高應力巷道圍巖錨注加固技術(shù)研究

錨桿防護臺作為主動防護臺的代表，已成為車道圍巖的主要控制方法。隨著礦井開采深度加大，地應力逐漸增大，地質(zhì)條件逐漸復雜，普通錨網(wǎng)支護在遇到特殊地質(zhì)巖體時經(jīng)常不能有效控制圍巖穩(wěn)定上述錨注支護研究中，注漿錨桿主要作為漿液的通道，其錨固力較低，造成錨桿對圍巖軸向方向的約束作用不明顯，所以錨注支護中預應力錨桿主動加固的優(yōu)勢未充分發(fā)揮。另外，普通錨注支護中采用的注漿漿液多為水泥基材料，部分為化學材料?；瘜W漿液由于價格昂貴且部分有毒而應用相對局限。而普通水泥基注漿材料由于水化反應而具有自收縮性，導致漿液結(jié)石體與巖體之間出現(xiàn)縫隙。因此，裂隙壁受到的擠壓應力大大降低，其抗剪強度大幅度下降，所以注漿加固效果大大降低。上述兩方面的弊端造成錨注支護對特殊復雜地質(zhì)條件下圍巖的加固效果不佳，經(jīng)常出現(xiàn)達不到工程要求的現(xiàn)象，需要對其進行改進。首先，針對普通注漿錨桿錨固力低的問題，課題組研發(fā)了新型高強預應力注漿錨桿系統(tǒng)；然后，針對普通水泥基材料自收縮造成注漿加固效果降低的問題，課題組通過外加劑對約束狀態(tài)下的注漿材料進行改性，提出了自應力漿液加固方法由于地下巖體對漿液結(jié)石體的空間約束作用，自應力漿液在裂隙內(nèi)能夠通過體積膨脹增大漿巖界面的擠壓應力，明顯提高巖體裂隙界面的摩擦力，改善裂隙巖體的抗剪強度。通過漿液結(jié)石體的膨脹應力和高強注漿錨桿的軸向約束應力，使圍巖處于準三維受力狀態(tài)，與普通錨注相比其支護效果將會大大提高?；诖耍疚囊云矫菏V變電所巷道為工程背景，基于原支護方式失穩(wěn)機理分析，提出基于預應力錨和自應力注的破碎圍巖錨注加固方法，探究裂隙巖體自應力漿液加固原理，研發(fā)新型高強預應力注漿錨桿系統(tǒng)，形成基于預應力錨和自應力注的破碎圍巖錨注支護方案。通過多種現(xiàn)場監(jiān)測方式綜合分析該新型錨注的工程應用效果。1構(gòu)造和圍巖厚度平煤十礦井田含煤巖系的總厚度約為900m。其中含煤巖層數(shù)為44層，總厚度約為30.72～42.21m，含煤系數(shù)約為3.4%～4.7%。井田內(nèi)煤層傾角為0°～35°，埋深為450～1100m，基本表現(xiàn)為東北傾向的單斜構(gòu)造。巖層成分大體為砂質(zhì)泥巖、細粒和中粒砂巖，受高強地壓影響導致裂隙高度發(fā)育，巖層硬度較低、破碎程度大。-320中央變電所標高為-313～-314m，埋深為473～499m，位于戊8煤層頂板以上0～4m的砂質(zhì)泥巖中，砂質(zhì)泥巖以上為3～5m細粒砂巖和5～7m中粒砂巖。變電所巷道經(jīng)常出現(xiàn)幫部和頂板開裂、脫皮掉塊、底鼓嚴重等現(xiàn)象，為保證變電所巷道正常使用，需對其進行開幫拉底維修。目前，已經(jīng)嘗試采用高強錨網(wǎng)索支護、U36型鋼支架支護、普通錨注支護等方法，但巷道圍巖控制效果均不佳。