破碎煤岩体钻锚注加固技术

添加人：admin 发布时间：2015/11/9 14:43:50 来源：中国破碎机网

　　采矿工程学论破碎煤岩体钴锚注加固技术吕华文（煤炭科学研究总院北京开采所，天地科技股份有限公司开采所事业部，北京100013）钻锚注支护属于锚注支护的一种特殊形式。在介绍已有锚杆支护和锚注支护研究成果的基础上，介绍了钻锚注支护机理、钻锚注材料和井下试验。实践表明，钻锚注一体化支护技术是一种有效的破碎煤岩体加固技术，具有其他支护形式无法比拟的优越性。
　　锚杆支护以其优越的支护原理、简单的工艺、经济的造价和良好支护效果等特点，已被广泛应用于煤矿、铁路隧道、水利工程和土木建筑等工程中。特别是最近几年，煤巷锚杆支护技术的迅速发展和应用，给煤炭企业带来巨大的经济效益。锚杆支护成为巷道支护的一个主要发展方向。但软岩给锚杆支护带来了一些难题，有时普通锚杆支护无法维护软岩巷道的稳定。对软岩支护，国内外提出不少支护和加固方案。
　　但是，随着开采深度和开采范围增加，出现了一大类极破碎围岩条件。它们共同的特点是整体性差、破碎、松散，普通锚杆支护困难；并且部分成孔困难，无法实现先钻孔、后安装锚杆（索）的施工过程，锚注支护也相当困难。在煤矿中，这种条件主要表现在以下几个方面。
　　（1）沿空掘巷现行的沿空掘巷一般留设小煤柱35m，很多情况下小煤柱非常破碎，给锚杆支护施工带来很大困难，有的甚至钻杆抽出后钻孔就塌落，导致无法安装锚杆。
　　（2）掘进工作面过断层或破碎带这种条件下巷道一旦暴露顶板就要冒落，必须对围岩进行超前加固。由于围岩十分破碎，给锚杆施工带来很大困难，迫切需要一种快速、有效的超前加固方法。
　　（3）软岩巷道底鼓治理巷道底鼓治理一直是软岩支护中的一大难题，由于打底板钻眼比较困难，所以底鼓问题长期没有得到有效解决。
　　（4）破碎围岩巷道维修巷道使用一段时间后，往往由于变形量大不能满足生产要求，必须进行维修。这类巷道一般都出现了较大范围的破坏区，浅部围岩松散破碎，成孔非常困难。
　　为了解决这些困难条件下的支护问题，国内外进行了大量的试验和研究。大量巷道围岩-支护关系研究结果表明，软岩巷道围岩-支护关系与中硬岩巷道有明显区别，支护强度对软岩巷道变形控制比对中硬岩巷道作用更大。而普通销杆支护、锚喷支护、砌碹支护以及框架结构支架支护在此条件下由于各自的特点，大多无法及时地提供较高支护强度。锚注支护因工序繁杂，在上述条件下有时无法施工，同样也无法及时地提供较高的支护强度。为此，引入一种新型支护方法钻锚注一体化加固，这种方法可以归人到锚注体系中，是锚注的一种特殊形式。
　　1钻锚注加固机理巷道开挖后围岩产生松动，围岩强度降低，特别是破碎、松软围岩，将会出现裂隙发育的破裂塑性区。巷道底板若为软岩或处于应力构造区，巷道掘进一段时间后，将出现底板浅层岩体鼓起破碎的现象。这些现象是岩体应力重新分布的结果，而岩体应力重新分布导致岩体受力破坏。要使钻锚注加笫五郏分矿山巷道*进、支栌a论与技术固效果更好，设计参数选择更加合理，必须先清楚地认识岩体受力破坏过程。
　　1.1破碎岩体受力破坏过程在巷道开挖后，破碎岩体因不同条件在不同时间、不同阶段开始受力破坏，形成了一个反复循环过程。这一过程大概分为4个阶段：①压密阶段；②弹性阶段；③塑性阶段；④破坏阶段。
　　治理破碎围岩有3个着重解决的问题。
