深部矿井软岩煤层巷道锚注加固技术探讨

陈新洋

摘要：随着煤矿采深加大，煤层巷道围岩岩性趋于恶化。掘巷后因能量释放，使巷道掘进后造成围岩应力重新分布，巷道围岩产生变形，巷道维护更加困难。为了改善受动压影响深部煤层巷道围岩破碎、锚杆支护锚固力偏低的状况和提高围岩的强度，对巷道围岩进行锚注加固显得尤为重要。

关键词：深部；软岩巷道；锚注加固；技术

随着矿井机械化程度、矿井防治水技术和生产规模的不断提高，矿井开采深度在逐渐增加，大部分生产矿井的开采深度已达500～1000m ，而且平均采深大约以8～12m/年的增长速度递增。矿井深部开采存在“三高与时间效应”，即深部岩体处于地应力高、温度高、渗透压高以及较强的时间效应。深部开采造成巷道变形明显、支护困难，冲击地压、煤与瓦斯突出，以及围岩透水等灾害较严重。因此开展深部高应力软岩巷道支护技术的研究，对提高掘进速度和安全可靠性，降低支护成本，对矿井的深部开采和岩层控制具有非常重要的意义。

1概况

松碎、软弱、膨胀及风化等岩层统称为软岩，这种岩层很不稳定，矿压显现明显。在软岩中开挖巷道往往存在大变形的问题，如顶板下沉、底臌、两帮的流变等，有的达到几十厘米、甚至达到几米。软岩巷道支护问题，是世界各国采矿界面临的一个普遍性技术难题。

西欧一些国家，如英法等国家以“新奥法”的理论为基础，采用不同断面的矿用型钢设计刚性或可缩性金属支架，来解决困难条件下的巷道支护问题。俄罗斯等一些产煤国家仍在采用各种不同类型的金属支架来处理巷道的支护问题。这些支护方式存在诸多局限性，一是不能从根本上解决困难条件下的巷道支护问题；二是施工复杂、巷道支护破坏后再修复就更为困难；三是巷道支护成本高。美国、澳大利亚、南非等国则主要采用以锚杆为主体的支护体系，包括高强、超高强锚杆、全长锚固锚杆、组合锚杆、锚杆桁架等支护形式，继锚杆之后，又推出了锚索来进一步提高支护材料的强度和锚固着力点的深度。随着开采深度逐年递增，深部高应力软岩巷道支护难度越来越大，对原有的锚杆支护体系提出了新的挑战。我国从1958年就进行软岩巷道支护技术的研究，有联合支护技术、分阶段支护技术、锚注加固技术等。特别是近年来锚索支护技术的发展，已成为深部软岩巷道支护的重要技术，其特点是能把深部围岩调动起来和浅部围岩共同作用，控制围岩的稳定性。

2锚注加固机理分析

锚注加固是在锚杆支护的基础上，利用空心锚杆兼作注浆管，进行滞后注浆加固。利用浆液来充填和固结被破坏了的或原有的裂隙面，改变围岩松散结构，使破裂围岩胶结成连续体加固圈，提高围岩强度，并为锚杆提供可靠的着力基础，使锚杆与围岩形成整体，从而形成多层有效组合拱，即锚杆压缩区组合拱、浆液扩散加固拱，提高了支护结构的整体性和承载能力。同时注浆锚杆又能起到悬吊、挤压等作用，使巷道围岩沿径向挤压的围岩压力转换成切向压力，防止围岩松动范围的进一步扩展，从而使巷道径向应力减小到仅用较小的支扩阻力就能使围岩长期处于稳定状态。

3锚注加固参数优化设计

3.1 注浆锚杆参数

注浆锚杆是利用锚杆兼作注浆管，集注浆与锚固为一体的支护方式，对于节理裂隙比较发育的围岩，注浆可以改变围岩的松散结构，提高其粘结力和内摩擦角，从而使岩体强度显著增加，提高围岩的整体性，注浆后的围岩也为锚杆提供了可靠的着力基础，使锚杆对破坏围岩的锚固作用得以充分发挥。