2原始住院模式的失穩(wěn)機理分析根據(jù)地應力測試資料2.1錨桿支護的強度變電所巷道首先采用了普通錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方法，使用的高強預應力錨桿規(guī)格為Φ20mm×L2200mm，間排距為700mm×700mm，錨索型號為Φ22mm×L7300mm，間排距為1400mm×400mm，掛網(wǎng)為900mm×900mm冷拔絲金屬網(wǎng)。巷道圍巖局部變形超過1000mm。高強預應力錨桿自身強度很高，但是由于巖體破碎，錨桿的錨固力達不到桿體的要求。錨桿工作過程中，錨桿端部與周圍小范圍巖體黏結(jié)可能發(fā)生整體位移。另外，錨桿支護的目的是通過調(diào)動圍巖的自承載能力來抵抗深部圍巖的應力釋放，由于巖體破碎、自身強度低，通過錨網(wǎng)加固對巖體自承載能力的提高幅度很有限。錨桿索增阻困難，巷道圍巖表現(xiàn)為整體移動。2.2u36鋼支撐的失穩(wěn)分析采用U36型鋼支架控制變電所圍巖，支架幫部變形極其嚴重。根據(jù)課題組前期研究2.3錨桿預應力錨桿加固不到位在上述2種方式失敗之后，嘗試采用了普通錨注支護技術(shù)。雖然普通錨注綜合了錨桿支護和注漿加固的優(yōu)勢，但采用的注漿錨桿為焊接絲螺紋注漿錨桿，如圖2所示。該錨桿主要為注漿的通道，其預應力極低，對圍巖軸向方向約束作用不明顯。傳統(tǒng)錨注支護多忽略了錨桿預應力的加固效果，所以錨注支護中預應力錨桿主動加固的優(yōu)勢未充分發(fā)揮。另外，錨注支護時采用的注漿材料為水泥黏土材料。雖然水泥黏土漿液對普通巖體的加固效果較好，但由于普通水泥基材料存在自收縮性，漿液凝固后體積收縮導致漿液結(jié)石體與巖體裂隙壁之間接觸不緊密甚至出現(xiàn)縫隙，進而巖體裂隙摩擦力降低，抗剪強度減弱，所以圍巖注漿加固效果不佳。普通錨注支護失敗原因主要包括焊接絲螺紋注漿錨桿錨固力不夠和普通水泥漿液自收縮引起漿巖界面不密實而造成加固效果不佳兩方面。3高強預應力注漿錨桿系統(tǒng)基于上述普通錨注支護失敗機理分析，針對普通錨注存在的兩方面缺點進行改進，提出了基于預應力錨和自應力注的破碎圍巖錨注加固方法。針對焊接絲螺紋注漿錨桿錨固力不夠的問題，研發(fā)了新型高強預應力注漿錨桿系統(tǒng)；針對普通水泥漿液由于自收縮引起漿巖界面不密實而造成加固效果不佳的問題，提出了自應力漿液加固方法，同時研制了超細硅質(zhì)自應力復合注漿加固材料。3.1力學性能新型高強預應力注漿錨桿采用端頭錨固施加高預應力加固圍巖，然后通過中空桿體進行注漿加固。高強預應力注漿錨桿由厚壁鋼管經(jīng)桿體壓絲、桿體鉆孔、尾部滾絲、配件組裝等工序加工而成。1)桿體材料該桿體可以根據(jù)礦井實際要求選取不同的壁厚和直徑。根據(jù)變電所巷道的要求，選取定軋45由圖3和表1可知，桿體的屈服載荷和最大負荷分別為212.20,232.25kN，桿體強度較大，能夠滿足注漿錨桿對圍巖高軸向約束應力的要求。2)尾部滾絲、球墨鑄鐵螺母、減摩墊片錨桿桿體與螺母、螺母與墊圈之間的摩擦力是阻礙扭矩預應力轉(zhuǎn)化的最大障礙，因此將摩擦力降至最低是提高扭矩預應力轉(zhuǎn)化效率的重要途徑。螺紋結(jié)構(gòu)以及桿體、螺母材料是決定螺紋摩擦力的主要因素。