中空注浆锚索在顶板淋水主斜井堵水支护加固中的应用

李　凯，张明磊，张春喜

(1.潞安集团古城煤矿，山西 长治 046204；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221008)

中空注浆锚索在顶板淋水主斜井堵水支护加固中的应用

李凯1，张明磊2，张春喜2

(1.潞安集团古城煤矿，山西 长治 046204；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221008)

摘要：针对古城煤矿主斜井巷道掘进过程中顶板出现的锚索孔淋水严重影响支护效果和施工进度的情况，通过巷道钻孔探放水探测发现顶板存在很多强度较低的泥岩岩层，开挖后在原岩应力的作用下，容易产生裂隙，此时的裂隙会导致水从裂隙中渗透出来，对施工与支护造成不良影响。基于注浆锚索的堵水支护加固和注浆理论，通过理论计算选择了合适的主斜井顶板淋水段的注浆锚索支护方案和注浆参数并在主斜井里程590～599m进行注浆锚索试验，确定注浆锚索施工的具体参数。根据注浆锚索试验段的矿压观测表明，注浆锚索堵水支护加固措施在古城矿主斜井淋水试验段取得了成功应用。

关键词：主斜井；顶板淋水；中空注浆锚索；支护设计；堵水加固

在实际生产中，经常会遇到这样一种巷道：巷道处于稳定的围岩当中，若无特殊地质构造或地质状况，普通的支护方式完全能够满足巷道的支护要求，但是当巷道掘进至较恶劣地质条件时，普通支护下的巷道将难以保持稳定，支护构件失效，甚至造成支护围岩的破碎。例如在顶板有淋水的状况下，在顶板水的腐蚀下，顶板围岩强度降低，普通的锚杆(索)支护效果受到严重影响，威胁巷道的安全稳定。

中空注浆锚索兼顾了单体锚索支护承载作用和破碎围岩体内部裂隙注浆的加固作用，极大地优化了注浆施工工艺[1-2]。因此注浆锚索支护技术在许多巷道，例如软岩巷道、煤层顶板巷道、地质构造破碎巷道，都得到重要的应用[3-6]，并取得了良好的支护效果。

1工程概况及加固方案设计

1.1工程概况

古城矿主斜井预计穿过表土层厚度为92m、基岩风化带边界深度为125m。根据井筒穿过的表土层深度和其深部有多层厚粉沙层并含水的特点，确定主斜井井口段43m采用明槽开挖施工，其余表土层及风化基岩段采用分段递进、穿过式多排立孔差异冻结法(施工开挖区的冻结壁厚度可以保证井筒安全施工)施工，其最大冻结深度为141m，冻结段井筒斜长为504m。基岩段采用普通法施工，必要时采用工作面预注浆或疏导排综合防水措施通过含水层。主斜井表土段采用直墙半圆拱加底拱马蹄形断面、挂网马蹄形“U”型钢支架喷砼一次支护及马蹄形单层钢筋混凝土二次砌筑支护；风化基岩段采用直墙直底半圆拱断面、铺网“U”型钢支架一次支护和混凝土砌碹与筑底二次支护；基岩段采用直墙半圆拱形断面、锚索喷支护。

主斜井表土层段支护效果较好，未发生淋水状况。进入基岩段后，由于在原始设计中未探得该段存在含水层，所以未进行探放水工作。在打设锚索孔时，锚索孔出现淋水现象，部分锚索孔淋水水量较大，部分顶板离层仪也出现淋水现象，已严重影响巷道的支护质量和现场施工进度。为保证施工进度，从580m处开始停止打锚索孔只进行锚网喷支护，在580～880m段就没有进行锚索的支护，直到880m后才进行锚索支护。

虽然在短期内巷道并未发生大的矿压显现，但古城矿主斜井服务时间较长，对支护的要求高，锚索对于主斜井的支护起到至关重要的作用。因此对此段岩层进行探放水工作(探放水钻孔布置见图1)，发现古城矿主斜井顶板存在很多强度较低的泥岩岩层，开挖后在原岩应力的作用下，容易产生裂隙，此时的裂隙会导致水从裂隙中渗透出来，严重影响支护效果和施工进度。对于该种情况，现今最好的办法是顶板水的抽排，但顶板裂隙水量大，抽排时间长，影响主斜井的掘进速度，因此对古城矿主斜井顶板淋水段采用注浆锚索支护。

