深部巷道高强全锚注一体化技术研究与应用.pdf

第4 9 卷 第2 期 煤炭工程 C OAL EN GI NE ER I NG Vo 1 ． 4 9． No ． 2 do i 1 0．1 1 7 9 9 ／c e 2 01 7 O 2 01 4 深 部巷道 高强全锚 注一体 化技术研 究与应用 魏夕合 ，黄庆显 ，蒋敬平 ，杨战标 ，李建建 1 ．山东安科矿山支护技术有限公司，山东 济南2 5 0 0 0 0 ；2 ．平煤神马煤业集团，河南 平顶山4 6 7 0 0 0 ； 3 ．济南澳科矿山工程技术有限公司，山东 济南2 5 0 0 3 1 摘要 针对深部高应力软岩巷道受高构造应力挤压产生大变形失稳的难题 ．提 出了高强全 锚注全方位、大范围、深层次注浆加 固围岩，实现高强中空锚杆 索 由端锚 向全锚 转化 ，同时 固结围岩、提质增强，提 高了围岩与支护结构体的耦合 自承能力 ；平煤一矿三水平下延 戊一上山 采区回风上山试验段采用 高强锚 注材料 、高性能 中空锚杆 索 、高压注浆对围岩进行 大范围、 深层 次锚注 ，并通过巷道表 面位移、深部离层变形、破 裂情况窥视等综合方法确定了高强锚注合 理时机 ，实测 两帮变形量小于 1 0 m m。顶板测点平均下沉变形量 2 0 0 m m左右 ，经简单修复即可实 现巷道的长期稳定 关键词深部巷道 ；大变形 ；高强全锚注；深部开采 中图分类号T D 3 5 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 - 0 9 5 9 2 0 1 7 0 2 0 0 4 3 ． 0 4 Re s e a r c h a n d a pp l i c a t i o n o f i nt e g r a t e d t e c hn o l og y o f hi g h ’ s t r e ng t h f u l l bo l t ’ g r o ut i ng i n d e e p r o a d wa y WE I X i h e ，H U A N G Q i n g x i a n ，J I A N G J i n g p i n g ，Y A N G Z h a n b i a o ，L I J i a n j i a n 。 1 ． S h a n d o n g A n c h o r Mi n e S u p p o r t i n g T e c h n o l o g y C o ． ，L t d ． ，J i n a n 2 5 0 0 0 0，C h i n a ； 2． P i n g di n g 8 h a I l S h e n ma Co a l I n d us t r y Co r p o r a t i o n L i mi t e d，Pi n g d i ng s h a n 4 6 7 0 0 0，Ch i n a ； 3 ． J i n a n A o k e Mi n i n g E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C o ． ，L t d ． ，J i n a n 2 5 0 0 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e l a r g e d e f o r ma t i o n a n d i n s t a b i l i t y i n d e e p h i s h s t r e s s s o f t r o c k r o a d w a y u n d e r h i g h t e c t o n i c s t r e s s e x t r u s i o n，t h e c o mp r e h e n s i v e ，l a r g e r a n g e a n d d e e p s u r r o u