锚注支护技术在巷道破碎围岩控制中的应用研究

王 赞

（潞安矿业集团 余吾煤业有限责任公司，山西 长治 046103）

1 项目概况

余吾煤业公司南轨大巷埋深+400 m，围岩较破碎，巷道在原有锚杆锚索支护时，表现出四周来压、整体收敛、变形强烈的特点，顶板冒落较严重，并有少量片帮现象，锚杆锚索出现了拉伸断裂现象。针对以上问题，本文结合该巷的地质资料，利用注浆支护原理对原有支护进行改进，并经UDEC数值模拟软件对原有方案和优化方案进行了模拟分析，现场实测表明：锚注支护可有效解决该类巷道破碎围岩的支护难题，具有一定借鉴意义。

2 工程概况

余吾煤业+400水平南轨大巷地表位于屯留县余吾镇境内，梁峁发育沟谷纵横，多呈“U”字形。埋深600 m左右。设计全长1 121 m，整体位于15号煤往下30 m位置，采用直墙半圆拱形巷道掘进，巷道断面5.84 mm×5.02 mm。据地质资料知：掘进中，巷道依次穿越砂质泥岩、细粒砂岩、泥岩、直接顶为砂质泥岩，厚约5 m，裂隙发育，强度较低。老顶为砂岩，厚约4.6 m。直接底为9 m厚的砂质泥岩。在具体施工中，由于褶皱构造，巷道围岩岩性不一，存在多处变形严重的破碎区域（其上部为石灰岩，下部为铝土岩），围岩岩性为泥质结构、质地软弱，遇水膨胀，且节理裂隙发育，裂隙内多处渗水、滴水，围岩结构不稳定，两帮支撑能力差，底鼓严重，最大底鼓量500 mm左右，且半圆拱顶有掉块、塌落现象。

3 注浆加固机理分析

针对余吾煤业+400水平南轨大巷出现的支护失效现象，据地质资料可知：由于地质构造，节理裂隙发育，多处渗水、滴水，围岩破碎较严重，原支护方案采用锚杆锚索，在围岩周围缺乏稳定的有效着力点，是围岩失稳的主要因素。对此采用注浆作为支护的第一步，将围岩中的裂隙胶合在一起，使破碎围岩固结成整体，还可起到一定阻水效果，减少水对围岩的软化、侵蚀作用。然后利用锚杆锚索支护固结在巷道深部稳定岩层中，形成大范围的锚固结构，从而保证巷道稳定。针对上述深埋巷道过破碎带的特点，支护应从提高整个支护系统的强度和整体性入手。对于节理裂隙较发育的软岩，注浆方法可提高整体强度和变形模量，改善围岩变形和力学参数（如粘结力、内摩擦角、抗压强度、抗剪强度等）。通过注浆可将岩体裂隙面有效地胶合在一起，增强岩体完整性和岩体强度，减少地下水涌入通道，改善围岩水理环境和锚杆锚固条件，更有利于发挥围岩自身承载能力。

3.1 注浆加固作用机理分析

注浆加固作用主要表现：①提高围岩的整体强度和变形模量，改善围岩变形形态和力学参数（如粘结力、内摩擦角、抗压强度、抗剪强度等）。②网状骨架作用：破碎围岩通过注浆固结反应，形成类似网状骨架结构，具有良好的韧性和粘结性。随着围岩所受应力的增加，该结构发生整体变形（但不会轻易破坏），将应力转移到围岩深处，变形破坏也不会由原来裂隙面开始、而是整体变形，从而保证巷道的整体稳定性。③充填压密及改变围岩的破坏机理：浆液在注浆压力作用下将宏观裂隙充分填充，并使部分微观裂隙得到压缩，降低围岩孔隙率，提高围岩的弹性模量及强度。当裂隙中充满固结材料时，围岩受力会由二向应力变为三向应力。应力状态显著增加，岩体脆性减弱、塑性增强，从而改变破坏机理。

