段锚杆布置应较密，间排距应较小，确定锚杆的间距顶部为1000mm，帮部为1000mm，底部1000mm，排距为1000mm；在巷道处于泥岩砂质和动压影响较小地段，围岩岩性相对较好，锚杆间排距可适当增大，确定锚杆的间距顶部为1200mm，帮部为1200mm，底部1200mm，排距为1200mm。注浆孔采用按行排列方式。锚杆布置简图如图1-5、图1-6所示。5.2注浆参数锚注支护施工工艺的核心是注浆参数的控制，合理地监控巷道围岩注浆过程和确定注浆结束标准，是确保注浆效果的关键。实践表明，利用注浆压力，注浆量和注浆时间三个指标作为控制注浆的标准较为合理。（1）注浆压力注浆压力是浆液在围岩中扩散的动力，它直接影响注浆加固质量和效果，它受地层条件、注浆方式和注浆材料等因素的影响和制约
