软岩巷道锚注支护技术及其工程实践.pdf

第16卷 第2期岩石力学与工程学报V ol.16N o.2 1997 1997年4月Chinese J ournal of R ock M echanics and Eng ineering161997, 171177 软岩巷道锚注支护技术及其工程实践 杨新安 陆士良 葛家良 上海铁道大学 上海 200333 中国矿业大学 徐州 221008 淮南矿业学院 淮南 232001 提要 分析了国内外锚杆支护的技术特点,认为我国软岩巷道锚杆技术的主要问题是锚杆支 护系统的支护强度不够。进一步研究认为,锚杆与注浆联合支护是目前中国软岩裂隙发育、 可注性好巷道支护很有前途的新途径。提出了锚注结合加固软岩巷道的新思路,发明了外 锚内注式新型锚杆及其加固软岩巷道新技术,解决了一系列工艺问题,成功地将该技术用于 旗山矿软岩动压巷道的加固工程。 关键词 软岩巷道,锚注支护,锚杆支护,锚固力,支护强度 1 引言 80年代后期,我国锚杆支护技术进入一个新的发展阶段,锚杆支护种类和支护形式趋 于多样化,用量日趋增多,应用范围不断扩大。一方面,实行市场经济要求降低支护成本 激发了采用锚杆支护的兴趣与决心,要求应用范围扩展到软岩巷道、动压巷道、大断面峒 室、交叉点等;另一方面,随着高产高效综采技术的发展和大巷沿煤层布置,要求扩展到 大断面煤巷、开切眼等。 早期的软岩巷道锚杆支护技术大多简单套用硬岩、中硬岩的锚杆技术,目前在软岩巷 道锚杆支护实践中缺少可靠的理论指导。因此软岩巷道锚杆支护技术需要进行深入的理论 与技术研究。我国每年锚杆支护巷道达1 500 km左右。仅支护工程费用就达数十亿元,随 着开采深度日趋增大,越来越多的软岩巷道需要采用锚杆支护,这一领域理论和技术的任 何进步都会产生显著的社会及经济效益。本文作者在大量试验基础上,发明了新型外锚内 注式锚杆简称注浆锚杆 , 开发了利用注桨锚杆和注桨联合支护简称锚注支护加固围岩 新技术,通过现场工业性试验,证明这一技术具有效果可靠、成本低、施工简便等优点,现 已在一些巷道工程中推广应用,产生了显著的社会及经济效益[1]。 2 锚注支护原理 与世界锚杆技术先进国家相比,我国目前软岩巷道锚杆支护的主要技术问题是锚杆支 护系统支护强度不够,其原因一是单根锚杆锚固力低;二是锚杆之间较少采用托梁、钢带 等连接件;三是金属网和喷射混凝土设计不太合理、施工质量较差。 国内外大量巷道围岩支护关系研究结果表明[3, 4],支护强度对巷道围岩变形有明显 1996年1月8日收到初稿, 1996年6月4日收到修改稿。 显控制作用。特别是软岩巷道,其支护围岩关系与中硬岩有明显区别,主要表现为,支 护强度与围岩变形之间的非线性特性,支护强度的提高导致围岩变形更显著的降低。 软岩巷道由于围岩破裂范围大,围岩变形量大,变形持续时间长,普通锚杆支护所提 供的支护强度小,不能及时有效地控制巷道围岩变形。锚杆支护允许的极限变形量一般较 小,往往使单根锚杆或其辅助支护失效破坏,导致锚杆支护成拱的作用丧失。所以软岩巷 道支护的首要问题是,采用合理的支护形式提高支护系统强度,控制围岩变形。 提高支护系统强度的途径有两条。其一是,采用高强锚杆支护系统提高锚杆支护系统 自身强度;其二是采用联合支护提高支护系统强度。 对部分较软岩巷道,可以采用第一条途径进行成功的支护。当围岩过于松软,仅靠锚 杆支护系统提供的支护作用不够,而必须采用第二条途径,提高整个支护系统的强度和整 体性,才能控制围岩变形。 这样,问题就归结为,从支护效果、支护成本、工艺复杂程度和工人劳动强度等方面 综合评价,锚杆支护系统和以什么支护形式组成联合支护在软岩巷道中最为合理 国内外巷道支护根据其加固方式和作用可分为三个层次。第一层次是支护力作用在巷 道围岩表面的支护形式,如各种类型的支架和碹体;第二层次是支护作用力不但作用于围 岩表面而且能作用于围岩内部的支护形式,如锚杆支护;第三层次支护方式能够根本改善 围岩性状,提高围岩强度,以注浆加固为代表。支护的层次越高,支护能力就越强,效果也 越好。国内外研究表明,围岩注浆加固可提高其强度和变形模量,根本改善围岩变形规律。 