(1.淮南工业学院，安徽淮南市，232001； 2.国投新集能源股份有 限公司，安徽淮南市，新集，232171)
摘 要 针对新集三矿极软岩巷道具体条件，分析了巷道破坏原因和锚注加固机理，通过FLA C数值模拟和实验室试验进行了锚注参数设计，工程应用实践表明，锚注参数设计正确，锚 注加固效果明显，取得了显著技术经济效益。
关键词 极软岩巷道 锚注加固 修复 锚注参数 注浆材料
1 锚注加固修复巷道概况
新集三矿-340m水平集中巷总长度为1020m，巷道原设计断面为半圆拱形，净宽3.4m，净高3. 0m，巷道布置示意图如图1，巷道原支护方式为U型钢支架与喷射混凝土联合支护，设计方位 为262°30′，由于受地质构造影响，该段岩层产状发生急剧变化，岩层走向摆动13～14° ，倾向发生倒转，巷道岩层柱状如图2所示，集中巷位于6层 （泥岩）中，其围岩主要为泥岩 、砂质泥岩，极为松软破碎，整体性差，泥岩遇水崩解。该巷道从1997年10月开始施工，施 工中呈现前掘后修的情况，巷道掘出仅3天，就产生明显变形，巷道掘出3～15天后，巷道变 形最剧烈，底臌也极其严重，U型钢支架严重扭曲，U型钢卡缆相互挤压和出现张嘴现象，巷 道掘出不到两个月，巷道宽度由原3.4m缩小为1.8m，严重影响掘进的正常进行。后虽经改棚 翻修，但出现前修后坏的局面，至1999年7月，大部分巷道已经修复过3次，其变形仍持续增 长、流变显著，维护极其困难，巷道几乎濒临报废，严重影响了矿井运输和生产的正常进行 。若继续改棚翻修，巷道变形仍难控制，且翻修费用极高；若另掘巷道，难以找到合适的层 位，其掘进支护费用很高，且严重影响矿井西部采区的投产时间。为既经济又能确保矿井运 输和生产的正常进行，对巷道修复加固方〖HT〗
2 集中巷破坏原因分析及锚注加固机理
2.1 集中巷破坏原因分析
（1）巷道围岩性质差，自承能力低。通过对-340m水平集中巷现场采取岩石试样，在实验室 测出集中巷围岩的力学参数并进行分析，结果见表1。
从表1看出，集中巷围岩为泥岩、砂质泥岩，泥岩和砂质泥岩性脆易碎，这些岩石对温 度、湿度、水的作用甚为敏感，岩石强度急剧降低，泥岩遇水崩解后强度完全丧失，使巷道 围岩自承能力急剧下降。 X-射线衍射对围岩矿物成分分析表明，主要矿物为高岭石，这种岩石遇水后使颗粒发生破坏 产生软化、崩解，岩石流变显著，巷道变形增大。
（2）巷道四周不均匀承载，承载体受力条件恶化。340m水平集中巷为急倾斜巷道，其水平 压力一般较大，加上本矿区的巷道围岩性质较差，自承能力较低，使U型钢支架的承载能力 大幅度降低，受力条件急剧恶化，使巷道断面多呈现出“尖桃形”破坏。
（3）地质构造因素。原设计集中运输巷方位角为261°30′～262°30′，但在掘进中发现 岩 层走向摆动变化较大，倾向发生倒转，这说明该区域地质构造复杂。利用套筒致裂法现场测 试推算出该矿区原始地应力分布特征，揭示了该矿区存在残余构造应力。在自重应力与构造 应力双重作用下，导致巷道压力大，变形剧烈。
（4）巷道支护方式不合理。U型钢支架的结构和形式过于单一，难以适应复杂多变的软岩巷 道压力；我国现有U型钢支架的质量与国外先进水平比，尚有较大差距，如型钢屈服强度偏 低，卡缆的结构和性能差，难以充分发挥其承载能力。
