锚注加固技术在斜井修复加固中的应用

锚注加固技术在斜井修复加固中的应用
摘要:万通源煤矿是山西煤炭资源整合中的整合煤矿之一,为了节约资金,缩减工期,提高经济效益,通过修复加固部分旧井筒作为资源整合后的主要井筒。

本文详细论述了作为投产后的副斜井在刷大原有井筒断面后进行拆除老碹、重新砌碹施工中采取的技术措施及遇到的问题,通过采用临时联合支护和锚注加固相结合的方法,取得了良好的施工效果。

关键词:资源整合井筒改造联合支护锚注加固
1 基本情况介绍
万通源煤矿位于二铺背斜西北翼,区内整体基本构造形态为单斜构造,倾角平缓,一般为7～9°。

可采煤层自上而下分别为4、9、11号煤层。

目前开采4号煤层,该层位于太原组上段,层位稳定,厚度7.50～10.15m,平均8.89m,含有夹矸2～3层,属稳定可采煤层,上距山西组底部K3砂岩约0～4.10m,平均3.00m,下距9号煤层31.85～45.68m,平均37.84m,其顶板为砂质泥岩或粗砂岩（K3砂岩）,底板为泥岩、砂质泥岩或高岭土。

该修复斜井倾角为21°,斜长360m,从井口往下150m段均处于表土流沙层中。

在相同地质条件下的其他井筒在修复过程中,曾经发生过从井口往下60m段的大范围冒顶,导致从冒顶处往下1000多米巷道被沙土堵塞,为了防止冒顶事故的发生,在修复之前,采取了加强井筒
支护的措施,为下一步施工做准备。

2 支护形式和矿压显现基本特征
(1)巷道断面为半圆拱形,宽度3.2m,墙高1.5m,主要支护方式为砌碹支护。

修复前,矿压显现已经非常明显。

具体表现为:巷道变形较大,井筒最小宽度不到2.6m,拱顶和两帮直墙存在多处小范围的纵向裂隙,部分地段的拱顶和直墙的砌碹料石有多处剥落,加上长期的水流渗流的影响,直墙有多处向井筒鼓起,矿山压力传递至底板,导致底板凹凸不平。

井筒剥落较严重的地方一般可发现原巷道砌碹质量不合格,具体表现为碹体厚度偏小,水泥浆体受到水害的影响,已经失去粘结作用,两帮直墙也在水流的渗流作用下剥落,墙内围岩一般为吸水膨胀的泥岩或高岭岩,两帮横向最大移近量大于600mm,井筒的宽度和高度完全不能满足下一步的辅助运输要求。

(2)基本来压方式主要有:一是在矿山压力作用下,巷道围岩发生蠕变变形；二是岩层风化造成围岩强度下降而导致井筒变形加剧；三是围岩吸水膨胀,打破了原有围岩—支护体的受力平衡；四是地下水长期渗流碹体,导致砌碹破坏速度加快,围岩（沙土）因水流的搬运作用不断流失,加剧了碹体的应力集中程度,导致破坏加快。

3 锚注加固支护
3.1 支护原理
锚注加固是采用圆钢管作为锚杆的一种注浆方式,它是将浆液充填于破碎岩石的孔隙中,将岩块颗粒胶结成整体,属于渗透注浆的理论范畴。

锚注加固支护原理主要包括以下三个方面:
(1）提高岩体强度,改善弱面的力学性能。

即提高裂隙的黏聚力和内摩擦角,增大岩体内部快间相对位移的阻力,从而提高围岩的整体稳定性。

(2）形成承载结构。

在破碎围岩巷道中实施注浆加固,可以使破碎围岩重新胶结成整体,形成承载结构,充分发挥围岩的自稳能力。

注浆加固后能使普通端锚杆实现全长锚固,从而提高了锚杆的锚固力和可靠性,保证了支护结构的稳定性,提高了支护结构的整体性。

(3）改善围岩赋存环境。

软岩巷道围岩注浆后,浆液固结体封闭裂隙,阻止水汽浸入内部岩体,防止水害和风化,对保持围岩力学性质、实现长期稳定作用明显。

3.2 锚注加固施工设计
3.2.1 注浆方案
该方案通过采用锚注施工工艺,对井筒周围的表土层采用壁后注浆加固处理后,使浆液充填围岩的裂隙,在井筒的外围形成完整的注浆
帷幕,并与围岩、锚杆支护共同形成有效的承压组合拱。