实践证明,注浆是加固围岩最有效的方法,浆液注入到围岩各种弱面和裂隙内,充填结石 把岩体胶结起来,提高围岩整体性,根本改善围岩变形性态和各种力学参数,如粘结力、 内摩擦角、抗压强度、抗剪强度等。前苏联的研究资料表明,注浆后砂岩强度增加50～ 70 ,粉砂岩和泥质岩增加2～4倍,岩体强度的增大使支护载荷减小23～45[1]。所以在 软岩巷道中使用注浆加固一般都会获得成功。 图1 锚注结合加固围岩原理图 Fig. 1 Schematic diagram of reinforcing surrounding rock w ith bolt2grouting support 目前,软岩中使用成功的锚杆支护 系统与棚式支架、与高强混凝土弧形板 等等低层次支护形式组成的联合支护具 有成本高、工艺复杂和劳动强度大等缺 点,不能算是最合理的,最合理的应该 是锚杆支护系统与支护层次最高的注浆 加固组成的联合支护。 众所周知,注浆是巷道支护中一种 非常规技术,一般采用非常规的打眼机 具打出注浆孔,采用专门的注浆管和封 孔装置,工艺复杂,限制了其使用范围, 虽然注浆效果可靠,但也只在小范围使 用。所以在研究锚杆与注浆如何构成联 合支护时进行了反复论证,制定了 “利用锚杆兼作注浆管,采用常规打眼机具,变注浆为常 规支护” 的原则。 按照上述思路和原则,作者发明了新型外锚杆内注式锚杆,成功地试验开发锚注支护 271岩石力学与工程学报1997年 技术,从工艺上把锚杆支护和围岩注浆加固有机地结合起来,利用锚杆兼做注浆管,通过 注浆加固在巷道围岩内形成一连续的注浆加固圈,锚杆通过与围岩相互作用和加初锚力在 围岩内又形成一锚杆加固圈,加上金属网和喷射混凝土这些护表措施,组成一个完整的支 护系统,见图1锚注结束加固围岩原理图。 3 锚注支护技术 锚杆和注浆都是巷道支护的基本形式,利用锚杆兼做注浆管,将锚杆和注浆有机地结 合起来,可以更有效地加固巷道围岩,尤其适合于软岩巷道。前苏联和西德很早就提出这 种思路,并且开发了相应的技术,用于巷道底鼓治理等工程。但由于其采用橡胶材料及其 配套装置封孔,技术复杂,成本高,只能用于少量特殊的工程,不能作为常规技术推广应 用。而且由于软岩巷道围岩表面往往已完全破裂,形成了一定宽度的破裂圈,注浆无法在 围岩表面进行,只能在围岩的一定深度进行,采用橡胶材料在锚杆孔口封孔进行注浆往往 造成浆液首先沿孔口和巷道表面流失,无法在围岩内形成注浆加固圈,加固效果差。国内 早在 “七五” 期间,淮南新庄孜矿也尝试过这项技术,但由于未能解决封孔问题,试验未 获成功。由此可见,这项技术的关键在于封孔。 作者研制开发的外锚内注式锚杆及其加固围岩新技术,利用锚杆兼做注浆管图2, 采用快硬空心水泥药卷进行密封和锚固,实现外锚内注,巧妙地解决了锚注支护的封孔难 题。具有成本低、工艺简便、及实用性好等优点,是锚注支护的新发展。 图2 外锚内注式锚杆 Fig. 2 Bolting2grouting bolt 3. 1 注浆锚杆结构 见图2,注浆锚杆杆体用有缝钢管制作,锚杆内段为注浆段,钻有交叉出浆孔,锚杆尾 部有螺纹可接注浆管;外段为锚固段,锚固段采用空心快硬水泥卷锚固,锚固段又是注浆 密封段。锚杆总长和注浆段的长度根据巷道断面、岩性和注浆加固圈大小来确定。 3. 2 注浆材料及注浆泵 注浆材料为单液水泥浆,选用高标号普通硅酸盐水泥,并掺入适量速凝剂。注浆设备 371第16卷 第2期杨新安等软岩巷道锚注支护技术及其工程实践 选单液注浆泵,注浆压力为4～6M Pa,可多孔同时作业。 3. 3 注浆锚杆的布置 根据巷道围岩性质、巷道断面、锚杆长度和注浆加固圈大小等来确定注浆锚杆的间排 距。 3. 4 施工工艺 施工工艺十分简便,对修复巷道工艺流程为施工准备→打锚杆孔→安装注浆锚杆→ 注浆→安装锚杆托板。安装注浆锚杆时,水泥药卷须浸透水并冲捣密实。 4 锚注支护技术的工程实践 锚注支护工业性试验地点为徐州矿务局旗山矿受上覆工作面跨采影响的运输大巷。该 巷的赋存深度为600 m ,巷道围岩主要为砂质泥岩,岩石的单轴抗压强度为29. 