（5）水的因素。调查表明集中巷围岩有淋水现象，集中巷底板低洼，积水较多，水的浸蚀 使岩石软化和膨胀，巷道变形急剧增长。
表1 巷道围岩物理力学参数测试表 （略）
图2 巷道岩层柱状图 （略）
2.2 锚注加固机理
长期以来，软岩巷道维护一直是煤矿生产建设中的难题，在软岩内布置巷道，围岩变形 大，稳定性差，使巷道掘进和支护十分困难，而且屡遭破坏，需经常翻修，严重影响矿井的 安全和正常生产。多年来，软岩巷道围岩控制理论及支护技术一直是采矿工程学科的重要研 究方向之一。
目前，对于极软岩巷道的支护，还没有一种完全行之有效的指导理论。传统的锚喷支护 已不适应高应力、大变形的软岩巷道；碹体支护由于施工复杂、成本高、变形量小，它与软 岩的变形规律和支护要求不一致，难以适应软岩巷道支护；从支护技术上看，各种刚性支 架与软岩巷道围岩变形规律不一致，而且支护成本高；以U型钢为主的各种可缩性金属支 架因软岩巷道围岩变形大、支架受力不均也出现变形破坏。
锚注加固是一种理想的改善软弱围岩承载性能的措施。锚注加固巷道围岩是利用空心锚 杆兼作注浆管 （简称注浆锚杆），注浆锚杆前段是带若干个射浆孔的注浆段，后段是锚固段 。松动和裂隙发育的围岩经过锚杆注浆加固后围岩强度等力学性能得到提高和改善，使破裂 结构的围岩胶结成拱形连续体加固圈，同时注浆锚杆又起到悬吊、挤压、楔固组合拱等作用 ，防止围岩松动范围进一步扩展，从而使巷道径向应力减小到仅用较小支护阻力就能使围 岩长期处于稳定状态。因此，锚注支护采用锚杆与注浆相结合的双重作用达到加固围岩、控 制围岩变形的效果，它可以大大地提高软岩巷道支护效果和围岩稳定性。
3 锚注加固参数设计
3.1 数值模拟注浆固结体强度及注浆孔深度
3.1.1 注浆固结体强度
现场实施围岩注浆时，影响注浆效果的参数很多，如：注浆压力、注浆时间、注浆量、水灰 比、注浆孔深度等。通过合理设计与控制这些注浆参数，最终都希望达到一个共同的目标： 将浆液注入围岩，使其与围岩固结在一起，形成注浆固结体，以实现控制巷道变形。现采用 注浆固结体强度这一综合指标来衡量各注浆参数组合使用后的效果。通过FLAC数值模拟表明 ，当围岩强度提高55%～65%时，围岩位移量显著减少，此后，再提高注浆体强度，围岩位移 量减少幅度不大。因此，围岩强度提高60%较合理。
3.1.2 注浆孔深度
注浆孔深度会影响注浆范围 （围岩加固范围）的大小，为确定合理注浆孔深度，对不同孔深 注浆后巷道变形情况进行模拟，围岩强度提高百分比取为60%，通过模拟表明，随 注浆孔深 度的加大，围岩移近量逐渐减少，特别是底臌量减少幅度更大。当孔深超过1.5m时，底臌量 就小于顶板下沉量，这对控制严重底臌极有意义。当注浆孔深度在2～3m时，围岩位移量显 著减少。此后再增加孔深，虽围岩位移量仍有所减少，但减少幅度不大。由此可见，适宜的 注浆孔深度为2.5m左右。
3.2 注浆锚杆结构
注浆锚杆自行设计研制，设计的注浆锚杆采用42mm的无缝钢管制作，总长2000mm，注浆段 1300mm，锚固段630mm，尾部螺纹段70mm，注浆段钻有若干交叉射浆孔。该注浆锚杆具有结 构简单、成本低廉等优点。
注浆锚杆锚固段与钻孔岩壁间的密封性和锚固性是锚注支护成功与否的关键，要求所用的密 封锚固材料既具有密封性好又具有短期就能提供足够抵抗注浆压力的能力，并要求密封锚固 材料施工方便、快捷，此次试验采用棉纱紧密缠绕锚杆锚固段马牙，并用水泥封堵，以达到 密封与锚固效果。