由于注浆使得井筒外围组合拱厚度加大,有效地提高了支护结构的承载能力,阻止井筒的变形破坏,从而确保井筒的长期安全使用。

注浆采用底脚、帮、顶间隔式注浆。

3.2.2 锚注技术参数
3.2.2.1 注浆材料
注浆材料以单液水泥浆为主,水泥采用325#普通硅酸盐水泥,水灰比为0.7,若单孔注浆压力小,注浆量稍大,也可在水泥浆中掺加15%～20%的粉煤灰与其均匀搅拌注入,以节约材料,降低成本；若单孔吃浆量过大时（即水泥用量超过1.5吨）,对该孔采用水玻璃和水泥双液注浆封孔。

水玻璃浓度为42-45°Be’,模数为2.5-3.0,用量为水泥质量的3%～5%。

3.2.2.2 钻孔与锚注锚杆
锚注钻孔的深度,根据有关技术要求,注浆孔深度:顶和两帮为 2.5米,底脚为2.0米。

注浆钻孔的间排距为1.6m×1.6m。

钻孔布置角度:底脚注浆锚杆与井筒底板成30°—45°,其余锚注锚杆均与井筒周边轮廓垂直布置,最小角不小于75°。

注浆锚杆采用无缝钢管制作,两帮及顶板锚注锚杆为2.0m,底脚锚注锚杆长1.6m,钢管直径φ22mm,壁厚为3mm,杆体上每隔300mm均
匀钻出φ6mm注浆孔。

管口端车有40-70mm长M22的螺纹和400mm 的竹节扣,管终端呈扁状,以增加注浆出口压力。

3.2.2.3 注浆扩散半径及注浆压力
注浆扩散半径按井筒围岩裂隙考虑,取3.5-4.0m。

注浆压力,根据经验值:顶部取 1.5-2.0MPa,底脚及两帮取1.0-1.5MPa。

双液注浆时,把水玻璃与水灰比为0.7的水泥浆混合注入,水玻璃掺加量为水泥重量的3%-5%。

当注浆压力超过设计压力时,方可封孔停止注浆。

3.2.2.4 现场每桶浆液配制
搅拌桶容积0.39m3,满桶时:用水300公斤、水泥6袋；2/3桶时:用水200公斤、水泥4袋。

3.2.2.5 钻眼施工及注浆锚杆安装
钻眼采用7655型及YT-27型凿岩机,钻头选用十字形或一字型钻头,直径φ28mm,帮顶钻眼深度为2.5m,底脚钻眼深度为2.0米。

施工前,按锚注孔的设计间排距用涂料标出孔位,再按设计孔深钻出注浆孔,并随后用扫眼器将孔清扫干净。

锚注孔施工时,要严格按照设计间排距和角度布置,间排距最大误差控制在±100mm以内,孔深误差控制在±100mm范围以内,帮、顶部锚杆角度不小于75°,底脚锚杆与底板成30°-45°角。

为满足注浆锚杆的承压要求,现场安装注浆管时,对其锚头外端马牙扣处缠绕棉丝（缠绕150-200mm）使其膨胀固定,锚注管露出井筒表面30-40mm。

每根锚注锚杆先用水泥封堵后再采用两卷矿用K2350型树脂药卷进行加固封堵,确保锚注锚杆的安装质量。

3.3 注浆
3.3.1 注浆要求
注浆前,先对各连接管路、阀门、设备等进行检查后用清水调定注浆压力到规定值。

浆液制作时,严格掌握注浆参数、浆液配比,水灰比和注浆终压,各项参数均应满足设计要求。

浆液需充分搅拌均匀,并在放浆口处设置过滤网,以防结块水泥等杂物吸入浆管内。

采用自下而上按排距间隔3.2米注浆一遍后再对中间留下的锚杆进行第二次注浆。

封孔注浆压力:顶部取 1.5～2.0MPa,底脚、底板及两帮取1.0～1.5MPa。

当注浆孔达到设计终压后,降低流量10分钟,即可停机关闭注浆阀,再开启泄压阀后才能换注浆孔。

注浆阀待浆液初凝约半小时后,方可拆卸。

注浆时,采用速凝剂快速封堵井筒裂隙,阻止浆液流出。

注浆的孔口阀门应待注浆后六小时拆除。

拆下的阀门要及时清洗干净,然后涂抹机油备用。

如果裂缝较大,在初次注浆3～7天后,重新在该孔附近打注浆孔
复注,以保证井筒围岩内浆液扩散均匀。

3.3.2 锚注锚杆布置
将注浆锚杆的间排距均定为1.6m,误差控制在±100mm之内,每排布置8根注浆锚杆:顶板2根、两帮各1根、两帮底脚各1根、底板两根,锚杆安设角度为:与顶、两帮、底板垂直,最小角不小于7°,与两帮底脚成30°-45°。

