(1.淮南工業(yè)學(xué)院，安徽淮南市，232001；�� 2.國投新集能源股份有 限公司，安徽淮南市，新集，232171)

摘 要 針對(duì)新集三礦極軟巖巷道具體條件，分析了巷道破壞原因和錨注加固機(jī)理，通過FLA C數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)進(jìn)行了錨注參數(shù)設(shè)計(jì)，工程應(yīng)用實(shí)踐表明，錨注參數(shù)設(shè)計(jì)正確，錨 注加固效果明顯，取得了顯著技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。��

關(guān)鍵詞  極軟巖巷道 錨注加固   修復(fù)   錨注參數(shù)   注漿材料��

1  錨注加固修復(fù)巷道概況

新集三礦-340m水平集中巷總長(zhǎng)度為1020m，巷道原設(shè)計(jì)斷面為半圓拱形，凈寬3.4m，凈高3. 0m，巷道布置示意圖如圖1，巷道原支護(hù)方式為U型鋼支架與噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，設(shè)計(jì)方位 為262°30′，由于受地質(zhì)構(gòu)造影響，該段巖層產(chǎn)狀發(fā)生急劇變化，巖層走向擺動(dòng)13～14° ，傾向發(fā)生倒轉(zhuǎn)，巷道巖層柱狀如圖2所示，集中巷位于6層 （泥巖）中，其圍巖主要為泥巖 、砂質(zhì)泥巖，極為松軟破碎，整體性差，泥巖遇水崩解。該巷道從1997年10月開始施工，施 工中呈現(xiàn)前掘后修的情況，巷道掘出僅3天，就產(chǎn)生明顯變形，巷道掘出3～15天后，巷道變 形最劇烈，底臌也極其嚴(yán)重，U型鋼支架嚴(yán)重扭曲，U型鋼卡纜相互擠壓和出現(xiàn)張嘴現(xiàn)象，巷 道掘出不到兩個(gè)月，巷道寬度由原3.4m縮小為1.8m，嚴(yán)重影響掘進(jìn)的正常進(jìn)行。后雖經(jīng)改棚 翻修，但出現(xiàn)前修后壞的局面，至1999年7月，大部分巷道已經(jīng)修復(fù)過3次，其變形仍持續(xù)增 長(zhǎng)、流變顯著，維護(hù)極其困難，巷道幾乎瀕臨報(bào)廢，嚴(yán)重影響了礦井運(yùn)輸和生產(chǎn)的正常進(jìn)行 。若繼續(xù)改棚翻修，巷道變形仍難控制，且翻修費(fèi)用極高；若另掘巷道，難以找到合適的層 位，其掘進(jìn)支護(hù)費(fèi)用很高，且嚴(yán)重影響礦井西部采區(qū)的投產(chǎn)時(shí)間。為既經(jīng)濟(jì)又能確保礦井運(yùn) 輸和生產(chǎn)的正常進(jìn)行，對(duì)巷道修復(fù)加固方�ァ糎T〗

2 集中巷破壞原因分析及錨注加固機(jī)理 ��

2.1  集中巷破壞原因分析

（1）巷道圍巖性質(zhì)差，自承能力低。通過對(duì)-340m水平集中巷現(xiàn)場(chǎng)采取巖石試樣，在實(shí)驗(yàn)室 測(cè)出集中巷圍巖的力學(xué)參數(shù)并進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。��

從表1看出，集中巷圍巖為泥巖、砂質(zhì)泥巖，泥巖和砂質(zhì)泥巖性脆易碎，這些巖石對(duì)溫 度、濕度、水的作用甚為敏感，巖石強(qiáng)度急劇降低，泥巖遇水崩解后強(qiáng)度完全喪失，使巷道 圍巖自承能力急劇下降。�� X-射線衍射對(duì)圍巖礦物成分分析表明，主要礦物為高嶺石，這種巖石遇水后使顆粒發(fā)生破壞 產(chǎn)生軟化、崩解，巖石流變顯著，巷道變形增大。��

（2）巷道四周不均勻承載，承載體受力條件惡化。340m水平集中巷為急傾斜巷道，其水平 壓力一般較大，加上本礦區(qū)的巷道圍巖性質(zhì)較差，自承能力較低，使U型鋼支架的承載能力 大幅度降低，受力條件急劇惡化，使巷道斷面多呈現(xiàn)出“尖桃形”破壞。�� 

（3）地質(zhì)構(gòu)造因素。原設(shè)計(jì)集中運(yùn)輸巷方位角為261°30′～262°30′，但在掘進(jìn)中發(fā)現(xiàn) 巖 層走向擺動(dòng)變化較大，傾向發(fā)生倒轉(zhuǎn)，這說明該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。利用套筒致裂法現(xiàn)場(chǎng)測(cè) 試推算出該礦區(qū)原始地應(yīng)力分布特征，揭示了該礦區(qū)存在殘余構(gòu)造應(yīng)力。在自重應(yīng)力與構(gòu)造 應(yīng)力雙重作用下，導(dǎo)致巷道壓力大，變形劇烈。��

（4）巷道支護(hù)方式不合理。U型鋼支架的結(jié)構(gòu)和形式過于單一，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的軟巖巷 道壓力；我國現(xiàn)有U型鋼支架的質(zhì)量與國外先進(jìn)水平比，尚有較大差距，如型鋼屈服強(qiáng)度偏 低，卡纜的結(jié)構(gòu)和性能差，難以充分發(fā)揮其承載能力。�� 

（5）水的因素。調(diào)查表明集中巷圍巖有淋水現(xiàn)象，集中巷底板低洼，積水較多，水的浸蝕 使巖石軟化和膨脹，巷道變形急劇增長(zhǎng)。

表1 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試表 （略）

圖2  巷道巖層柱狀圖 （略）

2.2  錨注加固機(jī)理 

長(zhǎng)期以來，軟巖巷道維護(hù)一直是煤礦生產(chǎn)建設(shè)中的難題，在軟巖內(nèi)布置巷道，圍巖變形 大，穩(wěn)定性差，使巷道掘進(jìn)和支護(hù)十分困難，而且屢遭破壞，需經(jīng)常翻修，嚴(yán)重影響礦井的 安全和正常生產(chǎn)。多年來，軟巖巷道圍巖控制理論及支護(hù)技術(shù)一直是采礦工程學(xué)科的重要研 究方向之一。��

目前，對(duì)于極軟巖巷道的支護(hù)，還沒有一種完全行之有效的指導(dǎo)理論。傳統(tǒng)的錨噴支護(hù) 已不適應(yīng)高應(yīng)力、大變形的軟巖巷道；碹體支護(hù)由于施工復(fù)雜、成本高、變形量小，它與軟 巖的變形規(guī)律和支護(hù)要求不一致，難以適應(yīng)軟巖巷道支護(hù)；從支護(hù)技術(shù)上看，各種剛性支 架與軟巖巷道圍巖變形規(guī)律不一致，而且支護(hù)成本高；以U型鋼為主的各種可縮性金屬支 架因軟巖巷道圍巖變形大、支架受力不均也出現(xiàn)變形破壞。��

錨注加固是一種理想的改善軟弱圍巖承載性能的措施。錨注加固巷道圍巖是利用空心錨 桿兼作注漿管 （簡(jiǎn)稱注漿錨桿），注漿錨桿前段是帶若干個(gè)射漿孔的注漿段，后段是錨固段 。松動(dòng)和裂隙發(fā)育的圍巖經(jīng)過錨桿注漿加固后圍巖強(qiáng)度等力學(xué)性能得到提高和改善，使破裂 結(jié)構(gòu)的圍巖膠結(jié)成拱形連續(xù)體加固圈，同時(shí)注漿錨桿又起到懸吊、擠壓、楔固組合拱等作用 ，防止圍巖松動(dòng)范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，從而使巷道徑向應(yīng)力減小到僅用較小支護(hù)阻力就能使圍 巖長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，錨注支護(hù)采用錨桿與注漿相結(jié)合的雙重作用達(dá)到加固圍巖、控 制圍巖變形的效果，它可以大大地提高軟巖巷道支護(hù)效果和圍巖穩(wěn)定性。��

3 錨注加固參數(shù)設(shè)計(jì)��

3.1  數(shù)值模擬注漿固結(jié)體強(qiáng)度及注漿孔深度��

3.1.1 注漿固結(jié)體強(qiáng)度

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施圍巖注漿時(shí)，影響注漿效果的參數(shù)很多，如：注漿壓力、注漿時(shí)間、注漿量、水灰 比、注漿孔深度等。通過合理設(shè)計(jì)與控制這些注漿參數(shù)，最終都希望達(dá)到一個(gè)共同的目標(biāo)： 將漿液注入圍巖，使其與圍巖固結(jié)在一起，形成注漿固結(jié)體，以實(shí)現(xiàn)控制巷道變形�，F(xiàn)采用 注漿固結(jié)體強(qiáng)度這一綜合指標(biāo)來衡量各注漿參數(shù)組合使用后的效果。通過FLAC數(shù)值模擬表明 ，當(dāng)圍巖強(qiáng)度提高55%～65%時(shí)，圍巖位移量顯著減少，此后，再提高注漿體強(qiáng)度，圍巖位移 量減少幅度不大。因此，圍巖強(qiáng)度提高60%較合理。

3.1.2 注漿孔深度

注漿孔深度會(huì)影響注漿范圍 （圍巖加固范圍）的大小，為確定合理注漿孔深度，對(duì)不同孔深 注漿后巷道變形情況進(jìn)行模擬，圍巖強(qiáng)度提高百分比取為60%，通過模擬表明，隨 注漿孔深 度的加大，圍巖移近量逐漸減少，特別是底臌量減少幅度更大。當(dāng)孔深超過1.5m時(shí)，底臌量 就小于頂板下沉量，這對(duì)控制嚴(yán)重底臌極有意義。當(dāng)注漿孔深度在2～3m時(shí)，圍巖位移量顯 著減少。此后再增加孔深，雖圍巖位移量仍有所減少，但減少幅度不大。由此可見，適宜的 注漿孔深度為2.5m左右。��

3.2 注漿錨桿結(jié)構(gòu)

注漿錨桿自行設(shè)計(jì)研制，設(shè)計(jì)的注漿錨桿采用�J42mm的無縫鋼管制作，總長(zhǎng)2000mm，注漿段 1300mm，錨固段630mm，尾部螺紋段70mm，注漿段鉆有若干交叉射漿孔。該注漿錨桿具有結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。��

注漿錨桿錨固段與鉆孔巖壁間的密封性和錨固性是錨注支護(hù)成功與否的關(guān)鍵，要求所用的密 封錨固材料既具有密封性好又具有短期就能提供足夠抵抗注漿壓力的能力，并要求密封錨固 材料施工方便、快捷，此次試驗(yàn)采用棉紗緊密纏繞錨桿錨固段馬牙，并用水泥封堵，以達(dá)到 密封與錨固效果。��

3．3  注漿材料

-340m集中巷由于經(jīng)過多次翻修，巷道圍巖松動(dòng)圈大，圍巖空洞、裂隙多，注漿量大。如何 降低錨注的注漿成本顯得尤為重要，在采用水泥單液注漿材料中加入其它細(xì)骨料以降低水泥 用量是解決問題的有效方法之一，由于粉煤灰基本上具有與水泥相同的顆粒尺寸和級(jí)配分布 ，因而可在注漿材料純水泥中加入部分粉煤灰。為了選定合理的注漿材料，確定合理的漿材 配比，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)粉煤灰-水泥注漿材料的流動(dòng)性、析水性、強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研 究表明：漿液中粉煤灰比例在20%及以下、水灰比在0.65～0.70時(shí)漿液的流動(dòng)性最好，析水 性最小，漿材28d齡期的抗壓強(qiáng)度最大，且能滿足注漿固結(jié)體強(qiáng)度提高的要求。試件28d齡期 漿材的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律曲線如圖3所示。��

因此，從工程應(yīng)用和技術(shù)經(jīng)濟(jì)考慮，粉煤灰-水泥錨注加固注漿材料中粉煤 灰含量選取為20%、水灰比選為0.65～0.70。��

3.4 注漿參數(shù)��

3.4.1 注漿壓力

注漿壓力受到圍巖特性、漿材性能、注漿方式等因素的影響和制約。注漿壓力過小，漿 液難以向圍巖中擴(kuò)散，達(dá)不到預(yù)期注漿效果；若注漿壓力過大，很可能導(dǎo)致在注漿過程中巷 道表面冒頂或片幫。由于集中巷道噴層較薄，強(qiáng)度低,本次設(shè)計(jì)注漿壓力為2MPa。��

3.4.2注漿孔布置

為了注漿時(shí)不出現(xiàn)死角，保證注漿效果，注漿孔間排距一般取為注漿擴(kuò)散半徑的1.67倍，通 過預(yù)注漿試驗(yàn)表明，集中巷注漿擴(kuò)散半徑平均為2.5m，因而間排距設(shè)計(jì)為4m。結(jié)合FLAC數(shù)值 模擬結(jié)果，注漿孔深度定為2.5m。注漿孔布置為每個(gè)斷面5個(gè)，左右?guī)透鲀蓚�(gè)、頂部一個(gè)， 注漿孔直徑為43～45 mm，孔深為2500mm，注漿孔布置如圖4所示。��

4  現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)��

4.1  注漿設(shè)備

〖JP3〗注漿設(shè)備主要包括注漿泵、高壓膠管、攪拌機(jī)等，根據(jù)選型計(jì)算，注漿泵型號(hào)選為2 TGZ-60/210型，漿液采用攪拌機(jī)攪拌，攪拌機(jī)型號(hào)選為3B-200。

圖3  試件28d齡期抗壓強(qiáng)度曲線（略）

圖4  注漿孔布置示意圖�ぃ�略）

4.2   錨注加固施工工藝

錨注加固施工工藝流程是：施工準(zhǔn)備-鉆孔-安裝錨桿-造漿-注漿施工-清理錨注機(jī)具。��

4.3 鉆孔和安裝錨桿

用T-7655型風(fēng)錘，�J42mm的釬頭，按注漿錨桿設(shè)計(jì)的位置和方位鉆�J43mm、深度2500mm鉆孔 ，并且將鉆孔內(nèi)積水與巖屑吹洗干凈。鉆孔完成后，安裝錨桿，錨桿馬牙處要纏緊棉線，全 部打入孔內(nèi)，外露部分不超過50mm，并用水泥封堵，確保注漿時(shí)不泄露。��

4.4 注漿施工

按注漿要求連接好注漿管路，調(diào)節(jié)注漿泵安全閥，經(jīng)試泵一切正常后方可開泵注漿；在攪拌 桶中放入適量的水，再倒入4袋水泥和1袋粉煤灰，使?jié){液的水灰比控制在0.65～0.70的范圍 。用攪拌機(jī)攪拌漿液，攪拌時(shí)間對(duì)于漿材與水的充分混合有著非常重要的影響，攪拌時(shí)間太 短，漿材與水混合不均勻，使?jié){液的流動(dòng)性受到很大影響，因而攪拌時(shí)間定為5min；開泵注 漿，當(dāng)注漿壓力達(dá)到2MPa時(shí)停止注漿。每排注漿順序?yàn)橄茸⑾虏靠�，再注肩孔，最后注頂�?nbsp;。每一個(gè)孔注漿結(jié)束一天后，要求在注漿錨桿末端放上托盤、擰緊螺母。��

4.5   錨注加固效果分析

從1999年8月至2000年7月錨注加固巷道1020m，共使用水泥 1879t，使用粉煤灰469t。試驗(yàn) 期間共布置4個(gè)測(cè)站、9個(gè)觀測(cè)斷面對(duì)錨注巷道進(jìn)行了礦壓觀測(cè)， 注漿前后巷道圍巖位移速 度情況如表2。�� 從表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可見：��

（1）巷道在注漿前，兩幫移近速度平均為1.82mm/d，一般在1.5～2.0mm/d之間，最大 的 達(dá)到2.71mm/d，圍巖位移速度較大，巷道變形嚴(yán)重，嚴(yán)重影響巷道的運(yùn)輸和行人及正常生產(chǎn) 。錨注加固后， 7～28d內(nèi)兩幫移近速度減少較大，在24.5%～55.6%范圍內(nèi)，平均為41.4%； 而 在28d以后減少幅度為53.7%～84.0%，平均減少69.6%。分析圍巖兩幫移近速度減少率的變化 趨勢(shì)，28d以后圍巖兩幫移近速度急劇減小，最后 （注后3個(gè)月）逐漸趨于平穩(wěn)，圍巖兩幫移 近速度基本都在0.33mm/d以下，圍巖變形得到

有效控制。��

（2）注漿前，巷道底臌速度在1.20～4.00mm/d左右。圍巖錨注后，底臌速度也得到了一定 程 度的控制。在7d～28d內(nèi)減少率平均為20.3%；在28d以后減少率在45.8%～78%，平均為64.5% ， 比兩幫移近速度減少率 （69.6%）稍小。分析原因，一是施工時(shí)巷道底部注漿孔斜向下的角 度太小(小于10°)，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求(20°)，二是注漿施工期間巷道底板一直積水較多 ，使得底板遇水膨脹加大。�� 由頂板下沉速度觀測(cè)表明，注漿前，部分頂板有上升現(xiàn)象 （負(fù)號(hào)表示頂板上升），上升速度 在1.16～2.08mm之間。隨著錨注施工的進(jìn)行，上升速度逐漸減小，在注漿28d以后，頂板 不 再上升，頂板下沉速度在0.08～0.41mm/d，下沉速度較小。分析原因，是由于注漿前， 巷道已經(jīng)經(jīng)過了多次翻修，頂部空洞較大，而該巷道處于急傾斜巖層中，側(cè)壓較大，致使巷 道頂部上升。注后，頂部被注漿體充實(shí)，使圍巖可以承受部分載荷。��

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過經(jīng)濟(jì)效益分析表明，新集三礦-340 m水平集中巷進(jìn)行錨注加固修復(fù)后，與改棚修復(fù)方案 相比，共可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益約3044.96萬元、間接經(jīng)濟(jì)效益約3675.00萬元；與另掘巷道 （ 考慮錨架噴支護(hù)形式）方案相比，共可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益約3207.80萬元、間接經(jīng)濟(jì)效益約3 937.5萬元。對(duì)-340m水平集中巷進(jìn)行錨注加固修復(fù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表2 注漿前后圍巖位移速度統(tǒng)計(jì)表 mm/d（略）

6  結(jié)束語

本研究針對(duì)極軟巖巷道具體條件，通過FLAC數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)設(shè)計(jì)錨注參數(shù)，并進(jìn) 行了現(xiàn)場(chǎng)錨注加固工業(yè)試驗(yàn)，得到以下主要結(jié)論：�� 

（1）錨注加固參數(shù)設(shè)計(jì)正確，自行設(shè)計(jì)的注漿錨桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，注漿壓力設(shè)計(jì)為2 MPa、注漿孔深度取為2.5m、注漿孔排距取為4m是合理的。��

（2）礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，集中巷錨注加固后28d巷道圍巖的兩幫移近速度、底臌速度、都有 了較大程度的減少，3個(gè)月左右巷道變形基本趨于穩(wěn)定，巷道變形得到了明顯控制，由此看 出，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，錨注加固獲得了成功。實(shí)踐證明，該項(xiàng)技術(shù)對(duì)于控制極軟 巖巷道的變形具有顯著技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，而且其施工工藝簡(jiǎn)單，操作方便、安全，成本低廉。 ��

（3）試驗(yàn)表明錨注加固注漿材料加入粉煤灰，不僅技術(shù)可行，而且大大降低了巷道錨注 成本，擴(kuò)大了粉煤灰的利用范圍，值得進(jìn)一步推廣。