3.2 锚注支护数值模拟研究

1）模型的建立∶根据地质资料及现场观测，选取典型地质断面，建立数值模型，通过各类围岩试样的实验结果确定各岩层、结构面参数（如表1和表2所示）。模型长度为100 m，高度80 m，模型底边界和左右边界采用零位移边界，上边界承受垂直应力，边界载荷按埋深400 m计算，(2.5 MPa×4=10 MPa)。模拟本构模型采用摩尔库伦模型，节理材料模型采用面接触库仑滑移模型。

表1 岩体物理力学参数

表2 结构面力学参数

2）模拟方案：针对南轨道巷破碎区域进行UDEC数值模拟，分析各具体方案的，围岩变形及塑性区范围、锚杆受力及失效情况。方案一为原支护方案（锚杆锚索支护）；方案二为优化支护方案（注浆+锚索锚杆）。3）结果分析：①支护方案一时（见图1），巷道顶板破碎严重，两帮均有不同程度的片帮现象，底板稍有突起，锚杆锚索发生扭曲错断变形，总的来说，巷道发生挤压性变形破坏较严重，方案一不能满足安全掘进要求，锚杆锚索支护不能保证巷道围岩的稳定。支护方案二时（见图2），巷道顶底及两帮均没有出现明显的变形破坏现象，采用注浆支护，可将破碎围岩固结成一个整体，锚杆锚索又可充分调用围岩的自稳能力，进而保证围岩稳定，支护效果明显。②图3-6为其垂直应力和水平应力图，由图可知：垂直应力和水平应力在巷道围岩中由表面至岩体深部均呈现一直增大的特征，最小垂直应力与最小水平应力都分布在巷道围岩表面附近。方案一相比方案二，巷道垂直应力和水平应力在巷道周边较低，因为在巷道顶板及两帮破碎部位均出现明显的应力释放区域，应力得到充分释放，巷道深部围岩应力也逐渐向表面转移。方案一支护时，其顶板中央、底板中央、帮部中间部位以及与底板交接处均出现局部垂直应力与水平应力加强区，为易发生变形破坏的部位。方案二支护时，注浆将围岩固结在一起，再利用锚杆锚索的强有力支护，增强巷道周边垂直应力及水平应力，表明巷道支护结构的完整性，能很好起到承载围岩的作用，围岩最大垂直应力与水平应力均向巷道深部转移，不易形成围岩破碎。

图1 方案一巷道变形破坏示意图

图2 方案二巷道变形破坏示意图

图3 方案一垂直应力示意图

图4 方案一水平应力示意图

图5 方案二垂直应力示意图

图6 方案二水平应力示意图

4 最终支护方案的确定

4.1 注浆参数的确定

1）注浆孔深度。合理注浆孔深度要满足等于或大于巷道围岩松动圈的厚度，通常条件下，围岩松动圈厚度可用多点位移计测取；从理论计算角度考虑，围岩松动圈的厚度也可用修正后的芬纳公式计算：

式中：P为地应力，MPa；φ 为内摩擦角，°；C为岩石粘结力，MPa；r为巷道半径，m；Ps为支护反力（注浆时Ps=0）。由于巷道所受压力P为10 MPa，内摩擦角φ取42°。粘结力C取8 MPa，半径r取2.92 m。代入公式，R=2.942 7。按注浆加固厚度大于松动圈半径，并结合现场实际，选取注浆孔合理深度为5 m。

2）注浆压力。根据经验公式及工程实际，注浆压力由下式确定

式中∶K为注浆段的压力系数，MPa/m；深度小于200 m时，K=0.023～0.021，深度为 200～300 m时，K=0.021～0.020，深度为300～400 m时，K=0.020～0.018。对深度400 m的巷道，K可取0.018；R0为注浆孔有效长度，m。P0=0.018×5=0.09 MPa。注浆过程中，由于破碎围岩常对注浆材料产生一定的阻力。若注浆材料要顺利进入深部破碎围岩内，在注浆过程中需重点考虑注浆压力的大小。通常情况下，理论计算的压力往往偏小，为保证注浆具有较大的影响范围，注浆需用较高压力。通过分析现场实际及结合相关注浆压力理论，注浆压力选取2 MPa。

