巷道修护中锚注加固技术的应用分析
2015-07-13
近年来国内煤矿试验应用了一种注浆锚杆技术。它是利用锚杆兼作注浆管，实现锚注一体化。注浆可改善更深层围岩的松散结构，提高岩体强度，并为锚杆提供可靠的着力基础，使锚杆与围岩形成整体，从而形成多层有效组合拱，即喷网组合拱、锚杆压缩区组合拱、浆液扩散加固拱，提高了支护结构的整体性和承载能力，特别在巷道的修复加固中得到了广泛的应用。
一、锚注作用机理
锚注支护是采用锚杆与注浆相结合的双重作用，以达到加固围岩、提高和改善围岩力学性能、控制围岩变形的效果，它扩大了注浆和锚杆的使用范围，其支护机理包括以下几个方面：
（1）采用注浆锚杆注浆，可以利用浆液封堵围岩的裂隙、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。
（2）注浆锚杆注浆后将松散破碎的围岩胶结成整体，提高了岩体的内聚力、内摩擦角及弹性模量，从而提高了岩体强度，可以实现利用围岩本身作为支护结构的一部分。
（3）注浆锚杆注浆后使得喷层壁后充填密实，这样保证荷载能均匀地作用在喷层和支架上，避免出现应力集中点而首先破坏。
（4）利用注浆锚杆充填围岩裂隙，配合常规的锚喷支护，可以形成一个多层有效组合拱，即喷网组合拱、锚杆压缩区组合拱及浆液扩散加固拱，形成的多层组合拱结构扩大了支护结构的有效承载范围，提高了支护结构的整体性和承载能力。
（5）注浆后使得在拱顶上的压力能有效传递到两墙，通过对墙的加固，又能把荷载传递到底板。由于组合拱厚度的加大，这样不仅减小作用在底板上的荷载集中度，而且减小底板岩石中的应力，减弱底板的塑性变形，从而减轻巷道底臌。
（6）注浆锚杆本身为全长锚固锚杆，通过注浆也使端锚的普通锚杆变成全长锚固锚杆，从而将多层组合拱联合成一个整体，共同承载，提高了支护结构的整体性。
（7）注浆使得支护结构面尺寸加大，围岩作用在支护结构上的荷载所产生的弯矩减少，从而降低了支护结构中产生的拉应力和压应力，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。
（8）注浆后的围岩整体性好，与原岩形成一个整体，从而在大构造应力作用下保持稳定而不易产生破坏。
（9）通过莫尔强度理论可知，通过对围岩注浆加固，不仅改善围岩岩性和应力分布，而且大大缩小围岩变形，减轻支架承受的外载压力，改善支架的受力情况。
二、锚注支护在修复加固巷道的应用
进行锚注支护的一般过程为：巷道刷扩挑顶一普通锚网喷支护一锚注支护，从支护时间上来看，普通锚网喷支护一般在巷道刷扩后较短的时间内进行（一般4～10h），而锚注支护则要滞后10～20天甚至更长时间进行，因为过早地注浆，此时围岩正处于变形破裂的发展阶段，此时注浆，一是可能较难注入，二是浆液尚未凝固起支承作用之前，即被较大的围岩应力所破坏，因此将刷扩维修工作面向前推进一段后，然后在后面注浆。理论和实践证明，在围岩局部进入岩体的残余强度时，在该处注浆可以起到较好的作用，但也不应过迟注浆，过迟注浆时，此时的残余应力已很小，可能造成支护变形量过大，使支护提供的支护抗力相应也小，支护体不能发挥应有的作用。
1 合理设计注浆参数
（1）注浆压力受围岩特性、注浆能力、注浆方式等因素的影响。若注浆压力过小，浆液难以向围岩中扩散，达不到预期的注浆效果；若压力过大，则会导致浅部注浆过程中巷道表面出现冒顶、片帮或开裂。在浅部注浆时，由于巷道表面和围岩发育，岩块破碎，采用的注浆压力不宜过大，初步确定为1～2MPa；深部注浆时，注浆压力确定为2～4MPa。
（2）注浆量。浆液的注入量受到注浆压力、注浆时间、围岩裂隙的发育程度及破碎状况、渗透性等因素的影响。为保证巷道围岩裂隙被充填密实，注入的浆液尽量保证裂隙被充填满，施工中注浆量以达到注浆压力时为止。
（3）注浆孔的布置。考虑围岩浅部裂隙较为发育，为防止浆液向外流失，应有一定封孔深度，即注浆孔不能过浅；同时为了克服钻进时出现卡钻现象，实践表明初次注浆孔深度在1.0～1.2米为宜。二次耦合深孔注浆时，要根据围岩松动圈确定锚杆的长度，二次耦合注浆锚杆长一般在2.0米以上。
（4）注浆孔的间排距。注浆孔的间排距主要由浆液的扩散半径确定。为达到注浆效果，两孔的孔距应保证注浆后浆液渗透范围由一定的交叉，所以应小于2倍的扩散半径。
2 注浆材料的选择
注浆材料由无机和有机两个系列，由于有机材料价格昂贵，一般不予采用，而无机材料价格较低，被广泛应用。无机材料以水泥（主料）+水玻璃（速凝剂）为主。为了减少浆液流失，提高凝固速度，浅部初次注浆一般采用水泥+水玻璃双液浆。而深部二次耦合注浆一般采用水泥单液浆，确保更高的支护强度。
3 施工工艺。巷道围岩注浆加固质量的好坏，在很大程度上取决于注浆施工工艺。围岩浅部注浆时采用双液注浆；围岩深部注浆时，由于浅部围岩被浆液充填密实，封闭了很大围岩，提高了围岩强度和改善了围岩凿岩条件，漏浆问题得到很好的解决。因此，采用工艺简单、便于操作的单液水泥浆。两步耦合注浆加固施工工艺如下：封闭巷道表面裂隙——钻孔——封孔——注浆——管道与设备的清洗。
4经济效果分析及支护效果评价
（1）失修巷道采用锚注支护补强技术，从支护的强度、刚度、安全可靠性、占有空间，是套架棚加强支护所不能相比的，它不受巷道断面的限制，便于锚索的布置和施工。
（2）锚注补强支护能获得较高的支护强度和围岩加固作用，能主动支护顶板；当顶板破碎裂隙发育时，其浆液能充填裂隙起到固结顶板作用，集悬吊、挤压加固、固结顶板于一体。尤其能解决破碎松软顶板，大断面及大跨度硐室、交岔点巷道支护难题。
（3）锚注施工设备轻便、工艺简单、便于掌握。
失修巷道经锚注支护后，经观测顶板稳定，支护状况得到较大改善，保证了巷道的安全与稳定。
结论
采用锚注支护加固失修巷道经理论和实践证明是可行的，适合破碎松软顶板、大断面巷道及交岔点、大跨度硐室的有效加固，为复杂困难条件下巷道加固，维修提供了新的有效途径。锚注支护不仅支护强度高，承载力大，而且注浆本身对已出现松动的围岩具有明显的胶结加固作用，补强加固效果突出。采用补锚网喷、注浆、补打锚索加固，施工方法简单，快速，与套架棚加强支护相比，降低了支护成本，减轻了工人的劳动强度，提高了安全可靠程度。