所有注浆锚杆均用K2335型树脂锚固剂进行固定。

3.3.3 材料消耗
3.3.3.1 锚杆用量
二矿副斜井表土段锚注施工共注浆760根,其中:底板192根,顶、帮及底脚共568根。

3.3.3.2注浆量统计
本次注浆使用水泥351吨,水玻璃10.5吨,速凝剂2.82吨,树脂锚固剂20箱（矿用K2335型,40支/箱）。

底眼注浆共消耗水泥9.5吨,单孔最大水泥用量为50kg,最小42.85kg,平均49.48kg；顶、帮注浆消耗水泥341.5吨,单孔最大水泥用量为2300kg,最小100kg,平均601.23kg,单孔最大注浆量为3.98吨,最小注浆量为0.17吨,单孔平均注浆量为1.04吨。

如表1所示。

3.3.4 注浆效果检验
拆碹时,通过宏观观察,井筒原有碹体已经完全被水泥浆充填密实,形成一个整体,粘结强度很大,碹体外围的表土层裂隙也被水泥浆充满,以前渗水较大的地方现在渗水明显减小,表明本次注浆取得了比较理想的效果。

4 卧底扩帮刷大井筒断面,拆旧碹砌新碹进行二次锚注加固
4.1 质量要求
对巷道变形较大的地方进行挖底清理、拆除旧碹重新砌碹,保证修复后的井筒净宽达到3.2m,净高达到3.7m。

4.2 施工方法
4.2.1 井筒卧底及扩帮
整个井筒进行卧底处理,卧底深度0.6m,对宽度达不到3.2m的区域进行扩帮。

卧底:从变形井筒与未变形井筒的交接处开始向井口方向敷设U 型金属支架5架,加强井筒支护。

架棚间距为2m,支架底部垫上300mm×300mm的料石,顶、帮间隙用木楔插严背实。

变形段内每卧底1m,打1根带帽并穿鞋点柱,同时安设护帮横撑。

每卧底清理1m,打200mm厚反碹,与顶、帮连接成整体。

扩帮:由于井筒从井口向下80m至150m段碹拱出现裂缝,两帮变形,严重鼓起（原宽度3.2m,现在最小宽度2.5m）,需要对变形严重区域重新砌碹。

方法为:从变形段下部开始,由下往上逐段拆除旧碹,重新砌碹,每次拆碹长度为2m,砌碹长度为1.5m。

拆除旧碹时,使用爆破破岩提高施工效率,先拆除一面直墙并重新砌好,加强临时支护,然后将另一面直墙和碹拱一起拆除,再砌墙,接新碹拱。

在拆旧碹过程中,由于围岩不稳定,特别是在水分较大的区域,经常发生局部冒顶,给施工带来很大的影响,通过减小拆碹长度,由2m减小到 1.8m,砌碹长度也由1.5m减小到1.2m,同时采用圆木和木板护顶,有效保证了整个工程的安全和进度。

4.2.2 二次锚注加固井筒
在原来井筒破坏最严重的区域采用二次注浆,加强井筒自身强度。

注浆材料和参数的选择同第一次注浆一样。

注浆加固段总长30m,由于该段井筒因为局部冒顶的缘故,与围岩存在一定的间隙,注浆时在中部与上部施工两排注浆眼,每排布置5个注浆眼进行注浆,单孔注浆量控制在20t左右,简化注浆工序,提高工作效率,取得预期的效果。

5 结语
自2010年12月工程完工至今,井筒的顶、底及两帮稳定,无构造性裂缝,顶、帮渗水明显减小。

因此,通过架棚临时支护和喷浆支护相
结合,成功地解决了旧井筒的修复问题,同时,由于注浆将围岩由松散结构转化为胶结结构,提高了碹体的密实度,有效地阻止了地下水的渗流,对提高井筒的服务年限起到重要作用。