此外，螺母與托盤之間的摩擦力也會影響扭矩-預應力轉(zhuǎn)化。而螺母與托盤之間的摩擦力可以通過減摩結(jié)構(gòu)來減小。因此，錨桿扭矩-預應力轉(zhuǎn)化效率影響因素如下：式中：η為扭矩-預應力轉(zhuǎn)化效率；f(x)為螺紋結(jié)構(gòu)影響因素；f(y)為桿體和螺母材質(zhì)影響因素；f(z)為減摩結(jié)構(gòu)影響因素。(1)相同扭矩作用下，不同螺紋尺寸的錨桿能夠?qū)崿F(xiàn)不同的預應力。其原因是不同尺寸螺紋的升角不同導致螺紋摩擦力不同，螺紋摩擦力越大，扭矩-預應力轉(zhuǎn)化效率越低。因此，對桿體尾部進行細螺紋滾絲。設計尾部螺紋等級為6g，尾部螺紋規(guī)格為M24，螺紋螺距為3mm，螺紋長度為150mm。(2)螺母與桿體之間的摩擦因數(shù)越小，對螺母處扭矩轉(zhuǎn)化為桿體的預應力越有利，因此，選用與鋼材摩擦因數(shù)最小的材質(zhì)加工螺母。不同材質(zhì)螺母與鋼桿體的摩擦因數(shù)如表2所列?？梢钥闯觯搶η蚰T鐵的摩擦因數(shù)最小，約是鋼對鋼摩擦因數(shù)的60%，所以選用球墨鑄鐵螺母。(3)減摩結(jié)構(gòu)主要是減摩墊片。減摩墊片的材料主要有聚四氟乙烯、尼龍1010、改性尼龍1010和高密度聚乙烯3)螺紋旋向根據(jù)課題組的研究成果4)焊接壓蓋式錨桿阻尼螺母為了解決現(xiàn)有錨桿預應力施加不夠標準的問題，課題組提出一種焊接壓蓋式錨桿阻尼螺母5)新型高強預應力注漿錨桿組裝系統(tǒng)高強預應力注漿錨桿系統(tǒng)包括左旋螺紋桿體、出漿孔、止?jié){塞、焊接壓蓋式阻尼螺母、球面墊圈、減阻特制塑料墊圈等。其組裝結(jié)構(gòu)如圖5所示，出漿孔如圖6所示。新型高強預應力注漿錨桿具有預應力大、預應力施加更標準、錨固力高、桿體強度高、密封效果好等優(yōu)點，有利于實現(xiàn)錨注一體化。3.2自應力注漿材料為改善水泥基注漿材料的自收縮性，在水泥基注漿材料中添加膨脹劑是有效的方法，膨脹劑能夠促進水泥結(jié)石體的體積膨脹變大而補償水泥基材料的自收縮。當膨脹劑摻量超過補償水泥自收縮的臨界摻量時，漿液結(jié)石體體積膨脹除補償水泥基材料自收縮外，能夠在裂隙巖體的約束空間內(nèi)繼續(xù)膨脹，由于巖體裂隙壁的約束作用，結(jié)石體能夠?qū)α严侗诋a(chǎn)生一定的擠壓應力，即為膨脹應力。根據(jù)牛頓第三定律，巖體裂隙壁對漿液結(jié)石體也會產(chǎn)生擠壓約束應力，此約束應力與結(jié)石體對裂隙壁的膨脹應力相等，即式中：σ漿液對巖體裂隙壁的膨脹應力由于是漿液結(jié)石體在約束作用下自身體積膨脹而產(chǎn)生的，因此可以稱為自應力，此注漿材料稱為自應力注漿材料。自應力漿液加固巖體具有兩方面的優(yōu)勢對于巖體裂隙而言，漿液結(jié)石體體積膨脹產(chǎn)生擠壓作用，如果擠壓應力過大，超過了巖體裂隙的啟裂應力，則膨脹應力對裂隙巖體起到損傷作用。而實際中漿液結(jié)石體產(chǎn)生的膨脹應力相對巖體裂隙尖端的啟裂應力而言較小，膨脹應力遠未達到裂隙的啟裂應力，所以膨脹應力對巖體裂隙不會產(chǎn)生損傷效應，只有約束加固作用。