8M Pa。根 据国标 工程岩体分级标准 规定,此砂质泥岩属较软岩。大巷的断面形状为半圆拱形,断 面面积为11. 8 m 2, 原采用钢丝绳砂浆锚杆和喷射混凝土支护。 上部垂高27 m的1 122综采工作面跨越整个大巷回采。在跨采工作面前方和后方,大 巷受到跨采引起的支承压力的强烈影响,使位于其下部的大巷围岩承受交替变化着的加载 和卸载,复杂的应力变化使大巷围岩显著变形,明显地影响巷道稳定性。 ●两帮位移速度 ▲两帮位移量 ◇顶板位移速度 □顶板位移量 图3 金属支架支护巷道受采动 影响期间的围岩变形 Fig. 3 Surrounding rock displacement of the roadway w ith steel support during m ining 在受采动影响的运输大巷进行传统金 属支架加固和锚注支护对比试验,变形实 测和巷道维护状况均表明锚注支护明显优 于金属支架支护。 4. 1 金属支架支护试验段 由于跨采动压引起原锚喷支护大巷围 岩显著变形。巷道顶部和肩部遭到不同程 度的破坏,为了保证安全生产,一般采用梯 形或拱形金属支架并填塞木垛加固。每米 巷道费用仅支护材料一项均达1 300元,由 于这种支护方式是被动支护,初撑力很小, 对围岩只能起掩护作用。大巷受工作面跨 采影响期间工作面前方60 m至后方 100 m围岩的累计变形量一般均大于 250 mm。图3为金属支架支护巷道受采动 影响期间的围岩变形。巷道经常发生顶板 与喷层冒落,局部支架被压弯,图4为金属 支架支护巷道变形状况。 471岩石力学与工程学报1997年 4. 2 锚注支护试验段 采用锚注支护的试验段巷道,无论是现场直观还是实测结果,都证明锚注支护取得了 良好的支护效果。巷道围岩变形观测表明,锚注支护试验段在回采工作面前方巷道围岩的 最大变形速度为1. 25 mm d, 为非锚注段的15。锚注段大巷围岩的累计变形量为 50 mm ,约为非锚注段的1 4 图 5 。试验巷道经受上覆工作面跨采影响后,巷道维护完好 图 6 。 图4 金属支架支护巷道变形状况 Fig. 4 State of the roadway w ith steel support ●两帮位移速度 ▲两帮位移量 图5 锚注支护试验段在工作面跨采期间的围岩变形 Fig. 5 Surrounding rock displacement of the roadway w ith bolt2grouting support during m ining 4. 3 注浆对围岩的加固作用 经过岩石力学性质、取芯率、岩体 声波速度等多项指标的现场取样测试, 都表明锚注支护取得良好效果的基本原 因是岩层经过注浆,强度得到明显提高。 表1是注浆前后砂质泥岩力学指标和声 波速度变化。 实践证明,该技术具有成本低、效 果可靠等特点,试验巷道经受了上部综 采面跨采采动影响,维护状况良好;旗 山矿运输大巷锚注支护材料费用只有每 米300～500元,是常规支护费用的12 ～13。试验获得成功,取得了显著的社 会及经济效益,为旗山矿及国内软岩与 571第16卷 第2期杨新安等软岩巷道锚注支护技术及其工程实践 动压巷道支护找到了一种新的途径。 图6 锚注支护试验巷道采动过后状况 Fig. 6 State of the testing roadway w ith bolt2grouting 表1 注浆前后砂质泥岩力学指标和声波速度 Table 1 Properties and wave velocity of mudstone sample with and without grouting 砂质泥岩 岩样 单轴抗压 强度M Pa 粘结力M Pa 内摩擦 角 波松比 围岩深度0. 5～1. 7m 声波速度ms- 1 取芯率 注浆前29. 82. 8926. 90. 26354744 注浆后69. 710. 6736. 80. 2444169. 3 5 结语 本文研究的新型外锚内注式锚杆及其加固围岩技术试验成功后,引起现场技术人员的 很大兴趣,目前已在淮南、平顶山、铁法、枣庄等矿区推广应用。