　　（1）如何阻止表层岩体进一步破碎，减小松动圈的范围，（2）如何增强岩块之间的黏聚力从而使岩体抗剪抗拉能力增强，（3）如何增加岩石松动圈本身整体性来抵抗周围岩体的压力，1.2注浆加固作用分析一般认为岩体破坏以剪切破坏为主。在这里采用莫尔强度理论对注浆加固的作用作一分析。为简化计算，强度曲线采用直线型包络线，即C岩体的内聚力，MPa；~一内摩擦角，（°）。
　　由上式可知，岩体强度大小由C、p两个指标确定。当巷道掘进后，原岩体中应力平衡状态受到破坏，围岩应力重新调整，表现为巷道周边径向应力消失，切向应力增大，而出现应力集中现象。当集中的切向应力超过岩体强度极限时，巷道周边岩体首先破坏，产生裂隙，岩体原有的内聚力C及内摩擦角p值下降，在巷道周围的一定范围内形成围岩破碎带，即所谓围岩松动圈。在此松动圈内的岩体，是具有一定残余强度的多裂隙岩体，是塑性区的一个组成部分。钻锚注加固就是处理这一区域内的岩体，使其强度得到提高，从而使莫尔圆远离强度包络线，如所示。显然，这有利于围岩的稳定。
　　岩体C和P值的增值大小，视注浆材料的性能及注浆工艺是否合理而有所不同。一般来说，注浆材料本身固结强度高、稳定性好，其C和>值增加的较大；注浆工艺合理，能保证岩体裂隙充填密实，浆液与裂隙面黏结牢固，其C与P值也增加得多。
　　根据前苏联B.C.沙新的研究表明，岩体内聚力c（r）随离开巷道周边向岩体深人的距离增加而逐步增大，可用下式近似表示：莫尔强度准则表示的注浆前后岩体强度变化Cr，n岩体裂隙性系数（Cr>0n R离巷道周边某点处的距离，m；R巷道半径，m. *248*采工秘学街论注浆后，裂隙岩体固结起来，除内聚力近似的如上式所示外，岩体的裂隙参数亦有变化。注浆前《=2，注浆后=6.假定“=尺/及。=2，则注浆前后的（1/r）*分别为0.25及0.015625.可见，巷道围岩注浆后，对其强度的影响是很大的。此外，根据前苏联M.卡姆别霍尔及别廖也夫等人的研究表明，岩体经注浆后，取样测定，其内聚力C值较原来增加了40%70%* 1.3钻锚注加固机理钻锚注支护是钻进、注浆和锚固结合在一起的支护方式。它有两种施工方式：一是先钻进成孔、而后注浆锚固；二是随钻进随锚固。这两种方式的选择是根据岩体裂隙的开裂程度和岩体的岩性。无论哪一种形式都会产生如所示的效果。从图中可以看到，浆液从锚杆中间流进，然后从锚杆末端钻头孔喷出，最后挤向岩体的裂隙，在裂隙中间作为一种黏结剂将破碎的岩块黏结在一起。
　　破碎围岩巷道的破碎塑性区经过自钻锚杆注浆后，破碎结构的围岩被胶结成拱形连续体加固圈。同时，自钻铺杆又起到悬吊、挤压等作用，使巷道围岩沿径向挤压的压力转化成切向压力，防止围岩松动范围的进*步扩展，从而使巷道径向应力减小到仅用较小的支护阻力就能使围岩长期处于稳定状态根据以上所述，以下从各个方面说明钻锚注支护加固机理。
　　（1）自钻锚杆钻进后，不抽拔出杆体，使钻孔内壁自由空间小，从而使钻进对围岩的破坏减弱。同时，解决了钻孔塌陷给施工造成不利问题。
　　（2）自钻锚杆注浆加固的巷道，可利用浆液形成的胶结体封堵围岩裂隙，隔绝空气，防止围岩风化，且能防止围岩被水浸湿而降低围岩的本身强度。
