锚注加固对岩体完整性与准岩体强度的影响.pdf

中国矿业大学学报990 30 6 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第3期 第2 8 卷 Vo l . 2 8 No . 3 1999 锚注加固对岩体完整性与准岩体强度的影响 刘长武 陆士良 摘要 基于葛泉煤矿锚注加固段和非锚注加固对比段巷道钻孔岩芯情况，分析了锚注 加固对岩体完整性与准岩体强度的影响. 根据巷道矿压显现与维护状况，证明了岩体完 整性与岩体强度的提高是影响和改善巷道维护状况的主要因素. 关键词 锚注加固，岩体完整性，准岩体强度 中图分类号 T D 353. 9 Ef f e c t o f Bo l t i n g -G r o u t i n g Re i n f o r c e m e n t o n In t e g r i t y a n d Q u a s i -St r e n g t h o f Ro c k M a s s Li u Ch a n g w u Lu Sh i l i a n g D e p a r t m e n t o f M i n i n g En g i n e e r i n g , CU M T , Xu z h o u , Ji a n g s u 2 2 10 0 8 A b s t r a c t Ba s e d o n t h e r o c k c o r e d r i l l i n g r e s u l t s i n a r o a d w a y m a i n t a i n e d b y b o l t i n g -g r o u t i n g a n d b o l t i n g m e t h o d s i n G e q u a n Co l l i e r y , t h e e f f e c t o f b o l t i n g -g r o u t i n g r e i n f o r c e m e n t o n i n t e g r i t y a n d q u a s i -s t r e n g t h r o c k m a s s i s a n a l y z e d . Fr o m t h e s t r e s s b e h a v i o u r o f t h e r o a d w a y a n d i t s m a i n t e n a n c e s i t u a t i o n , i t i s p r o v e d t h a t t h e i m p r o v e m e n t o f r o c k m a s s i n t e g r i t y a n d s t r e n g t h i s t h e m a i n f a c t o r a f f e c t i n g r o a d w a y m a i n t e n a n c e s i t u a t i o n . K e y w o r d s b o l t i n g -g r o u t i n g r e i n f o r c e m e n t , r o c k m a s s i n t e g r i t y , r o c k m a s s q u a s i -s t r e n g t h 锚注加固［1］是锚杆与岩体注浆加固的有机结合. 同传统的框架结构支架及普通的 锚杆或锚网支护相比，锚注加固由于浆液的渗透、压入等作用，使整个被加固的岩体 更能有效地同锚杆有机地结合为一整体，围岩的自身承载能力得以充分发挥［2 ］. 特别 是在围岩松散、软弱、松动范围很大的情况下，由于普通锚杆在破碎岩体内较难形成 坚实的着力基础，普通锚杆的各种作用机制无法充分发挥时，锚注加固的优点显得愈 加突出. 因此，可以将锚注加固应用于各类普通支护措施很难维护的动压巷道、软岩巷 道的矿压控制之中. 1 锚注加固的基本原理 用快硬密封药卷将特种中空注浆锚杆按设计的间、排距和锚固长度事先安装、锚 固在岩壁上，使锚杆沿巷道径向方向形成外边的锚固封孔段和内部的注浆段，然后用 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 30 6 . h t m （第 1／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 37 中国矿业大学学报990 30 6 注浆设备将浆液通过锚杆的注浆段压入、扩散到岩壁之中，实现锚固、封孔和注浆一 体化. 巷道维护问题所关注的围岩属于岩体范畴，锚注加固对巷道维护的影响重点体现 在注浆对岩石的影响、注浆对岩体的影响以及浆液与锚杆的相互作用等3个方面. 