圖8為自應力漿液加固前后巷道圍巖莫爾圓與強度包絡線。強度包絡線斜率L3.3基于自應力的錨桿加固自應力漿液加固能夠提高巖體力學參數(shù)并改善巖體的受力狀態(tài)。對于巷道圍巖而言，開挖后的巷道存在一個自由面，對圍巖進行自應力注漿加固時，漿液結(jié)石體對巖體裂隙壁產(chǎn)生膨脹應力。但是表面圍巖在軸向沒有約束，產(chǎn)生膨脹應力需要的體積不變的約束空間可能會隨著漿液結(jié)石體體積膨脹而產(chǎn)生一定位移，這樣達不到自應力漿液的加固效果。因此，可以通過上述新型高強預應力注漿錨桿對巷道圍巖在軸向方向施加約束，錨桿軸向應力限制了圍巖的軸向變形，匹配了自應力漿液對裂隙壁產(chǎn)生的膨脹應力，錨桿對巖體的軸向約束應力和自應力漿液對巖體的膨脹約束應力共同形成對巖體近似三維的加固狀態(tài)。因此，將預應力注漿錨桿和自應力漿液共同加固巖體的方法稱為基于預應力錨和自應力注的錨注加固。對于裂隙巖體自應力漿液加固和新型預應力錨注加固均在已經(jīng)發(fā)表的文獻注漿能夠擴大錨桿錨固力在巖體中的傳播范圍，使錨桿由部分錨固轉(zhuǎn)化為全長錨固，錨固作用大大提高。錨注支護中錨桿加固圈和注漿加固圈能夠同時承載，兩者重疊部分相互加強，其承載能力大于各自承載能力之和。所以該新型錨注方法可顯著改善裂隙圍巖的受力狀態(tài)，提高裂隙圍巖的自承載能力，明顯改善加固效果。圖9為基于預應力錨和自應力注的錨注加固原理示意圖?；陬A應力錨和自應力注的錨注加固的優(yōu)勢主要包括兩方面：1)巖體應力狀態(tài)的恢復與改善。注漿錨桿索的軸向約束應力及自應力漿液的膨脹應力，可使開挖后的巷道圍巖由二維應力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為準三維應力狀態(tài)，提高了圍巖的非固有強度和變形模量，限制圍巖沿巷道自由面法向和結(jié)構(gòu)面法向的張裂破壞。2)破碎圍巖區(qū)的強化與損傷修復。新型錨注加固將松動破碎圍巖變?yōu)檎w密實圍巖。自應力漿液在凝結(jié)過程中會產(chǎn)生膨脹應力，對圍巖產(chǎn)生一定的擠壓作用，修復并增強損傷破裂圍巖的強度，限制了圍巖沿潛在破裂滑移面方向的剪切變形，提高了圍巖抵抗剪切破壞的能力。4基于預應力錨和自應力注的巷道錨點支護方案根據(jù)上述理論分析，對變電所巷道通過新型高強預應力注漿錨桿系統(tǒng)提供軸向約束力，限制圍巖變形，通過自應力漿液加固破碎圍巖，修復充填圍巖裂隙，形成基于預應力錨和自應力注的巷道圍巖支護方案。其中，自應力漿液采用超細硅質(zhì)自應力復合注漿加固材料，該材料的研制過程在文獻4.1錨桿索力系統(tǒng)由于巷道經(jīng)過多次維修，圍巖破碎深度相對較大，約為1500～1800mm，選取注漿錨桿錨固端長度600mm，注漿錨桿外露及裝配長度100mm。注漿錨桿長度為錨固端長度、圍巖破碎深度和錨桿外露及裝配長度之和，基于安全考慮，選取新型高強預應力注漿錨桿長度2600mm。2)注漿錨桿間排距考慮注漿漿液在裂隙巖體中能夠相互重疊，以防止存在未注裂隙。