n d i n g r o c k r e i n f o r c e me n t t e c h n o l o g y wa s p r o p o s e d u s i n g h i g h s t r e n g t h f u l l b o l t g r o u t i n g ，wh i c h t mn s e d e n d b o l t i n g t o f u l l b o l t i n g o f h i g h s t r e n g t h h o l l o w b o l t ／ c a b l e ，c o n s o l i d a t e d t h e s u r r o u n d i n g r o c k， a n d i mp r o v e d the s e rf - b e a r i n g c a p a c i t y o f s u rro u n d i n g r o c k a n d s u p p o r t i n g s t r u c t u r e c o u p l i n g ．T h e t e c h n o l o g y w a s印 p l i e d i n a i r r i s e t e s t s e c t i o n o f V1 ris e d i s t ri c t u n d e r 3 r d l e v e l i n Pi n g d i n g s h a n C o a l Mi n e ， a n d t h e r e a s o n a b l e t i me o f h i g h s t r e n gth b o l t i n g wa s d e t e r mi n e d a c c o r d i n g t o r o a d wa y s u r f a c e d i s p l a c e me n t ，d e e p r o c k s e p a r a t i o n d e f o rm a t i o n，r u p t u r e o b s e r v a t i o n，e t c ．Me a s u r e me n t s h o w e d ，t h e d e f o rm a t i o n w a s l e s s t h a n 1 0 ram，t h e a v e r a g e ma x i mu m s e t t l e me n t o f roo f W as 2 0 0 mm，l o n g t e r m s t a b i l i t y of r o a d wa y c o u l d b e a c h i e v e d b y s i mp l e r e p a i r ． Ke y wo r d s d e e p s o f t r o c k r o a d w a y；l a r g e d e f o rm a t i o n；h i g h s t r e n g t h f u l l y b o l t g r o u t i n g ；d e e p mi n i n g 随着矿山开采强度及规模的不断加大。煤炭资源的采 掘向深部转移 ；深部开采工程地质力学环境不同于浅部 。 受 “ 三高一扰动”影响深井巷道围岩力学特征表现为应力 场的复杂性 区域破裂现象 、围岩强流变和大变形、深部 岩体脆延性转化及低围压下的扩容现象等_ 1 ] 。深部巷硐围 岩非线性力学特性导致传统的浅部锚 网索联合支护、u型 钢 O型棚 被动支护等技术、方法部分失效，而高强锚注 支护技术能够通过改善破碎围岩物理力学性质。在原位对 煤岩体进行加固或改性，提高煤岩体强度 ，调动巷道围岩 自承载能力，提升支护结构体锚固性能，有效控制围岩变 形，是一种极具潜力的巷道 围岩控制技术。