深部巷道围岩分区破裂的锚注一体化支护方法

摘要

本发明具体公开了深部巷道围岩分区破裂的锚注一体化支护方法,包括以下步骤:(1)巷道开挖后,及时喷砼封闭围岩，在第一破裂区内采用高预紧力超强锚杆进行支护，在巷道围岩内壁上设置挂网并再次喷砼；(2)在巷道围岩顶板上施加预紧力锚索，锚索锚固端位于深部完整岩体内，紧贴围岩架设工字钢梁，锚索穿过喷砼、工字钢梁和让压环，用锚索锁具固定在巷道的围岩内壁上，实现锚杆锚索耦合支护；（3）根据围岩分区破裂监测结果，滞后锚杆支护20-30天左右，采用长短结合注浆管或中空分段螺旋式注浆锚杆对各个破裂分区进行注浆加固。本发明能有效的针对深部巷道分区破裂化围岩进行锚注一体化加固，显著增强巷道稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及深部高地应力矿山洞室的支护技术领域，尤其涉及深部巷道围岩分区破裂的锚注一体化支护方法。 

背景技术

随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开采状态。我国预测的煤炭资源总量约50592亿吨，其中埋藏深度大于1000m的约占53%，大于600m的约占73%。我国东部大多数矿井的开采深度均已超过800米，不少矿井正在向900～1000米深度延伸，面对我国东部1000～2000m煤炭资源占2000m以内预测储量的83%，以及全国深部煤炭储量占多的形势，可以预计在未来20年我国很多煤矿将进入到1000～1500m的深度。同时，在今后10～20年内，我国金属和有色金属矿山将进入1000～2000m深度开采。据我国煤炭行业统计，随着采深的增加，地应力随之越来越大，工程结构和围岩均处在高应力、高渗透压、高温和受采动影响的恶劣条件下，导致深部洞室的破坏越来越严重，长期变形不止，支护难度也越来越大。近10年巷道支护成本增加了1.4倍，巷道翻修量占整个巷道掘进量的40%。我国统计的深井巷道翻修率甚至高达200%，一些矿井巷道因难于维护而被遗弃。这些严重的巷道变形破坏不仅给矿山造成严重的技术困难和巨大经济投入，还造成严重的安全隐患。 

随着巷道开挖深度的不断增加，伴随着深部岩体工程响应发生了一系列新的特征科学现象，其中分区破裂现象就是深部岩体工程开挖时所发生的特有的破坏现象之一，该现象的表现特征就是在深部岩体中开挖洞室或者巷道时，在两帮和顶板围岩中会产生多个破裂区和完整区逐次交替的分区破裂现象。但目前的支护理论和设计都是针对围岩松动圈理论，对于深部巷道在高地应力的作用下围岩分区破裂现有的锚网喷和U型钢架棚控制方法和技术存在不足。造成深部巷道分区破裂围岩支护困难，破坏严重，出现了锚杆失效、喷体脱落、顶板冒落、片帮和底鼓等非线性变形破坏，返修率高，支护成本增加。 

在专利【200810017076.X】公开了深井大断面松散围岩巷道支护方法，该发明将永久支护的多次施工改为锚、网、注、喷一次顺序完成，施工速度快，节约支护材料，造价低，而且单位体积内钻孔布置相对减少，有利于围岩的稳定性。但该发明把围岩看成单层松动圈，没有采用锚索支护，不适用于深部巷道分区破裂围岩。 

发明内容

为解决深部高地应力巷道稳定性控制难题，本发明在充分研究分析分区破裂围岩巷道分区破坏形态和机理的基础上，提出了深部巷道围岩分区破裂的锚注一体化控制方法。 

本发明采用的技术方案如下： 

深部巷道围岩分区破裂的锚注一体化支护方法,包括以下步骤: 

(1)巷道开挖后及时进行锚网喷支护,首先在刚开挖完的巷道围岩内壁上喷射一层喷砼20-30mm，然后垂直于围岩表面钻孔，所述的钻孔的穿过第一破裂区到完整区内，然后在巷道围岩内表面设置挂网并利用锚杆对挂网锚固，然后再喷砼70-80mm； 

(2)在巷道的顶板围岩上施加锚索，锚索钻孔深度穿过两层破裂区，其锚索固定端位于深部完整岩体内，紧贴巷道围岩架设工字钢梁，锚索穿过喷砼、工字钢梁和工字钢梁外面设置的让压环，用锚索锁具固定在巷道的围岩内壁上； 