在不低于4MPa的注漿壓力作用下，超細硅質(zhì)自應力復合注漿加固材料在該巷道圍巖裂隙中擴散半徑約為1500～2000mm，基于安全考慮，注漿錨桿間排距選為1400mm×1400mm。3)注漿錨索參數(shù)考慮圍巖在多次返修過程中擾動作用下局部可能存在松散破碎較深的地方，采用注漿錨索對深部圍巖裂隙進行加固，另外，通過錨索錨固在深部穩(wěn)定巖層中，對表面錨桿注漿層起到一定的懸吊作用，形成了深淺錨注復合拱結(jié)構(gòu)。設計注漿錨索間排距為1400mm×2000mm。4.2預應力錨桿注漿材料配方圖10為基于預應力錨和自應力注的錨注支護的設計斷面圖。方案具體如下：1)錨桿索參數(shù)錨桿為新型高強預應力注漿錨桿，型號為Φ25mm×L2600mm，壁厚7mm，材質(zhì)為定軋452)注漿材料超細硅質(zhì)自應力復合注漿加固材料配方為：超細水泥摻量79%，黏土摻量5%，膨脹劑摻量10%，硅粉摻量6%，速凝劑摻量2.9%，減水劑摻量2.5%，水灰比0.45。注漿壓力不低于4MPa。5巷道錨注支護效果分析將上述基于預應力錨和自應力注的錨注支護方案進行現(xiàn)場應用，選取100m試驗巷道，通過巷道圍巖取芯SEM電鏡掃描、巷道圍巖鉆孔窺視、錨桿索受力監(jiān)測分析、巷道圍巖變形監(jiān)測分析等方法綜合分析該新型錨注支護效果。5.1微觀結(jié)構(gòu)分析對變電所巷道圍巖鉆孔取芯，取漿液結(jié)石體與巖體界面處加工成10mm×10mm×2mm試樣，對巖芯的巖石部分、漿液結(jié)石體部分和漿-巖界面分別進行SEM電鏡掃描試驗。圖11～13分別為巖體、漿液結(jié)石體和漿-巖界面的SEM圖。由圖11和圖12對比可知：巖石顆粒狀明顯，顆粒大小不一，空隙相對較多；漿液結(jié)石體結(jié)構(gòu)較為致密，顆粒相對均勻，雖然也有一定的空隙，但空隙的數(shù)量少于巖石。這從微觀角度說明，在約束狀態(tài)下自應力復合注漿漿液的密實度得到明顯提高。由圖13看出，漿液結(jié)石體與巖體的結(jié)合度較好，說明漿液擴散性良好，與巖體接觸密實性良好。漿液結(jié)石體與巖體裂隙壁之間沒有塌縮，解決了以往注漿時漿液擴散度不夠和漿液自收縮密實性不佳而引起圍巖松散、控制效果不佳的問題。5.2鉆孔影像對比分析通過CXK12(A)礦用本安型鉆孔成像儀對新型錨注加固后的變電所巷道圍巖進行窺視。施工鉆孔6個，孔深3～4m，鉆孔直徑30mm，在現(xiàn)場進行鉆孔成像試驗，選取有代表性的2個窺視點進行分析，如圖14所示。2通過不同深度鉆孔窺視可以看出，注漿漿脈充填了圍巖裂隙，自應力復合注漿漿液能夠進入巖體裂隙，漿液擴散性好。隨著鉆孔深度的增加，圍巖裂隙減少，相應的注漿漿脈注漿減少。5.3注漿錨桿受力波動本觀測共設3個觀測斷面，每個觀測斷面安設錨桿索測力計9塊，設置了6塊紅外自動采集數(shù)字測力計，其中1在初始階段，數(shù)字測力計受巷道維修時放炮振動的影響，錨桿索受力波動較大，但隨著工作面逐漸遠離測力點，受力均基本趨于穩(wěn)定。注漿錨桿處于巷道破碎松散帶內(nèi)，在注漿固結(jié)體未達到最終強度之前，容易受到外界擾動的影響，錨桿受力波動較大