软岩地质条件下锚注支护技术及应用

史成俊

【摘 要】在清水营煤矿主井和风井，软岩巷道支护在技术上一直是个难题，巷道自掘进成巷至今，变形严重，重复维修几次，最后由山东科技大学提出“锚网索、钢带、U型钢支架、喷砼、锚注、反底拱”等联合支护方案，根据现场观测和理论分析，取得了良好的支护效果。

【关键词】软岩；注浆；支护

0.引言

由于软岩性质及工程边界的复杂性，构成了软岩巷道变形力学结构的多样性，因而难以找到适合各种条件的通用支护技术，而必须根据具体条件进行分析研究，才能得到合理的支护方案，本文分析了清水营煤矿主井和风井软岩支护存在的问题，并提出“锚网索、钢带、U型钢支架、喷砼、锚注、反底拱”等联合支护方案，取得了良好的技术经济效益。

1.工程概况

清水营煤矿主斜井由六煤-五煤露头对应地面位置开口，由四上-三煤间进入煤系地层，穿过三煤后进入二煤底板。主斜井坡度为22°～24°～25°，该层位由灰、灰白、深灰色不同粒级的砂岩组成，属二煤-八煤间砂岩含水层（Ⅳ），厚度为2.63～214.6m，平均厚63.66m。根据地质勘探报告，三煤顶板岩石虽孔隙率不大，但吸水率较高，软化系数低。岩石强度低，不坚固，为易冒落的一类无周期来压顶板。三煤底板细砂岩允许单向抗压强度RP0.375MPa，属较软弱类底板；粉砂岩允许单向抗压强度2.72MPa，属软弱类底板。岩层综合柱状见图1。

回风斜井由六煤～五煤露头对应地面位置开口，坡度为22°～15°～25°。在二煤露头位置进入二煤，沿二煤底板施工。二煤厚度2.06～8.1m，平均厚4.75m；二煤顶板岩性总体由粗粒砂岩构成，次为粉砂岩、泥岩。厚度0.57～71.09m，平均11.55m，伪顶主要发育于井田南部，岩性以泥岩为主，厚度小于0.5m；底板岩性以粉砂岩为主，次为细粒砂岩及泥岩，厚度0.53～21.14m，平均5.06m，一般小于5m；顶板的侏罗系上统安定组～中统直罗组裂隙孔隙含水层（III），厚度3.4～372.33m，平均厚度127.12m，层位较稳定，渗透性强、导水性好。

2.主井、风井支护出现的问题

两条斜井井筒设计均采用锚网喷支护，施工过程中均出现不同程度的顶板下沉、裂缝、脱层掉包及底臌等现象，局部出现冒顶。

主要表现是：

①顶板喷层受挤压变形、掉包、下沉，锚杆支护失效，个别锚杆被拉出或拉断，初喷巷道较成巷后的巷道这一现象突出，掉包严重时出现冒顶。

②两帮受顶板下沉和底臌影响，喷层开裂、向外臌出，巷道宽度不够。

③巷道底板臌起，最大底臌量1600mm，造成轨道变形，巷道高度不够。

④台阶向巷帮一侧严重倾斜，水沟开裂变形。

⑤出现脱层、掉包时，通常伴有渗水、淋水现象。

⑥巷道交岔点或跨度大处容易发生掉包、脱层现象。

⑦顶板掉包与底臌同时出现。

⑧部分巷道无淋水现象，岩层受风化后，顶板也很快掉包、底板臌起。

3.原因分析

根据地质勘探报告提供资料显示：各煤层顶底板岩性和厚度变化较大，可采煤层顶底板岩性主要以砂岩及粉砂岩，泥岩次之，并有泥岩或炭质泥岩的伪顶、伪底。

主要特征是：岩石较松散，易风化，较完整，岩体结构多为互层状；煤层顶底板岩层均属较软弱或软弱类岩层，抗拉、抗压、抗剪切力小；对主斜井二煤底板岩石进行矿物成分化验分析（见表1），伊利石40.4%，绿泥石29.8%，石英29.8%：伊利石、绿泥石为膨胀性矿物成分占70%，这也是造成巷道破坏的重要因素。