（3）滞后锚杆支护20-30天，在围岩内打注浆孔，采用长短结合注浆管或中空分段螺旋式注浆锚杆对破裂分区进行注浆。 

步骤（1）所述的锚喷网由锚杆组成，所述的锚杆选用Φ22高预紧力超强锚杆，锚杆垂直于巷道表面施加，根据锚杆支护能量判据n≥ΔU/U_b确定锚杆的根数，其中n表示锚杆的根数，ΔU表示为围岩变形过程中可释放的总应变能，U_b表示为岩体变形破坏过程中锚杆所吸收的总能量，进而确定锚杆的间排距（间排距的确定方法是行业公知技术，在此不再详细说明），所述的锚杆锚固端位于完整区岩体中，另一端通过托盘将挂网紧压在喷层上，旋紧螺母施加预紧力。 

步骤（1）所述的喷砼为两层总厚度100mm的混凝土喷砼，第一层为开挖后接着喷厚度为20-30mm，第二层为锚网支护后再喷厚度为70-80mm。 

步骤（1）所述的挂网为焊接钢筋网，所述的锚杆托盘为8mm厚钢板，锚杆托盘尺寸为120mm×120mm，预紧力50kN-80kN。 

步骤（2）所述的让压环与锚索锁具之间设有垫块，所述的让压环与工字钢梁之间设有锚锁托盘，所述的让压环的预紧力为150kN-200kN。 

步骤（3）所述的注浆包括：初期采用双液浆将围岩中的裂隙封堵，然后采用单液水泥浆注浆。所述的单液水泥浆选用425#硅酸盐水泥，水灰比0.5，加入1.5%的高效早强减水剂，增加浆液的可注性并提高注浆强度，注浆压力为2.0～3.0MPa。 

步骤（3）所述的每断面钻注浆孔3-5个，呈梅花形布置，其中短注浆锚杆或管注浆加固第一破裂区，长注浆锚杆或管注浆加固第二破裂区。 

对于深部高地应力巷道分区破裂围岩采用“提高法向约束、锚杆增韧止裂；协调耦合支护、应力内部转移；分区充填注浆、增强围岩强度”的三十六字控制方法； 

本发明提高法向约束、锚杆增韧止裂的控制技术是：提高法向约束的锚杆增韧止裂技术。即巷道开挖后要在最短的时间内最大限度地提高围岩自由面上的法向应力，改善围岩的应力状态，首先在刚开挖完的巷道围岩内壁上喷射一层20-30mm喷砼，封闭围岩；充分利用锚杆增韧止裂作用，抑制围岩沿巷道自由面和结构面的张开和剪切变形。具体措施是及时进行锚喷网支护，锚杆选用Φ22高预紧力超强锚杆6，长度根据围岩松动圈范围确定，锚杆垂直于巷道表面施加，间排距根据锚杆支护能量判据n≥ΔU/U_b确定，并提高锚杆预紧力至50kN-80kN；挂焊接经纬网，施加预紧力压紧挂网；再喷厚度70-80mm的喷砼，以适应围岩变形。 

本发明的协调耦合支护、应力内部转移的控制技术是：锚杆锚索协调耦合的应力转移技术。即通过预紧力让压锚索梁实现深部锚索与浅部系统锚杆的变形协调耦合支护，扩大围岩承载圈范围，实现围岩应力的深部转移。具体措施是对围岩施加预紧力让压锚索梁锚索，锚索锚固端位于深部完整岩体内，紧贴围岩架设工字钢梁，锚索穿过工字钢梁加垫块，在垫块和锁具之间添加让压环，预紧力150kN-200kN。 

本发明的分区充填注浆、增强围岩强度的控制技术是：提高围岩强度的分区充填注浆技术。即通过围岩滞后分段式注浆对破裂区围岩进行充填注浆，重新粘结修复破裂围岩，切断深部围岩的临空面，恢复提高围岩的完整性和整体强度。具体措施是根据围岩分区破裂监测结果，滞后锚杆支护20-30天，采用长短结合注浆管或中空分段螺旋式注浆锚杆对破裂分区进行注浆，注浆初期采用双液浆将围岩中大的裂隙封堵，然后采用单液水泥浆，选用425#普通硅酸盐水泥，水灰比0.5，加入1.5%的高效早强减水剂，增加浆液的可注性并提高注浆强度，注浆压力为2.0～3.0MPa。 

