深部软岩底板超长孔预应力锚索注浆加固技术

陈根生 查德求

深部软岩底板超长孔预应力锚索注浆加固技术

陈根生 查德求

淮南矿业顾北煤矿 安徽淮南 232151

底臌是煤矿巷道中经常发生的矿压现象，巷道底臌后断面缩小，影响运输、通风和人员行走，不利于矿井安全生产。底臌对巷道造成严重影响，反复卧底不但造成经济损失，还同时会影响帮顶围岩的整体稳定性。本文以淮南矿业集团顾北煤矿南翼轨道大巷绞车房为例，介绍巷道底板锚杆（索）、底板加固支护参数及施工工艺，使用后，绞车房硐室稳定状况良好，底板加固效果显著，巷道未出现以往绞车房中底鼓速率大、持续时间长的问题，解决了深部高应力硐室因底板变形而需频繁巷修的难题，支护效果较为理想。

底臌；预应力锚索；注浆加固

一、概述

底臌是煤矿巷道中经常发生的矿压现象，巷道底臌后断面缩小，影响运输、通风和人员行走，不利于矿井安全生产。底臌对巷道造成严重影响，反复卧底不但造成经济损失，还同时会影响帮顶围岩的整体稳定性。本文以淮南矿业集团顾北煤矿-648m水平南翼轨道大巷绞车房为例，介绍巷道底板锚杆（索）、底板加固注浆支参数及施工工艺。

二、地质条件分析

该巷道位于11-1煤底板以下，距11-1煤底板10.1～12.9m，围岩以泥岩、煤线和砂质泥岩等为主。岩层较为破碎，距底板约7.5～8.8m有一层厚1.3m的细砂岩。

砂质泥岩总体特征为强度低，软化系数小，水理性质不良，抗风化力差，与水作用时容易失水收缩浸水膨胀崩解。研究资料表明：砂质泥岩是一种弱膨胀非水稳性软岩，只要控制砂质泥岩的含水状态，不使含水量损失率超过初始值的40%，完全可以控制砂质泥岩的崩解作用。否则，在干燥状态下浸水，或在饱水状态下迅速失水，都会导致工程性质恶化。在工程建设中，在可能条件下，应尽可能防止其天然含水状态发生强烈变化，否则砂质泥岩在数十分钟内就会全部崩解成泥状。

三、底臌发生机理及支护对策

（一）影响底臌的主要因素

对于不同的巷道或硐室而言，其破坏的机理可能存在较大差异。影响巷道变形的因素很多，如围岩岩石物理力学特性、矿物组成、岩体构造、构造带（如断层、褶皱、褶曲）等的影响，其他还有水、瓦斯、温度、设计、支护结构与施工工艺及质量均对巷道产生一定的影响。

（二）底臌发生机理

造成底板围岩整体剪切破坏原因主要包括以下两方面：其一，随着巷道开挖及支护进行，顶部塌落区围岩将通过两帮逐渐向底板进行荷载转移，引起底板基底压力逐渐增加，诱导底臌发生；其次，当巷道开挖时，帮脚、底角附近处围岩最易产生应力集中，形成较高的偏差应力，且局部地区为二向应力状态，此处岩体强度极低及最易产生剪切破坏，即底板抗剪承载力下降，加速底臌发展。因而，底臌的最主要原因是底板临界剪切滑移面岩体抗剪强度不足引发的。

（三）全长预应力注浆锚索技术

全长预应力注浆锚索其具体施工工艺是采用注浆的方法首先将预应力锚索一端锚固在巷道底板深部稳定围岩中，然后进行初次张拉，给锚索另一端施加一定的主动作用力，使锚索具有一定的预应力。在此基础上再进行锚索孔全长范围内的高压注浆。浆液凝固后对锚索最后进行张拉，并张拉至设计锚固力值，保证锚索在全长范围内具有较高的预应力，真正实现了锚索对破碎岩层的主动支护，岩体压力荷载便通过锚索被传递到深部稳定的岩体，深部稳定的岩层自稳潜能得到充分发挥，从而可以有效控制巷道底板变形。

目前煤矿巷道、硐室支护采用的锚索主要分两种：

1.树脂锚固锚索：柔性钢绞线作为锚索索体，外端安装让压式锁具、托盘或锚梁等构成一套锚索，安装时采用搅拌药卷式树脂锚固剂锚固，也称为端锚式锚索支护。

2.全长注浆锚索：中空锚注锚索采用螺旋肋预应力钢丝加工的内有注浆管的螺纹紧固锚索，最主要的结构特点是索体中空结构，自带注浆芯管，锚固段有三个鸟巢状出浆孔。这样既有利于出浆，又有利于锚索、锚固剂与围岩之间的紧密粘结，可以实现与大孔径钻孔的有效贴合。

中空注浆锚索采用螺旋肋预应力钢丝突出的优点就是其锚固强度、载荷传递特性和锚固延性比用钢绞线截割成的锚索有大幅度的提高。采用高强度螺旋肋预应力钢丝制造锚索的锚固强度比相同直径的用钢绞线截割成的锚索提高15%以上，而锚固延性可提高25%以上。