1.2主斜井注浆锚索支护参数的确定

1.2.1注浆锚索支护配合锚喷支护作用

利用注浆锚索配合表面喷浆支护，见图2。

通过锚喷支护的组合拱厚度由岩石拱(hy)和喷层拱(δ)组成，见式(1)及式(2)。

(1)

(2)

式中：E0为喷浆层的弹性模量；E1为围岩的弹性模量。

图1探放水钻孔断面示意图(单位：mm)

图2岩石均匀压缩带

由于受裂隙水影响，巷道顶板岩石稳定性降低，为安全起见，将锚索控制角α设为45°，则有岩石均匀压缩带的厚度，见式(3)。

(3)

式中：l为有效控制长度，m；a为间距，m；b为排距，m；α为控制角，°。

喷层组合拱与岩石均匀压缩带之间距离见式(4)。注浆锚索支护形成组合拱厚度见式(5)。因此利用注浆锚索支护后进行锚喷支护，形成的组合拱厚度为注浆锚索加固拱厚度及锚喷支护拱厚度之和，其表达式见式(6)。式(6)中hj为注浆锚索加固拱厚度。

(4)

(5)

(6)

1.2.2注浆锚索支护参数

注浆锚索的支护与普通锚索相同，采用端部锚固，搭配一支K2335树脂锚固剂和两支Z2360树脂锚固剂，钻孔直径为33mm，锚固长度1355mm。为保证注浆锚索注浆后能对古城矿主斜井成功进行堵水，两注浆锚索在空间上应该保证注浆能一定程度上相互贯通，因此根据注浆孔排距的大小设计注浆锚索的排距。为保证注浆浆液能够充分扩散，又考虑到锚索、锚杆排距的相互配合，取注浆锚索的排距为1600mm。注浆锚索排距确定后，可根据式(7)确定锚索间距。

(7)

根据式(7)计算可得锚索间距为2.34m，根据施工经验以及出于更安全考虑，最终设计锚索的间距为2000mm。

1.3主斜井的原支护方案

古城矿主斜井基岩段净宽6.0m，净高4.2m，净断面积21.33m2，倾角15°，支护断面图见图3。原支护方案采用锚网索喷支护，锚杆支护增加钢筋托梁，锚杆选用Φ22mm×2400mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每根锚杆配K2335和Z2360树脂锚固剂各一支，锚杆间排距为800mm×800mm。钢筋托梁采用Φ16圆钢加工，锚索选用Φ18.9mm高强度低松弛钢绞线，锚索长度为8.3m，搭配一支K2335树脂锚固剂和三支Z2360树脂锚固剂，钢筋网规格为长×宽=2.0m×1.0m，网孔100mm×100mm，用Φ6.0mm的钢筋焊接而成。喷浆厚度为200mm，强度为C25。

喷射混凝土料配料比(体积比)为：水泥∶砂∶石子=1∶1.82∶1.82。初喷厚度为50mm，复喷达到设计厚度200mm，初喷紧跟掘进工作面，复喷距离掘进工作面不超过40m。喷射混凝土配比材料要求见表1。

图3古城矿主斜井原支护方案(单位：mm)

表1喷射混凝土配比材料

材料配比要求速凝剂掺量占水泥用量的4%,水灰比为0.45,其强度不低于C25水泥普通硅酸盐水泥,标号为PO42.5,无过期、受潮结块现象黄沙清洁的中粗黄砂,含水率3%～6%,含泥量不大于3%。石子清洁干净,粒度3～5mm水不含杂质,pH值6～8

顶板锚索孔淋水严重影响支护效果和施工进度，因此在淋水段暂未进行锚索支护。主斜井服务年限贯穿矿井始末，其长期稳定性至关重要。因此，在原支护方案的基础上增加注浆锚索进行堵水加固，以保证巷道顶板的稳定。

1.4主斜井的注浆堵水方案

注浆锚索结合锚网喷的支护断面见图4。具体支护参数如下所述。

1)拱顶部每排布置13根锚杆，墙部每排布置4根锚杆。锚杆采用矩形布置方式，锚杆间排距为800mm×800mm，墙部两根锚杆间距700mm。锚杆选用Φ22mm×2400mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每根锚杆配K2335和Z2360树脂锚固剂各一支，配套150mm×150mm×10mm碟形托盘、调心球垫、尼龙垫，选用Φ16圆钢加工而成的钢筋托梁。锚杆扭矩力不小于350N·m，锚杆锚固力为100kN。