本发明与现有技术相比，本发明的有益效果为，针对深部巷道分区破裂围岩，通过支护方法和结构方式的改造，极大地提高了深部高地应力巷道的稳定性和一次性支护成功率和可靠性，减少了高地应力巷道变形破坏导致的事故，确保了矿井安全高效生产。即加快了巷道施工速度，又减少了日常的维护费用，社会和经济效益显著。 

附图说明

图1是本发明分区破裂支护示意图和分区破裂受理分析图； 

图2是本发明锚索梁剖面结构示意图； 

图中：1、巷道，2-1、第一破裂区，2-2、第二破裂区，3、完整区，4、喷砼，5、焊接钢筋网，6、锚杆，7、短注浆锚杆或管，8、出浆孔，9、锚索，10、长注浆锚杆或管，11、锚索梁，12、让压环，13、锚索锁具，14、初始开挖应力状态，15、锚杆支护应力状态，16、锚索支护应力状态，17、分区注浆应力状态，18、锚索托盘，19、垫块。 

具体实施方式

现结合附图并以某矿为例，详细说明本发明的技术方案。 

一、首先根据图1所示进行锚喷网支护，改善围岩的应力状态，提高法向约束、锚杆增韧止裂，具体措施如下： 

（1）某矿深部巷道1开挖后，由于卸荷造成径向应力迅速降低，环向应力增大，在围岩表面形成围岩处于初始开挖应力状态14，不利于巷道1的稳定。尽快进行锚喷网支护，改善围岩的应力状态。开挖后先喷射厚度为20-30mm的混凝土喷砼4，起到及时封闭围岩作用；锚杆6选用Φ22高预紧力超强锚杆6，根据围岩破裂分区第一区2-1的范围确定锚杆6长度为3000mm，使锚杆6锚固端位于完整区3岩体中，锚杆6间排距确定为800×800mm，挂网采用6盘条钢网格100×100焊接钢筋网5支护。 

（2）锚喷网支护后在巷道1围岩上再喷射厚度为70-80mm的混凝土喷砼4，这样既可以降低喷砼4刚度，以适应围岩变形，又能减少喷砼4开裂。锚喷网支护完成后，围岩应力转变为稍好的锚杆6支护应力状态15。 

二、根据图1和图2所示采用预紧力让压锚索梁支护，将浅层围岩与深层围岩联系起来，协调耦合支护、应力内部转移，具体措施如下： 

在巷道1的围岩上施加锚索9，根据围岩破裂分区第二区2-2的范围确定锚索9长度为7000mm，使锚索9锚固端位于深部完整区3岩体内，紧贴围岩架设锚索梁11，锚索9穿过锚索梁11加锚索托盘18和垫块19，在垫块19和锚索锁具13之间添加让压环12，施加预紧力在150kN-180kN。通过让压环12能调整锚索9的应力，达到锚索9与高预紧力超强锚杆6的变形协调耦合支护，将浅层锚固区与深层稳定岩体联接在一起，实现围岩承载圈范围的扩大，即将围岩应力向深部转移。锚索梁11的作用是将锚索9联系在一起，增加巷道顶板易破碎围岩的应力，增强顶板的稳定性，施加完锚索9支护后，围岩应力转变为较好的锚索9支护应力状态16。 

三、根据图1所示采用围岩分区充填注浆技术对破裂区围岩进行粘结，对损伤区围岩进行修复，分区充填注浆、增强围岩强度，具体措施如下： 

根据围岩分区破裂监测结果，分区充填注浆滞后锚杆6支护20-30天左右，采用长短结 合注浆管或中空分段螺旋式注浆锚杆6对破裂分区进行注浆，每断面钻注浆孔3-5个，其中短注浆锚杆或管7注浆加固第一破裂区2-1，长注浆锚杆或管10注浆加固第二破裂区2-2，浆液通过出浆孔8向破裂区内扩散，加固围岩内裂隙，重新胶结破裂岩体。注浆初期采用双液浆将围岩中大的裂隙封堵，然后采用单液水泥浆，选用425#普通硅酸盐水泥，水灰比0.5，加入1.5％的高效早强减水剂，增加浆液的可注性并提高注浆强度，注浆压力为2.0～3.0MPa。分区充填注浆完成后，围岩应力状态转变为更好的分区注浆应力状态17。