从现场施工揭露情况来看，基本与地质报告提供的岩性相符，巷道开掘后，产生松动压力，围岩脱水风干或遇水后岩石产生膨胀压力，在巷道周围岩层应力重新分布的情况下，出现巷道变形特征。

4.已采取的措施

①两条斜井井筒均采用了锚索加钢带加强支护设计变更，顶板下沉现象略有好转，但巷道施工完一段时间后（2～4个月）仍出现喷层裂缝、脱层、底臌现象，没有从根本上解决顶板喷层脱落、掉包现象。

②对巷道喷层脱落、掉包不严重的地段，采用了锚网、钢带、锚索、喷浆二次支护的措施，二次喷层间粘结不好，随着时间推移，局部出现二次脱层、掉包。

③从主斜井搭接硐室至主井皮带机尾采用锚网、钢带、锚索、32#工字钢棚、喷浆等支护方式，过2-3个月，局部又出现变形，帮鼓、棚腿挤出，浆皮开裂等。附图2

5.支护方式的提出

6.工艺流程及支护参数

（1）施工工艺：锚网、带、索、喷砼、钢支架、锚注、反底拱锚注。

（2）工艺流程：扩帮、挑顶→锚网、带、索支护→初喷→架设29#U型钢支架→打注浆锚杆注浆→复喷→反底拱锚注加固→喷射混凝土表面修复。

（3）支护参数。

①左旋无纵筋锚杆：Ф20×2500mm，托板使用Q235钢板，规格100×100×10mm，每根锚杆的预紧力为200KN，必须用锚杆力矩扳手预紧。

②树脂锚固剂：MSZ2370，每根锚杆使用2节。

③锚索：Ф15.24×7000mm，每根锚索的涨紧力为120KN，每根锚索使用MSZ2370药卷4节，托板用14#槽钢，长边为350mm，配合100×100×10mm的铁托板支护。

④钢筋网：使用Ф6.5mm圆钢焊制而成，网孔100×100mm。

⑤钢带：使用Ф16mm圆钢焊制而成，规格500×70mm。

⑥注浆锚杆：选用螺旋式专用注浆锚杆，顶部Ф22×3000mm，底板Ф22×1600mm，并有配套止浆塞、托盘及螺母。

⑦注浆液配制：采用P.O52.5R普通硅酸盐水泥，水灰比0.5，2%高效早强减水剂配制注浆液。

⑧喷浆：使用C20砼。

（4）反底拱锚注。

为防止底鼓，需要做反底拱，反底拱中间矢高为400mm，第一次铺设200mm厚C30砼为反底拱。将反底拱注浆后铺钢筋网，用注浆锚杆注浆，再浇注砼地坪，即底板与反底拱连成一体，形成中间400mm，两侧200mm厚的切圆反底拱板梁结构。

7.围岩锚注技术及要求

7.1注浆设备及材料

注浆泵选用QB152便携式注浆泵及配套搅拌桶。注浆锚杆：采用专用注浆锚杆。注浆浆液水泥浆液主料为52.5普通硅酸盐水泥，水灰比W/C=0.4～0.5，即水：水泥=0.5：1（质量比），并掺加占水泥重量的1.5%的复合高效早强减水剂，以提高浆液的可注性。注入的水泥浆液要搅拌均匀，在能注入的情况下，尽量减少用水增加浆液浓度，以增强加固效果。