唐芙蓉、王连 国等通过构建不等压巷道围岩力学模型，得到表面位移数 收稿 日期 2 0 1 5 1 卜 2 3 基金项目中国博士后基金资助项 目 2 0 0 9 0 4 6 1 2 5 7 作者简介魏夕合 1 9 8 6 一 ，男 ，山东临沂人，硕士，从事深井巷道支护、矿山压力与岩层控制研究工作，E- m a i l 5 4 4 2 3 7 5 5 6 q q ． c o rn 。 引用格式魏夕合 ，黄庆显，蒋敬平，等．深部巷道高强全锚注一体化技术研究与应用 [ J ] ．煤炭工程，2 0 1 7 ，4 9 2 4 3 4 5 ，4 8 ． 43 煤炭工程 2 0 1 7 年第 2 期 值解 ，针对深部动压巷道围岩集中应力进一步向纵深转移． 塑性破坏范围延扩骤增的现象，采用锚网索与无缝钢管锚 注联合的方式对破碎围岩进行了有效控制l 2 ] ；姚强岭、李 波等针对高地应力软弱煤巷大变形易失效的问题。利用高 强锚杆与中空注浆锚索组合控制技术．对巷道进行高阻让 压 、大范围锚注，改善围岩支护承载结构性能，围岩松动 破坏范围及表面位移均得到有效控制[ ， ] 唐永志、蒋敬平 等通过对中空注浆锚索刚度、载荷传递性能、支护系统抗 剪能力综合分析 的基础上，针对淮南矿区典型高应力巷道 修复、沿空掘巷窄煤柱加固、沿空留巷支护等进行高强锚 注试 验 ，各 类巷道 围岩均得到有效控制 4 ] 。 因此 ，在总结前期技术及应用研究的基础上，深入分 析高强全锚注机理、自主研发高强中空锚杆 索 进行力学 参数性能试验、集成全锚注一体化技术．结合具体高应力 软岩巷道全锚注一体化支护实践验证 ．对深井软岩巷道支 护具有重要的指导和借鉴价值。 1 高强全锚注一体化支护技术 1 ． 1 高强全锚 注机 理 高强全锚注一体化支护采用高强中空锚杆 锚索 、高 强抗缩性注浆材料，高注浆压力对巷道 围岩进行大范围、 全断面高强锚注加固，即所谓 “ 三高一大”锚注体系。高 强全锚注支护通过高压注浆固结巷道 围岩，在保证全锚的 前提下对高强中空锚杆 锚索 提供了较为可靠的锚固基础， 不仅可以有效地改善围岩强度、提高围岩的 自承能力 ，同 时又可以改善锚杆 索 支护体本身的承载特性；高强中空 锚注锚杆和锚索可采用机械端锚或树脂端锚，因此其支护 具有及 时性 ；可 施加 高预 紧力 ，主动 对破碎 围岩进 行 高强 预紧，尤其对离层破碎型顶板更加适用；高强全锚注兼具 急增阻、强初撑 、高承载三种特性。适用于深井高应力区、 断层破碎带、巷道修复加固及软岩地层或穿层巷道围岩松 散破碎 、大变形等诱发锚杆 索 锚固力衰减失稳的难题 ； 高强全锚注着重强调深层次高强加固及全方位锚注控制理 念 ．形成巷道围岩多层有效组合拱强化支撑结构，克服了 传统支护强度低、承载圈层范围小、自承能力差、注浆材 料成本高、注浆压力低等缺陷[ 5 - 1 0 ] 。 1 ． 2 高强全锚注支护材料性能 1 高强中空注浆锚索。高强中空锚注矿用锚索由多根 螺旋肋钢丝螺旋状包裹在注浆管和钢筋上的钢绞线组成． 分为树脂锚固段和注浆锚固段，树脂锚固段钢绞线中心为 实心钢筋，注浆锚固段钢绞线中心为空心注浆管 ，在树脂 锚固段和注浆锚固段之间有出浆 口。最新开发锚注锚索规 格为 S K Z 2 2 1 ／ 1 8 6 0和 S K Z 2 9 1 ／ 1 7 7 0两种型号 ．分别使用 中6 m m的螺旋肋钢丝．其抗拉强度不低于 1 8 6 0 MP a ， 7 mm 的螺旋肋钢丝抗拉强度不低_于 1 7 7 0 MP a 。注浆锚固段钢绞 线中心的空心注浆管由无缝钢管和尼龙管两部分组成。高 强中空注浆锚索采用反向注浆．浆液在钻孔中凝固更为密 实。在实现树脂端锚向锚注全锚转化，注浆材料向围岩中 扩散，起到固结岩体。提升围岩 自承能力的作用。高强锚 注使用锚索材料性能见表 l 。 表 1 高强 中空注浆锚 索基本参数 2 高强中空注浆锚杆。