试验 证明［2 ］ 在目前国内煤矿井下所通常采用的注浆压力 ＜10 M Pa 下，由于注浆以渗 透灌浆为主，尚不能造成岩石劈裂灌浆的效果，因此，当岩石没有裂隙、层面等缺损 存在时，注浆对岩石强度等的影响较小. 而对于有缺损的岩石或含有结构弱面的岩体， 由于浆液易于在弱面内渗透流动，且浆液凝结后对结构面进行充填，排除原先储存在 结构空隙中的水份和空气，将被结构面切割的小块岩石“包裹”起来，从而改变了岩 体中各种物相的比例关系，使破碎岩体重新胶结成整体，如图1所示. 图1 浆液充填结果 Fi g . 1 G r o u t i n g f i l l i n g r e s u l t s f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 30 6 . h t m （第 2 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 37 中国矿业大学学报990 30 6 锚注加固一方面提高了岩体的粘结力和内摩擦角，提高了岩体的强度和完整性， 另一方面也改善了工程岩体的水理环境和锚杆的锚固条件，使巷道的维护条件大大改 观. 因此，注浆对岩体的影响，特别是对岩体完整性与岩体强度的影响，就成为影响巷 道维护状况的最基本要素之一. 2 对岩体完整性的影响 为了把锚注加固技术应用于软岩巷道矿压控制，邢台矿业集团葛泉煤矿同中国矿 业大学合作，在葛泉煤矿南翼-18 0 回风大巷的松软围岩中进行了锚注加固工业性试验. 南翼大巷试验段岩层属二叠系下统山西组，岩性全为碎屑岩，以深灰色粉砂岩和灰白 色砂岩为主，夹有泥岩、灰岩等. 钻孔资料显示［2 ］ 岩芯的风化特征非常明显，强度 低，有明显的遇水软化性. 试验段中锚注加固作为二次支护，滞后一次支护15m 左右， 按1. 2 m 1. 2 m 的间、排距安装1. 8 m 长的注浆锚杆，通过Q ZB-50 / 6 0 型气动注浆泵向岩壁 内压注水灰比 质量比 为1∶1的单液水泥浆液，并在灰浆中掺3％的水玻璃作为附加剂. 锚注加固段巷道长50 m ，注入42 5普通硅酸盐水泥14. 5t ，水玻璃0 . 8 t ，平均每孔注 入浆液6 4. 6 k g ，折合体积0 . 4395m 3. 以浆液结石率98 ％计算，平均每孔周围有0 . 43m3的裂 缝孔隙被加固充填. 为了检查锚注质量，检验注浆浆液对岩体的充填效果及其对围岩完整性与巷道维 护等方面的影响，在锚注段巷道附近 同样矿山地质条件 又施工了50 m 非锚注普通锚 喷支护巷道进行对比试验，并在锚注段和非锚注段内分别选点钻取岩芯，通过对表征 岩体完整性的岩体质量指标RQ D 值、Q 值 本文分别用RQ和RQ′表示 测试对比，分析 了锚注加固对岩体完整性与岩体强度的影响. 工业试验施工3个月，施工影响基本稳定后，在锚注段和非锚注对比段内的巷道两 帮距底板1. 2 m 处钻进了两组相互对比的钻孔，进行了岩芯的钻取分析工作. 钻孔全长6 m ，根据岩芯分段钻取情况分析，岩体破碎带范围3. 5～4. 0 m 左右，锚注 加固带2 . 0 ～3. 0 m ，主要数据如表1所示. 表1 岩芯钻取结果 T a b l e 1 Ro c k c o r e d r i l l i n g r e s u l t s 钻 孔 位 置 总 长/ m m锚注 喷 圈内长/ m m 钻孔 岩芯 l 0钻孔 岩芯 l 0 锚注段5 8 50 3 98 0 1 7 6 0 2 350 2 130 1 2 10 非锚注段 5 8 0 0 4 150 2 2 10 2 30 0 2 2 50 6 6 0 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 30 6 . h t m （第 3／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 37 中国矿业大学学报990 30 6 注l 0为大于10 0 m m 的岩芯长度之和. 取芯后从钻孔孔口处观察，锚注段钻孔从外到里孔壁完整，无明显裂隙，取芯15 d 后，孔壁无变化；而非锚注段钻孔则孔壁凸凹不平，裂隙发育，取芯几天后，开始 出现塌孔现象. 根据表1的岩芯钻取情况及取芯率和岩体质量指标RQ D 值的计算方法［3］，可以计 算出锚注段和非锚注段内钻孔全长及锚注加固圈内所对应RQ值，如表2 所示. 表2 钻孔取芯率及岩体的RQ值 T a b l e 2 Ro c k c o r e d r i l l i n g r a t e a n d RQ D v a l u e 钻 孔 位 置 全 钻 孔注浆圈 2 . 5m 内 取芯率 RQ 取芯率 RQ 锚 注 段6 8 . 030 . 190 . 651. 5 非锚注段7 1. 638 . 197 . 82 8 . 