　　（3）松散破碎岩体经自钻铺杆注浆后，在注浆范围内破碎岩块和播杆胶结成整体，提高了岩体的内聚力、内摩擦角和弹性模量，从而提高了岩体强度，实现利用围岩本身作为支护结构的一部分。前苏联的研究资料表明，注浆后砂岩强度增加50%70%，细砂岩和泥质岩增加24倍，岩石强度的增大时支护载荷减小2/34/5.（4）注浆辰使得作用在拱顶的压力能有效地传递到两墙，通过对墙的加固，又能把荷载传到底板；同时由于组合厚度的加大，能减小作用在底板上的载荷集中度而且减小底板岩石中的应力，减弱底板的塑性变形，减小底鼓量。而底板的稳定，有助于两墙的稳定，在底板、两墙稳定的情况下又能保持拱顶的稳定。
　　（5）锚杆经注浆后使普通端锚变为全长锚固锚杆，从而提高了锚杆的锚固力和可靠性，保证了支护结构的稳定；且将多层组合拱联成一个整体，共同承载，提高了支护结构的整体性。
　　（6）注浆使得支护结构面尺寸加大，围岩作用在支护结构上的载荷所产生的弯矩减小，从而降低了支护结构中的拉应力和压应力，因此能承受更大的荷载，提高了支护结构的承载能力，扩大了支护结构的适应性。
　　（7）在锚喷支护或金属支架、砌碹支护的基础上进行锚杆注浆，可以使壁后充填密实，保证荷载均匀地作用在喷层或砌壁上，避免出现应力集中点而首先破坏（）。
　　自钻锚杆杆体一般采用厚壁无缝钢管制作，外表全长应具有标准的连接螺纹，并能任意切割和用套筒连接加长D*.自钻锚杆根据外径和内径的不同分为很多种。自钻铺杆主要有以下特点。
　　（1）自钻锚杆适用于破碎易塌孔岩体中，集钻杆、注浆杆、锚杆三者为一体，施工工艺简单。普通注浆锚杆在破碎岩体施工中，首先要用专用钻杆打一钻孔，为了防止塌孔通常要在钻进过程中跟进一套管，然后插入锚杆，最后注浆。这样施工工序复杂，施工时间长。而自钻锚杆本身就是钻杆，其前端带上一次性钻头，钻进后不拔出，直接注浆即可。有时，对非常破碎的岩体可以实现随钻随注。
　　（2）自钻锚杆强度高，与注浆材料黏结力强。自钻锚杆为非普通钢材的中空锚杆，其表面为粗螺纹（可根据工程需要制作成左右旋螺纹）。由于杆体为中空螺纹钢管，从抗弯曲、抗剪切及表面黏结强度看，要比相同截面积的实心钢筋的强度大得多。
　　（3）自钻锚杆注浆饱满，并能实现篼压注浆，使浆液充满岩土裂缝。利用锚杆中空作为注浆通道，能使浆液自孔底向孔口呈环状灌注，保证了环状空间和岩石裂缝被填充饱满。另外，在螺纹杆体上旋上带螺纹的止浆塞堵住孔口，可以实现高压注浆。
　　（4）可根据施工需要，截成任意长度和任意连接。自钻锚杆的螺纹为连续形，可任意联结加长与缩短使用。既方便于小型钻机在狭小的地下室、厂房内、桥底、河边工程中使用，又方便于窄棚架、高陡坡等困难环境中分段联结使用。
　　自钻锚杆的配件包括止浆塞和钎尾。自钻锚杆杆体表面是等距的深螺纹，止浆塞就是根据这个特点设计，带有和杆体螺纹配套的内螺纹锥形塑料体。钎尾包括两种类型，一种是单用钎尾，只做钻进时杆体与钻进设备之间过渡连接用；另一种是多用钎尾，除了起过渡连接作用外，还起随钻随排粉或随钻随注浆用。- 3工程实例3.1工作面概况潞安矿业集团五阳煤矿矿井内煤层赋存稳定，煤质优越。7508工作面是分层开采，现在回采的是上分层，两侧巷道是沿顶板布置的煤巷。该工作面两侧工作面（7510和7506）已经采完，其中7510工作面分层开采，7506工作面属于放顶煤开采。7508工作面运巷留设煤柱5m，风巷留设煤柱8m，如所示。
　　该工作面两条巷道在掘进期间出现了底鼓，底鼓量达900mm左右，经起底修复，满足了生产要求。