7.2注浆参数

注浆压力：注浆开始应缓慢升压，正常为0.5～1.0MPa，终压为2.0MPa。

注浆量①控压注浆：当压力表达到注浆终压时，可停止注浆；②常量注浆：正常情况下，每孔注入水泥200～300kg左右，分段注浆时，第一排孔注浆量较大，可能是其它孔的2倍以上是正常的；当注入水泥超过500kg，注浆压力仍未达到注浆终压时，可暂停注浆，待2小时后再复注；若复注时注入水泥300kg，压力仍未达到注浆终压时，可换孔注浆。要根据施工情况注意观察注浆压力与注入量。

7.3注浆顺序与锚注工艺

7.3.1断面注浆顺序

先注两帮底角，再注两墙，后注拱部，从下往上对称依次进行，其顺序如图4（a）所示：1→1*→2→2*→3→3*→4→5→6。要求用两台注浆泵同时对称锚注。

7.3.2纵向注浆顺序

采用隔排注浆，按先单后双的间隔复注方式，其顺序如图4（b）所示：1-1断面→3-3断面→5-5断面→2-2断面→4-4断面→6-6断面，不断重复上述过程。钻孔后，一对注浆锚杆施工完成，再钻下一对锚孔。

7.3.3注浆工艺：见附图2和图3

7.4注浆施工要求

①按设计的间排距打注浆锚杆孔，底脚孔下扎45°，其它孔应垂直岩面。

②注浆前应检查岩面，发现裂缝或开裂处应采用快硬水泥卷封堵。

③注浆设备应由专人负责，注浆时应加强信号联系，保证注、停及时。

④注浆过程中发现有漏浆现象，应立即停止注浆，封堵后再行注浆。

⑤注浆后过30分钟，卸下球形阀，并用清水清洗干净，以备复用。

⑥应及时记录每班各孔注浆参数，以便分析围岩注浆量及可注性。

⑦注浆时人员应离开注浆孔1m，以防孔口漏浆伤人。

7.5注浆质量检测

7.5.1断面检测

沿巷道每10m布置一个检测断面，每断面布置三根注浆锚杆，拱顶1根，拱基线处各1根，进行复注检查，如图7所示。

7.5.2注浆检测

对图7所示的三根注浆锚杆分别进行注浆，当出现1根注浆压力小于1MPa、注入水泥量大于50kg时，表明原注浆未注满或围岩裂隙未充实，应在10m范围内补打注浆锚杆重注。

7.5.3复喷要求

巷道验收前对已锚注的巷道进行复喷混凝土，覆盖注浆锚杆。

图7 质量检测断面注浆锚杆布置

8.支护效果评价

主井、风井锚注部分巷道施工结束后，按照要求进行了“十字布桩和顶板自动记录仪”等矿压观测。经过两个多月的观测，围岩基本趋于稳定，无明显矿压显现。同时，风井下段经过注浆加固的巷道，顶板涌水量相对减少，目前只是个别地方有滴水现象，改善了井下施工条件。目前锚注技术已经在清水营煤矿副立井马头门、11采区水泵房等重点工程已成功应用，从围岩状况以及矿压观测结果来看，这种软岩支护技术取得了良好的支护效果和经济效益。

9.结论

采用锚杆和注浆相结合的新型锚注支护体系，利用空心锚杆兼做注浆管，通过注浆将松散围岩胶结成整体，改善围岩的结构及其物理力学性质，既提高围岩自身的承载能力，又为锚杆提供了可靠的着力基础，发挥锚杆的锚固作用，从而有效地控制住高应力极软岩巷道的大变形。锚注后，围岩形成了良好的组合拱结构。锚注支护技术具有 可平行作业、施工速度快、支护成本低、支护效果好的特点，为煤矿 安全生产和高产高效创造了有利的条件。 [科]

【参考文献】

[1]王卫军，侯朝炯.软岩巷道工程参数优化与工程实践.岩石力学与工程学报， 2000，09，19（5）：647-650.

[2]李明远，袁亮，尹正柱，李伟等.高应力极软岩工程锚注支护机理及技术研究与应用.淮北矿业集团公司.山东科技大学.淮南矿业集团公司.中国矿业大学.