采用厚壁无缝钢管热轧而成 ， 杆体原材料的材质为 Q 3 4 5 B低合金钢杆体全梯形螺纹结 构，螺距为 1 0 m m，克服了冷轧波形螺纹螺母承载力低的问 题 ；杆体破断力高 ，与高强树脂锚杆 M G 5 0 0 直径 2 0 m m 的相同。采用树脂端锚后及时实现支护结构体高强度承载； 高强厚壁中空锚杆延伸率大 ，更适合深井软岩大变形巷道 围岩控制。高强锚注使用锚杆材料性能见表 2 。 表2 高强中空注浆锚杆基本参数 矬 熬 MS GK2 0 0 -4 2 ／ 2 5 2 5 7 。 0 3 4 5 5 0 0 ≥ 2 1 0 ≥ 1 5 2 高强全锚注技术应用与效果分析 2 ． 1 地质力学环境评估 平煤一矿三水平下延戊一上山采 区回风上山巷道试验 段附近 4 0 m范围内无跨巷情况，亦无采动影响，戊组煤位 4 4 于巷道底板位置，距巷道底板最近处为 2 0 ． 3 3 m。戊组煤包 括 4层煤 戊 8煤 0 ． 8 ～l m、戊 9煤 1 ． 3 ～1 ． 5 m、戊 1 O煤 2 ． 8 m左右、戊 1 1煤 1 ． 8 m 。巷道所处层位无大型地质构 造。区域内岩层含水层主要是孔隙裂隙承压水为主。没有 大型 蓄水构造 。 巷道围岩以灰色、灰绿色砂质泥岩为主，钙质胶结 ， 中、厚层状 ，具斜层理及交错层理；岩体强度低 ，是巷道 变形破坏 的内因。 回风上山采用 中深孔爆破掘进 。作为平煤一矿三水平 开拓巷道 ，服务于整个三水平开拓开采。 回风上山高强全锚注试验段垂深 9 6 0 m，取岩石平均容 重 2 5 k N ／ m ，由此推 算高 强全 锚注 试验段 垂 直应 力为 2 4 MP a 。最大主水平应力为垂直应力的 1 ． 5 2倍，可推算 最大主水平应力为 3 6 4 8 M P a ．三水平下延戊一上山采区 回风上山试验段处于高应力区．高构造应力是巷道变形破 坏主要力 源 回风上山原采用多种支护支护方式．如双锚双注．单 2 0 1 7 年第2 期 煤炭 工程 次锚网索喷 擘后注浆 组合锚索注浆等， 变形严重． 顶板拱顶受 高水 平应 力影 响 ．滞 后迎 、大f “现大 积条 带状 破碎 ，同样受 高地应力的影响 底鼓 变形 严 甄，如图 l 所 示 ， 且支护 T艺 极其复杂 一 图 1 采 区回风上 山变形破坏情况 2 ． 2 高强全锚注 支护参数设计 高强 巾 空 滓 浆 锚 杆 长 度 3 0 0 0 ram． I i 径 q b 2 5 m m．配 1 5 0 m inx 1 5 0 raml O mm 方 形 托 盛 注 浆 锚 杆 问距 7 0 0 mm． 排距 7 0 0 ra m 顶板及两 帮高强 中 注浆锚 索 长度 8 3 0 0 ram． 直径 2 9 1n m，配 3 O 0 mm x 3 0 0 ra m 1 6 ,1 1 1 11力 ‘ 形托 艇。底板 中 空 注 浆 锚 索 长 度 7 3 0 0 n I I 1 1 ． f 径 2 9 mn 1 ． 3 0 0 mm 3 0 0 1 1 1 1 1 x 1 6 1 1 1 11 1方形 托 盘 ． ．顶 板 及两 帮巾 空 注浆 锚 索 间距 1 4 0 0 ra m。排距 1 4 0 0 ra m 底 板 巾空 注浆 锚索 问距 1 2 0 0 ra m。 排距 1 4 0 0 ra m，槽钢连接 ll 夺 汴浆锚 f r 安装孔径 q b 3 2 m m， 顶板及两帮中空注浆锚索安 孑 L 径 3 8 mm，底板中空注浆 锚索安装孔径 d O 4 O m m．注浆锚杆螺母颅紧力不低于 3 0 k N。 中空锚注锚索 张拉 预 紧 力不 低 I r 1 2 0 k N 采 J i j q b 6 m m钢 筋 网，网格 问距 8 0 ram 8 0 m m，f f 1 空 注浆锚 杆 之间 采用 w 钢 带连接。顶板及两帮混凝土喷浆层厚度 1 5 0 ra m，底板厚度 3 0 0 mm。强 度 级 别 均 为 C 2 0 。注 浆 材 料 采 _I J 标 号 不 低 于 P ． 0 4 2 ． 