　　但是，回采时的底鼓问题又凸显出来，底鼓量为8001 200mm.这种情况给材料运输、超前支护以及通风等带来了极大的麻烦，又需要起底修复，有时还需再次修复，工程量大，成本高。为了解决底鼓问题，科研单位和各矿技术人员积极探索、寻找合适的办法，但各种办法治理均不理想。为此，借助前人的经验，引进新技术，在7508工作面风巷进行新技术、新工艺钻锚注一体化支护技术试验研究。
　　3.2钻锚注支护方案及支护材料自钻锚杆组成采妒工狂学抡通过工程实践分析和Fkc*模拟，确定巷道治理底鼓支护设计如下。
　　（1）锚杆形式和规格锚杆杆体为中空特种钢自钻锚杆，杆体外径25mm，内径13mm，长度2. 5m（分lm和1.5m两段，中间有连接套连接），极限拉断力160kN，延伸率10%15%，杆尾螺纹规格M25.（2）锚固方式水泥注浆，普通硅酸盐水泥浆，水灰比是1 2.5，并加入水泥添加剂1.5%（和水泥比）。
　　（4）锚杆角度靠近巷帮的底板描杆安设角度为与垂线成20°。
　　（5）锚杆布置锚杆排距1m，每排4根锚杆，间距1（6）锚索位置是两排锚杆中间，每隔2m 1根，杆体为焯5mm自钻锚杆，长度为5m，由2段1m和2段1.5m连接而成。
　　（7）―次性钻头锚杆用钻头为全钢的，直径为46mm；锚索用钻头为合金钢的，直径为46mm.巷道支护如所示。
　　3.3施工工艺巷道底板支护的施工工艺流程为：清浮煤―伊平底板-准备机具―销杆与钎尾连接，安装钻头，与钻机连接，开始钻孔*送水冷却钻头*钻孔完毕后卸下钎尾和钻机*注浆*桨液固化1d左右-安装托盘和螺母。
　　3.4钻锚注支护检测与监测3. 4.1注浆参数测试结果从试验过程中记录的各注浆锚杆孔注浆压力、注浆量如下。
　　（1）试验段实际注入浆液，平均每个注浆锚杆孔注桨自钻锚索自钻锚杆7508工作面回风巷支护第五部分矿山巷道掘进、支栌理论与技米量约36kg，折合体积1.（2）试验段大多数注浆锚杆孔注浆压力控制在1.52MPa之内，注浆压力比较稳定，个别地点出现用浆量大，无法注满现象，估计这种裂隙已经延伸到7506工作面采空区。从浆液用量来看，浆液扩散范围较大，只要有裂隙与注浆描杆孔直接或间接沟通，浆液均能扩散到这些地点，注浆效果良好。
　　3.4.2表面位移通过实测数据（如，）对比得出结回采面到测站距离/m距终采线19m测站底鼓3倍。钻锚注段顶板下沉量比非钻锚注段顶板下沉量多73mm.钻锚注段两帮移近量比非钻锚注段两帮移近量多10107mm.与非钻锚注段相比，钻锚注加固后巷道底鼓量明显减小，变形得到了明显控制。但两帮和顶板变形量有所增加，这种现象的出现有两个原因：一是试验段处于交叉点，该处巷道周围的应力比非交叉点段巷道周围的应力高，另外，此处两帮破坏情兄严重，造成松动圈范围扩大，给底板支护也带来了一些麻烦；二是经钻锚注底板应力无法释放，向周围围岩转移。从此得出经验，在治理高应力型底鼓的同时，两帮和顶板应予以加固。
　　4结束语对钻锚注支护技术从机理……材料、机具和实践等方面进行整体性论述，各方面有待更深人探讨研究：机理方面，现有的锚注机理多以文字阐述为主，针对具体工程实践的各种参数数据和规律性还需建立；自钻锚杆价格很高，还有待开发一种更适合煤矿生产的质高价廉的自钻锚杆；另外，工程质量的检测仍需研究。