实践证明,可靠、简便、 经济的技术总是受到现场欢迎的。 参考文献 1 杨新安.软岩巷道锚杆支护机理与技术的研究[博士学位论文].中国矿业大学, 1995 2 杨新安,陆士良.中国煤矿的锚杆支护.中国煤炭, 1995, 3 5～8 3 陈炎光,陆士良.中国煤矿巷道围岩控制.徐州中国矿业大学出版社, 1994 4 樱井春辅. Development of aNew tunnelling to fill the Gap between shield tunnelling and rockbolt and shotcrete .土与基础, 1993, 5 7～12 5 朱维申.全长粘结式锚杆在软岩支护中最佳参数确定的模拟实验研究.见现代采煤技术学术讨论会文集.山东矿 671岩石力学与工程学报1997年 业学院, 1988 6 杨新安.系统论在巷道支护中的应用.煤炭科学技术, 1993, 4 9～12 7 Scott J J. U nderground m ining practical rock mechanics. M ining Engineering, 1991, 6 7～12 BOLT-GROUTING SUPPORT AND ITS APPL ICATI ON INW EAK ROCK ROADWAY Yang Xian 1 L u Shiliang2 Ge Jialiang3 1S hanghai T iedao U niversity, S hanghai 200333 2China U niversity of M ining T echnology, X uzhou 221008 3H uainan M ining Institute,H uainan 232001 Abstract A fter analysing carefully the bolt support abroad and domestically, the author points out that not having sufficient strength of support is the main disadvantage of bolt support in w eak rock roadw ay presently in China, and furthermore, the key techinque and the w ay of technical development are put forw ard. A ccording to the study, bolt2grouting support is believed to be a prom ising w ay to support w eak rock roadw ay.The new con2 cept, bolt combined w ith grouting to reinforce w eak rock roadw ay, is put forw ard.The author has invented a new kind of bolt2externally anchoring internally grouting bolt and a new technique to reinforcew eak rock roadw ay, settling a series of technologicalproblem s, and has used it successfully to reinforce the w eak rock roadw ay influenced by m ining in Q ishan colliery. Key words w eak rock roadw ay, bolt2grouting support, bolting, the anchorage of bolt, rock deation, the supporting strength 771第16卷 第2期杨新安等软岩巷道锚注支护技术及其工程实践