四、泥质胶结围岩注浆加固影响因素

1.水泥石的破坏基本呈轴向劈裂破坏，在侧向压力作用下的破坏模式主要是拉伸破坏。

2.随着孔隙率的增加，注浆固结体的弹性模量逐渐增大，单轴抗压强度也呈增大趋势。

3.相同围压下，随着孔隙率的增加，注浆固结体峰值应力逐渐增加；随着围压增加，注浆固结体的残余强度逐渐增加，且破坏模式逐渐向延性破坏转变。

4.注浆固结体的粘聚力随着孔隙率的增大呈增长趋势，符合对数函数关系；而内摩擦角随孔隙率增大而减小。

图5 .1基础底部锚索+锚梁布置示意图

5.弹性模量随着孔隙率的增大呈对数函数增长，而泊松比变化规律不明显。

6.裂隙不太发育的岩体中，且注浆压力较低时，浆液只能对界面起到一定的胶结作用，对于岩体强度增强作用不明显。该探索性试验的结果恰能真实反映煤矿深部巷道注浆过程中表面止浆层封浆不好，注浆压力无法达到设计要求，从而造成注浆加固作用失效的情况。

五、底板支护技术与方案

（一）支护总体思路

绞车房基础加固采用基坑帮部锚杆挂网+水平锚索+底板超长孔预应力注浆锚索配合槽钢锚梁+锚索深孔注浆+底角注浆花管+底角地梁的支护方式，绞车基础开挖后，采用锚杆配合钢筋网及时加固基坑直墙围岩，起临时支护作用，防止基坑直墙垮落，保证施工安全；水平锚索起到束缚基坑直墙水平位移作用，配合水平锚杆共同增强基础围岩水平抗力；基础底板锚索“生根”在底板两层细砂岩上，配合锚梁将底板应力转移至深层稳固岩体中，有效扩大承载圈；底角花管起到增强底板抗剪切滑移的作用，同时，保持一定外露长度与浇筑基础形成一体，增强基础抗垂直位移能力，一定程度上可以增强基础运营期抗倾斜能力。锚索注浆与底角花管注浆补强加固起到围岩固结和损伤修复的作用，整体增强围岩，同时，注浆可以实现锚索的全长锚固，有效改善锚索与围岩的贴合程度，显著增强锚索的受力状态。

（二）支护技术参数

1.基础掏挖过程中使用锚杆（ 22mm，L=2500mm）对帮部进行支护，锚杆间排距700×700mm，挂 6钢筋网。基础坑墙距底板1.0m处施工水平锚索（ 22mm，L=7200mm），锚索间排距1.5×1.5m，下扎角度30°。

2.基础底部施工槽钢组合锚索，槽钢采用14#槽钢，要求紧贴岩面，锚索采用中空注浆锚索（ 22mm，L=7200mm），锚索外露1.0m，间排距1.0m×1.0m；锚索施工完毕后，对基础底部进行注浆加固，注浆压力6MPa。如图5.1所示。

3.施工注浆花管，规格：42mm L=7m，间距1.5m，注浆压力6MPa，封孔400mm。距基底400mm处施作，与水平线夹角45°，外露300～400mm。

4.基础浇筑结束后，浇筑底角地梁。先在距底板270mm高度打地帮角锚杆，规格 22 L2500mm，排距1500mm，外露100～200mm。钢筋笼敷设于底角，浇筑强度等级C30的混凝土。钢筋笼纵筋箍筋均采用 16mm钢筋，箍筋排距300mm，如图5.2所示。

5.注浆材料：注浆材料选用水泥浆材，即水泥——水玻璃双液浆。水泥采用42.5MPa普通硅酸盐水泥。锚索注浆压力6 Mpa。水泥浆的水灰比应控制在(0.65～0.9):l。水玻璃浓度一般应控制在10～30 Be。水泥浆与水玻璃之比应控制在1:(0.1～0.15)。

图5 .2.a底角地梁

图5 .2.b钢筋笼

六、结论

通过对南翼轨道大巷2.5m绞车房的现场围岩稳定性监控数据分析，得到以下几点结论：

1.两帮经过支护后变形量很小，平均变形速率都低于0.05mm/d，可认为基本没有变形，两帮治理效果较好；

2.近20天内硐室3个测站最大累计底臌量不足10mm，说明底板治理效果显著，底板采用超长底板注浆锚索+注浆花管+底角地梁的支护措施初显成效；

3.深部位移监测结果显示：底板位移都经历了一个从快速变形到稳定的阶段，在初期（9月10日之前）未施工完绳道地锚之前变形增长较快，之后深部变形趋缓，均低于0.003mm/d，呈收敛趋势。

4.锚索轴力监测结果显示：基础坑内中间段锚索受力水平较边缘段锚索高，这与前期底板治理方案数值模拟结果一致，间接证明基坑底部竖直方向位移为中间大两侧小；

5.混凝土应力计监测结果显示，基础水平方向主要受近绳道走向来压，而垂直绳道走向的微弱，竖直方向受力为混凝土自重产生的压力。

综合分析，在目前的支护体系下，南翼轨道大巷2.5m绞车房及其衔接巷道底板支护效果较为理想。

陈根生，男，1983-，安徽桐城人，本科。2005年毕业于河南理工大学采矿系，现就职于淮南矿业集团顾北煤矿。