2)锚索每排3根平行布置，间排距为2000mm×1600mm。选用Φ22mm×8300mm螺旋肋预应力中空注浆锚索，每根锚索配一支K2335和三支Z2360树脂锚固剂，每套锚索配套300mm×300mm×16mm碟形托盘、调心球垫、尼龙垫圈。锚索配套钻孔为28～32mm，锚索的破断力不低于400kN，锚索的预紧力大于150kN。

图4注浆锚索结合锚网喷支护断面图(单位：mm)

2现场施工及注浆效果

2.1施工工艺

注浆锚索采用风动锚杆机打孔，钻孔时，如果围岩比较破碎，容易导致钻孔空口处形成喇叭口，需要用纱布配合锥形橡胶塞止浆塞，以保证注浆质量。在装入锚索后通过张拉机具对锚索进行预紧力的施加，同时将塑料软管挤压，挤压后实现固体密闭塑料对孔口的封闭作用，防止浆液在注浆压力作用下跑出。为了防止围岩风化，防止深孔注浆过程中发生漏浆，在中空注浆锚索张拉预紧后喷射混凝土，强度等级为C20，初喷厚度50mm，复喷厚度150mm。待开始注浆时，先通水检查注浆管路是否顺畅，防止注浆开始后浆液被堵塞，确保无误后，采用干净的搅拌仪对注浆液进行搅匀，保证注浆液的浓稠度。

2.2注浆效果

在主斜井里程590m处之后开始打设6排注浆锚索的试验段，每排3颗，共18颗。沿巷道走向方向，注浆锚索施工前后巷道的出水情况如图5所示，可清晰看出注浆锚索施工效果。

图5注浆锚索施工前后巷道情况

由于巷道注浆锚索是按照巷道走向施工，所以前排的注浆锚索注浆对后续的注浆锚索孔出水产生影响，现场得到的出水规律可以发现按排数增加，注浆锚索孔的出水量逐渐减小，可以得出前排的注浆对后排的注浆锚索孔出水产生很大作用；注浆后注浆锚索孔并未出现滴水或流水现象、附近的锚杆孔亦未出现流水的现象，注浆堵水效果好。

3矿压观测分析

为验证顶板注浆锚索联合锚网喷的支护方式对顶板的支护加固效果，在注浆锚索试验段即沿巷道里程590m位置附近设置KD矿压观测测站，包括巷道表面位移监测和顶板离层监测。测站位置见图6。

图6　测站布置位置

经过40d左右的矿压监测，巷道表面收敛情况和顶板离层监测分别见图7、图8。

图7巷道表面变形监测

图8顶板离层监测

通过图7、图8可以看出，巷道顶底板移近量为14mm，顶板下沉量为8mm；两帮移近量为11mm，左帮最大位移量为4mm。巷道整体变形很小，变化主要集中在注浆锚索安装后9d时间内。顶板离层仪浅基点离层读数仅为2mm，深基点离层读数仅为3mm，巷道顶板没有离层。故综合来看巷道位移量值很小，完全满足巷道的支护安全性要求。

4结语

1)利用中空注浆锚索注浆，堵水效果明显，注浆后注浆锚索孔并未出现滴水或流水现象，有效解决了古城矿主斜井顶板淋水问题。

2)采用中空锚索注浆，能增强围岩整体性，提高锚固体承载能力，有利于巷道稳定。

参考文献

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Application of hollow grouting anchor cable in the water plugging and supporting-strengthening of the water spraying main inclined shaft

LI Kai1，ZHANG Ming-lei2，ZHANG Chun-xi2

(1.Gucheng Coal Mine，Shanxi Lu’an Group，Changzhi 046204，China；2.School of Mines，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221008，China)

Abstract:Aiming at the water leakage from anchor cable bore in Gucheng coal mine main inclined shaft which influences the support effect and construction schedule，We discover the roof has a lot of low strength mudstone rock strata that easy to produce cracks under the excavation.The cracks will lead to the water from the cracks in the infiltration which causes adverse effects tothe construction and support.Calculating the supporting schemes and grouting strengthening patameters of roof leakage parts in main inclined shaft by theory calculating methods and making the specific grouting cable anchor parameters by arranging testing section and constructing in 590～599m of main inclined shaft.Recording the mine pressure summarizing，thegrouting anchor cable reinforcement supporting water plugging measures have been successfully applied in the ancient city of mine water test section of inclined shaft.

Key words：main inclined shaft；roof leakage；hollow grouting anchor cable；supporting design；water plugging and supporting-strebgthening

收稿日期：2015-09-29

作者简介：李凯(1976-)，山西长治人，工程师，现从事煤矿技术管理工作。E-mail：gcklikai@163.com。

中图分类号：TD353

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)05-0093-04