3．3 注浆材料
-340m集中巷由于经过多次翻修，巷道围岩松动圈大，围岩空洞、裂隙多，注浆量大。如何 降低锚注的注浆成本显得尤为重要，在采用水泥单液注浆材料中加入其它细骨料以降低水泥 用量是解决问题的有效方法之一，由于粉煤灰基本上具有与水泥相同的颗粒尺寸和级配分布 ，因而可在注浆材料纯水泥中加入部分粉煤灰。为了选定合理的注浆材料，确定合理的浆材 配比，在实验室对粉煤灰-水泥注浆材料的流动性、析水性、强度参数进行了试验研究。研 究表明：浆液中粉煤灰比例在20%及以下、水灰比在0.65～0.70时浆液的流动性最好，析水 性最小，浆材28d龄期的抗压强度最大，且能满足注浆固结体强度提高的要求。试件28d龄期 浆材的抗压强度变化规律曲线如图3所示。
因此，从工程应用和技术经济考虑，粉煤灰-水泥锚注加固注浆材料中粉煤 灰含量选取为20%、水灰比选为0.65～0.70。
3.4 注浆参数
3.4.1 注浆压力
注浆压力受到围岩特性、浆材性能、注浆方式等因素的影响和制约。注浆压力过小，浆 液难以向围岩中扩散，达不到预期注浆效果；若注浆压力过大，很可能导致在注浆过程中巷 道表面冒顶或片帮。由于集中巷道喷层较薄，强度低,本次设计注浆压力为2MPa。
3.4.2注浆孔布置
为了注浆时不出现死角，保证注浆效果，注浆孔间排距一般取为注浆扩散半径的1.67倍，通 过预注浆试验表明，集中巷注浆扩散半径平均为2.5m，因而间排距设计为4m。结合FLAC数值 模拟结果，注浆孔深度定为2.5m。注浆孔布置为每个断面5个，左右帮各两个、顶部一个， 注浆孔直径为43～45 mm，孔深为2500mm，注浆孔布置如图4所示。
4 现场工业性试验
4.1 注浆设备
〖JP3〗注浆设备主要包括注浆泵、高压胶管、搅拌机等，根据选型计算，注浆泵型号选为2 TGZ-60/210型，浆液采用搅拌机搅拌，搅拌机型号选为3B-200。
图3 试件28d龄期抗压强度曲线（略）
图4 注浆孔布置示意图（略）
4.2 锚注加固施工工艺
锚注加固施工工艺流程是：施工准备-钻孔-安装锚杆-造浆-注浆施工-清理锚注机具。
4.3 钻孔和安装锚杆
用T-7655型风锤，42mm的钎头，按注浆锚杆设计的位置和方位钻43mm、深度2500mm钻孔 ，并且将钻孔内积水与岩屑吹洗干净。钻孔完成后，安装锚杆，锚杆马牙处要缠紧棉线，全 部打入孔内，外露部分不超过50mm，并用水泥封堵，确保注浆时不泄露。
4.4 注浆施工
按注浆要求连接好注浆管路，调节注浆泵安全阀，经试泵一切正常后方可开泵注浆；在搅拌 桶中放入适量的水，再倒入4袋水泥和1袋粉煤灰，使浆液的水灰比控制在0.65～0.70的范围 。用搅拌机搅拌浆液，搅拌时间对于浆材与水的充分混合有着非常重要的影响，搅拌时间太 短，浆材与水混合不均匀，使浆液的流动性受到很大影响，因而搅拌时间定为5min；开泵注 浆，当注浆压力达到2MPa时停止注浆。每排注浆顺序为先注下部孔，再注肩孔，最后注顶孔 。每一个孔注浆结束一天后，要求在注浆锚杆末端放上托盘、拧紧螺母。
4.5 锚注加固效果分析