3）注浆最大影响半径。可依据经验公式：

式中：P0为注浆孔口的有效压力，2 MPa；bm为裂隙张开度，5×10-4m；τ0为注浆液动切力，4 Pa；ρ为浆液密度，1 600 kg/m3；α 为裂隙等效倾向，45°；k为修正系数，0.2～0.5；θ为浆液扩散方向，45°。代入上式得rmax为1.5 m。

4）注浆量。为保证注浆效果理想，要尽量满足相邻注浆孔注浆范围的重叠，以达到改善围岩整体力学特性的效果，每个注浆孔的注浆量需满足一定的要求。即在注浆时，注浆需达到孔不再吃浆为止，故有：

式中：Q为每个孔注浆注入量，m3；r为浆液有效扩散半径，1.5 m；n为岩石孔隙率，n＜1取 4%；L为注浆孔总深度，5 m；α为有效充填系数，α＜1取90%；β为浆液耗散系数，β＞1取1.3。则Q=1.65 m3.

5）注浆孔布置∶巷道围岩注浆孔的布置形式，对注浆效果的好坏影响较大。合理布置注浆孔的形式需满足∶①注浆孔能吸收较多的注浆量；②注浆后，浆液扩散半径较大，基本能对巷道周围所有破碎围岩起到一定的封闭加固作用；③注浆后的浆液能较均匀地分布与巷道围岩中。根据潞安集团余吾煤业公司南轨大巷实际情况，对巷道采取注浆加固支护方法，注浆孔排距3 m，孔深5 m，间距1 m，注浆有效扩散半径1.5 m。

4.2 支护效果监测

通过上述分析与模拟，为验证“注浆+锚索锚杆”联合支护的实际效果，在南轨大巷掘进面破碎带附近实施该联合支护方案，每隔20 m布置1个矿压观测站，共布置3个测站，观测巷道表面位移及锚固力随掘进推移的而变化。见图7-10。

从图看出，采用优化后的支护，巷道变形基本稳定，顶底板最大移近量127 mm，两帮最大移近量113 mm，说明顶底板及两帮岩体的整体性和稳定性较好,得到明显控制；锚杆锚索受力也较均衡，锚索受力稳定在200 kN左右，锚杆受力也稳定在70 kN，均达设计要求，表明注浆配合锚网支护既加固了围岩，又发挥了锚索锚杆的锚固作用，形成有效的组合拱结构，巷道压力显现不明显,顶帮支护完好；观测结果表明巷道收敛明显变小，围岩稳定性增加，该优化方案取得良好支护效果，支护参数也较合理。

图7 巷道顶底板变形量图

图8 巷道两帮板变形量图

图9 锚索受力情况监测图

图10 锚杆受力情况监测图

5 结论

①针对破碎围岩支护难题，采用注浆支护，可明显改善围岩变形形态及其力学性质，在破碎围岩中形成良好韧性和粘度的骨架结构；注浆在充填压密裂隙的同时，常会改变围岩受力，并会改变破坏机理。②通过UDEC数值模拟分析，原方案变形破坏特征与巷道实际变形破坏特征相符，可说明模拟参数的选取合理性，保证了锚注支护方案模拟结果与实际相符。③通过数值模拟及现场实测结果表明：破碎围岩支护难题，采用注浆作为支护第一步，可有效提高围岩的完整性，改善围岩受力状态，并为锚杆锚索提供稳定的有效着力点，保证了巷道支护的长期稳定。④对于围岩较破碎的巷道，采用注浆+锚杆锚索联合支护，可有效控制围岩顶底移近量及两帮收敛量，巷道支护效果理想，可为今后类似巷道支护借鉴。

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