5 R级 硅酸盐水泥按 8 ％的 比例添加 A C Z 一 1 水泥 添加 剂作为注浆材料 ，要求 注浆终 丁 力不低于 7 Ml a ．浆液 凝 同最终强度可达 7 2 MP a ．支护设 计如 2 、 3所示 图 2 锚注 支护方案断面图 mm 2 ． 3 高强全 锚 注 支护效 果分析 为了能够更直 观的 了解 高强 全锚注 支护 设 汁对 回风 上 f ＼ ， 中空洼浆锚杆、 墨 I ≮ ，， 中 空 注 浆 锚 杆 、 l ≮ 。 备 ‘ 一钢带 j 鬈籍 0 、 钢 筋 刚 0 ； ≥ ‘ - I 0 ≯ ，7 v h c～ ～ 一⋯～一 ； 々； I 曩 々 l 巷道 中心线 图 3 锚注支护俯视图 n l l l 1 山典 型高应力软岩 巷道 f { ； 】 岩 的控制 效果 ，以及获取 同岩 变 形破坏情况 ，准确 掌握 锚注 支护 的合理 时机 ，在一 次锚 网 喷支护后对试验段巷道 进 行 _r 表 面位 移观测 及同岩 内部 变 形破 坏钻孑 L 窥视 ，结果 示锚网喷 支护 后 3 d内嗣岩变形较 为剧烈 ，呈现拐点 特 征．随即进 行一 次高强 锚注 ，实 现 嗣 岩的浅层增强 进 行高 强中空 锚杆 锚注后 ，围岩变 形旱现 持续 性 向深部 演 化的 特点 ．如冈 4所示 ，孑 L 口 1 ． 2 ～ 2 ． 5 m 处零 星“ { 现小破 碎带 ．而其 他部位 没有 发现破 碎带或 离层 现象，浅部 岩仍产 离层并向深部发展，巷道正顶上方 约 4 m位置为砂 质泥岩 段 ，在巷道 正 上方 6 m位置 出现贴 壁钻孔泥 片。为有效控 制 同 变彤 ，分析认 为全 锚注掘 进 巷道中空注浆锚索的安装不得超过迎 2 0 m，进行高强深 层次大范 锚 注后 。围岩 变形得 到行效 控制 ，两帮位移 量 不足 l 0 r n l r l ，顶板测 点平 均最 大 下沉 2 0 0 ra m左 右 ．但 相 对处于稳定状态，进行简单修复即可止常使用。 _ ； a 1 ． 2 m b 6 m 图 4 钻孔 1 ． 2 m、6 m 窥视情况 3结论 1 高强 全锚 注从全断面系统控制的角度 ，采 用高强锚 注材料 、高压注浆以及高性能q 1 空锚杆 索 材料，对用岩 进行大范 、深层次提质增强的同时，锚杆 索 实现了全 长锚 同 2 通过表面位移及深部位移等观测变形量拐点作为高 强锚注合理时机是合理的可根据需要滞后高强锚注锚杆一 定距离进行锚索补强 ．然后根据前期补打锚索情况找齐中空 锚索数量．结合闹岩深部位移演化情况及破裂范围确定深部 锚索锚注合理时机，进行大范嗣规模化高压注浆加固。 下转 第 4 8页 4 5 煤炭 工 程 2 0 l 7 年第2 期 3现场应 用 图 6 数据处理流 程示意图 3 ． 1现 场试验 情 况 新疆呼图壁煤矿巷道宽度 5 m，高度为3 m，埋深 1 3 0 r n ， 煤层集r f 1 ，厚度大，以长焰煤为主，资源储 丰富。采用 地震 散射波勘探技 术进 行 了掘进 施T超 前地 质预 报 ，现场 测 点布置如 图 4所示 ．最大预报距离 1 5 0 m。 3 ． 2预报 结 果 现场采集有效地震散射记录共 7 8道 ，得到的巷道掘进 超前地 质预报偏移罔 和煤岩 波速 分布图如 图 7 、图 8所 示。 从 图 7 、 8可知 ，距离迎 头前方 1 6 ～ 2 4 m处 和3 2 ～ 4 4 m处 存在软弱煤层带．距离迎头 6 0 ～7 5 m处存在长度为 1 5 m的 破碎煤 层带 ，巷道掘 进过 程 中应加 以注 意 ，其余 段 煤层 地质情况较好 实际巷道掘进施 丁验证了超前预报的可靠 性 和准确性 一。 __]厂一 _翟 4结语 理论 分析 和实际应 川实践 表 明，与基 于地 震 反射波 的 技术相 比，基于地震散射场 的煤矿 巷道掘进地质 预报技术 ， 更加充分地利用了各类地质体的地震散射场信息 ，结合相 应的数值处理算法，具有更好的超前预报效果。