从1999年8月至2000年7月锚注加固巷道1020m，共使用水泥 1879t，使用粉煤灰469t。试验 期间共布置4个测站、9个观测断面对锚注巷道进行了矿压观测， 注浆前后巷道围岩位移速 度情况如表2。 从表2统计数据可见：
（1）巷道在注浆前，两帮移近速度平均为1.82mm/d，一般在1.5～2.0mm/d之间，最大 的 达到2.71mm/d，围岩位移速度较大，巷道变形严重，严重影响巷道的运输和行人及正常生产 。锚注加固后， 7～28d内两帮移近速度减少较大，在24.5%～55.6%范围内，平均为41.4%； 而 在28d以后减少幅度为53.7%～84.0%，平均减少69.6%。分析围岩两帮移近速度减少率的变化 趋势，28d以后围岩两帮移近速度急剧减小，最后 （注后3个月）逐渐趋于平稳，围岩两帮移 近速度基本都在0.33mm/d以下，围岩变形得到
有效控制。
（2）注浆前，巷道底臌速度在1.20～4.00mm/d左右。围岩锚注后，底臌速度也得到了一定 程 度的控制。在7d～28d内减少率平均为20.3%；在28d以后减少率在45.8%～78%，平均为64.5% ， 比两帮移近速度减少率 （69.6%）稍小。分析原因，一是施工时巷道底部注浆孔斜向下的角 度太小(小于10°)，没有达到设计要求(20°)，二是注浆施工期间巷道底板一直积水较多 ，使得底板遇水膨胀加大。 由顶板下沉速度观测表明，注浆前，部分顶板有上升现象 （负号表示顶板上升），上升速度 在1.16～2.08mm之间。随着锚注施工的进行，上升速度逐渐减小，在注浆28d以后，顶板 不 再上升，顶板下沉速度在0.08～0.41mm/d，下沉速度较小。分析原因，是由于注浆前， 巷道已经经过了多次翻修，顶部空洞较大，而该巷道处于急倾斜岩层中，侧压较大，致使巷 道顶部上升。注后，顶部被注浆体充实，使围岩可以承受部分载荷。
5 经济效益分析
通过经济效益分析表明，新集三矿-340 m水平集中巷进行锚注加固修复后，与改棚修复方案 相比，共可产生直接经济效益约3044.96万元、间接经济效益约3675.00万元；与另掘巷道 （ 考虑锚架喷支护形式）方案相比，共可产生直接经济效益约3207.80万元、间接经济效益约3 937.5万元。对-340m水平集中巷进行锚注加固修复经济效益显著。
表2 注浆前后围岩位移速度统计表 mm/d（略）
6 结束语
本研究针对极软岩巷道具体条件，通过FLAC数值模拟和实验室试验设计锚注参数，并进 行了现场锚注加固工业试验，得到以下主要结论：
（1）锚注加固参数设计正确，自行设计的注浆锚杆结构简单、成本低廉，注浆压力设计为2 MPa、注浆孔深度取为2.5m、注浆孔排距取为4m是合理的。
（2）矿压观测结果表明，集中巷锚注加固后28d巷道围岩的两帮移近速度、底臌速度、都有 了较大程度的减少，3个月左右巷道变形基本趋于稳定，巷道变形得到了明显控制，由此看 出，取得了显著的技术经济效益，锚注加固获得了成功。实践证明，该项技术对于控制极软 岩巷道的变形具有显著技术经济效果，而且其施工工艺简单，操作方便、安全，成本低廉。
（3）试验表明锚注加固注浆材料加入粉煤灰，不仅技术可行，而且大大降低了巷道锚注 成本，扩大了粉煤灰的利用范围，值得进一步推广。
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