（1）锚杆长度及直径

锚杆长度一般根据巷道围岩的性质及巷道跨度合理确定，注浆深度应深于破碎区边缘，进入峰后强度区较合适。注浆深度尽量深，有利于降低对注浆强度的要求，同时此范围裂隙发育，注浆条件好，注浆所需的压力要求也低。注浆锚杆长度一般为巷道跨度的1/3～1/2,根据试验巷道断面尺寸及其变形状况，取杆体长度为2.0m，采用4分焊接管制作而成，外部30mm带有滚丝，中间注浆段长1000mm，内部300mm加工成右旋麻花形，用于搅拌树脂锚固剂。

（2）锚杆注浆段长度

注浆范围一般为围岩的裂隙发育区，深部处于弹性区的围岩，由于其裂隙不发育，浆液在内部难以渗透，因而注浆段太向里意义不大，而巷道围岩浅部的破碎区，由于其裂隙比较发育，为防止注浆时浆液向外流失，注浆段也不能太向外，杆体外部应有适当的封孔长度。因此为防止注浆时浆液外泄，应使注浆段位于锚杆中间，使注浆在围岩深部进行，提高注浆效果，取注浆段长度1000mm，封孔段长度700mm，封孔采用快硬水泥药卷。

（3）锚杆布置方式

注浆锚杆布置对锚杆支护系统的可靠性至关重要，一个合理的锚杆布置将是以最低的支护成本达到良好的支护效果，满足生产、安全的要求。从这个意义上讲，锚杆的布置不是任意的，也不是锚杆数目越多越好，因为锚杆数目增加，技术上可行，经济上却不是合理的，这必然使成本增加，掘进速度降低。

注浆锚杆的布置主要由浆液的扩散半径及锚注效果确定，两注浆孔的孔距应保证注浆后浆液渗透范围有一定的交叉，所以其间距应小于2倍的浆液扩散半径；另外，由于巷道两底角的裂隙较发育，塑性区的范围大，而巷道的帮角围岩又是重要的传力和承力部位，加固该部位可以有效地控制巷道的变形。在每一注浆锚杆断面上，锚杆根数增加总能降低巷道变形，但锚杆数目达到一定的限度后，效果就不明显了。另外，顶板锚杆在对顶板进行控制的同时，也对巷道两帮有一定的支护效果，反之，两帮锚杆除了抑制两帮变形外，也能限制顶底板的进一步移近。

4注浆材料参数

注浆施工中所需材料主要有水泥、水玻璃等，水泥采用425#普通硅酸盐水泥，液体水玻璃。

注浆材料的选择是注浆工程中一个重要的组成部分，它应根据锚注地段的地质条件、施工要求、原材料供应和成本等因素而定。目前使用的注浆材料有化学浆液和水泥浆液两大类。化学浆液主要有丙烯酰胺类，聚氨酯类，其优点是浆液渗透性好，胶凝时间可以控制；主要缺点是成本高，某些化学浆液有毒、污染环境，并对施工人员有一定的毒害作用，一般只在快速固化的重点工程中使用。水泥浆液可分为3类，1类是普通单液水泥浆，它的优点是材料来源广、价格低、结石体强度高，缺点是水灰比低，易沉淀析水，结石率低，可注性差，凝结时间长且不易准确控制；2类是水泥—水玻璃单液浆，其优点是结石率较高，凝结时间短且可调，缺点是结石体强度较低，如控制不好结石体经过一段时间后易发生松散，对工艺要求较高；3类是中国矿业大学研制的ZKD高水速凝材料，这种注浆材料的优点是速凝且可调、水灰比高、流动渗透性好，在高水灰比条件下结石且不析水。固结体塑性好，能适应围岩变形，缺点是成本较高。

5 结束语

随着矿井开采深度的不断增加，深部岩体地应力也越来越高，造成深部开采巷道变形明显、支护困难，冲击地压、煤与瓦斯突出以及围岩透水等灾害较严重。通过合理选择支护材料和支护参数，锚索锚注支护技术，能够有效地解决矿井深部高应力（软岩）巷道支护技术难题，避免巷道被破坏后再行修复造成的人力、物力和财力的巨大浪费，影响矿井生产，甚至危及矿井安全。

参考文献

[1]康红普.高强度锚杆支护技术的发展与应用[J].煤炭科学技术 .2000.28(2).1-4.