小文捉f } { 的巷道掘进超前地 质预报 探测设 备选 、工 作步骤 和技 术 流程 可供实际应用参考 。 参考文献 何振起 ，李海 ．梁彦忠．利用地键反射法进 行隧道施 地 质超前预报 [ J ．铁道 ] 程学报 ，2 0 0 0，6 8 4 8 1 8 5 ． 蔡 樊康 ．刘秀峰 ，宋恩 强T S P地质超 前预报 系统存煤矿生 产 f } 1 的运用『 J ] ．萌部探矿 T 程 ，2 0 0 5 4 8 6 8 7 ． 祝云华．地质超前预报与探测技 术在巷道施 [ 中的啦t t J f J ． 煤 矿开采，2 0 1 3 ，1 8 6 2 6 - 2 8 ，5 6 张庆，邹 正盛 ．李利峰． 峰 山 2弓隧道帷幕 注浆加 技 术『 J ] ．煤 炭 I 程 ，2 0 1 2 ，4 4 3 4 2 4 4 吴建亨，张创业．平煤 { 一 二矿矿井震波超前探测技 术 MS P 应 j }_J 研究 r J ] ．煤 炭丁程 ，2 0 1 0，4 2 2 4 6 4 8 ． 靳 子良．地震波在隧道超前地质预报应用 中的研究[ Dj ．广 州 华南理 大学 ，2 0 1 1 ． 代勇．综 合地质 预报技 术在岩溶隧 道中的应 用研究[ D1 ． 广州 华南理 【 大学 ，2 0 1 2 ． 李 U民．周建春．隧道施 1 超前地质预报信息融合技 术 G P T 现场试验研究『 J ] ．公路隧道 ，2 0 1 5 3 7 1 2 ． 图 7 巷道掘进超前地质预 报偏移图 责任编辑张宝优 嘞昼 国 嘞 詹 ， 矗 庸 、 廊 孓 呼府 扩 ， e癌席 芦 、 矿 、 。 席 吲 蚤 上接 第 4 5页 3 高强全锚注支护能够有效提高深井软岩巷道同岩力 2 0 1 2 ，3 2 s 2 8 0 2 8 4 学性能 ．改善 围岩应 力状 态 ，充 分发挥 支护结 构 与嗣 岩的 【 5 ] 肖K存，孔翔，林光志．潘一东深 蚪软 巷道高强锚注 整体承载能 力．是高应 力软岩巷道闱岩控制 的有效方法 。 技术应用研究 [ J ] -安徽理 工大学学报 自然科 版 ， 2 01 2．3 2 s3 2 2 3 2 5． 参考文献 f 6 ] 肖长存 ，孔 翔．高强 锚注 技 术在 深 井软岩 巷 道的 应用 『 1 ] 何满 潮 ，谢 和平 ，彭 苏萍 ，等．深 部 开采 岩体 力学 研 究 [ J ] 煤矿 支护 ，2 O I 2 3 1 3 一 l 5 - ‘ [ J ] ．岩 石力学 与工程学报 ，2 O 0 5 ，2 4 1 6 2 8 0 5 2 8 0 7 ． [ 7 ] 张辉超 米深 井高 应力巷道底鼓 机理及锚 同技 术研 究 [ 2 1 唐 茭蓉 ，王连国 ，张华 磊 ，等．动压软 岩巷道破 坏机理 及 [ D] 徐州中国矿业大学 ，2 0 1 3 控制技术研究 [ J ] ．采矿 与安全工程学报 ，2 0 1 0 ，2 7 4 [ 8 ] 单f 亮 ，孔祥松 ，t t t 亮 ，等煤巷强 帮强角支 护技 术研 5 3 7 5 4 2 究进展 l J ] ．煤矿 支护 ，2 0 1 5 3 2 - 7 ． [ 3 ] 姚强岭 ，李波 ，任松 杰 ，等．中空注浆锚 索在 高地应 力 [ 9 ] 陈艾．复杂 条件下 大断 面煤 巷过断层技 术 [ J J 煤炭 T 松软煤巷 中的应用研究 [ J ] ．采矿与安全 _T程 学报 ，2 O 1 1 ， 程 ，2 0 1 1 ，4 3 4 2 8 3 0 ． 2 8 2 1 9 8 2 0 3 ． [ 1 O l 郝晓亮 ，孙 增飞 ，陈 大广 ，等．全 长锚 阎注浆 锚索在 巷道 [ 4 ] 唐永志 ，陶杰 ，蒋敬平 ，等．中空 高强锚 注锚索 在淮南 过极 易破 碎大 断层 支护 中的应 用 [ J ] 煤 炭工 程 ，2 0 1 0， 矿区的应用 [ J ] ．安徽理 一 T 大学学报 自然科学 版 ，4 2 6 2 4 2 6 ． 责任 编辑 郭继圣 48 一 L u _二 引 f f [rl