7 分析表1和2 中的数据可以看出就整个巷旁岩体而言，未锚注加固时，非锚注段 的岩体完整性要好于锚注段的岩体完整性，但在注浆加固圈范围内，锚注段又明显好 于非锚注段，说明注浆对提高岩体的完整性有很大影响. 按锚注段注浆圈内的岩体未注 浆时的RQ值和另一钻孔相同计算，注浆加固使岩体的完整性大大提高，提高幅度为 7 9. 4％. 由于未注浆时，锚注段钻孔处的岩体完整性比对比钻孔处差，所以，岩体完整性 的实际提高幅度应该比计算值更大些. 3 对准岩体强度的影响 根据实测的锚注加固和对比段岩体的RQ值的变化情况，可以分析锚注加固对岩体 强度的影响. 根据弹性波在岩石和岩体中传播纵波波速的变化情况，可以利用岩石的强度间接 确定岩体的强度［4］ R′ v / u 2R K R , 1 式中 R，R′分别为岩石和岩体强度；v ，u 分别为弹性波在岩体和岩石中传播的纵波 速度；K 为龟裂系数，K v / u 2≤1. 由于岩体中结构弱面的存在，纵波在岩体中的传播速度一般要小于其在岩石中的 传播速度. 结构面越多，声速下降得越快，式 1 中的K 就越小，岩体的强度就越低. 由 此，锚注加固前后岩体的强度可分别表示为 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 30 6 . h t m （第 4／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 37 中国矿业大学学报990 30 6 R1′ v 1/ u1 2R 1 ， 2 R2′ v 2/ u2 2R 2 , 3 式中 R1′，R2′分别为锚注前、后的岩体强度；v 1，v2分别为锚注前、后弹性波在岩 体中传播的纵波速度；u 1，u2分别为锚注前、后弹性波在岩石中传播的纵波速度； R1，R2分别为锚注加固前、后的岩石强度. 则锚注加固前后的岩体强度之比 4 根据注浆浆液对无缺损小块岩样影响较小的测试分析结果［2 ］，可以认为u 1 u2, R1 R2，则式 4 可简化为 5 由于表征岩体完整性的岩体质量指标也能反映岩体中裂隙的发育情况，因此RQ与 纵波在岩体中传播的速度间必然存在着某种内在联系. 研究表明 岩体中纵波传播速度v 同RQ′之间存在着如下关系［5］ RQ′ 10 v -3 50 0 / 1 0 0 0 , 6 v 1 0 0 0 l g RQ′ 3 50 0 . f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 30 6 . h t m （第 5／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 37 中国矿业大学学报990 30 6 7 RQ′与RQ之间的关系为［5］ 8 式中 Jn为节理系数；Jr为节理粗糙度；Ja为节理蚀变指标；Jw为节理水减少系数；K s 为 应力降低系数. 将式 7 代入式 5 ，有 9 根据锚注段和非锚注段内岩芯钻取所获得的岩体的RQ值及其它相关参数，计算出锚注 段和非锚注段岩体的RQ′值分别为5. 18 和0 . 14，如表3所示. 表3 岩芯质量特征 T a b l e 3 Q u a l i t y c h a r a c t e r i s t i c o f r o c k c o r e 钻孔位置 RQ/ JnJrJaJwK sRQ′ 锚 注 段51. 8 2 0 1. 5 0 . 7 5115. 18 非锚注段2 8 . 7 2 0 1. 5 1. 0 0 . 6 6 10 0 . 14 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 30 6 . h t m （第 6 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 37 中国矿业大学学报990 30 6 表3中各节理参数根据节理的相关特征取值锚注段参数Jn，Jr, Ja和Jw分别按多组节 理、节理表面为波浪形、节理闭合和节理干燥的特征取值；非锚注段参数Jn, Jr, Ja和Jw分 别按多组节理、节理表面为波浪形、节理无充填物和节理潮湿的特征取值. 将RQ′值代入式 9 ，得锚注段和非锚注段岩体强度间的关系为 即锚注加固后岩体的强度提高了59. 由于锚注加固对围岩裂隙的充填效果良好，岩体完整性、岩体强度与自稳能力得 到很大的提高，因此，锚注加固工业性试验段巷道围岩得到很好地控制. 施工一年后， 锚注试验段巷道的维护状况依然良好，而同时施工的非锚注对比试验段巷道，由于巷 道支架遭受严重破坏，已进行了多次翻修. 4 结 论 1 锚注加固对岩体的影响，特别是对岩体完整性与岩体强度的影响，是影响巷道 维护状况的主要因素之一. 由于浆液易于在结构弱面内渗透流动，且凝结后对结构面进 行充填，排除了原先储存在结构空隙中的水、气，改变了岩体中各种物相的比例关 系，使破碎岩体胶结成整体，一方面提高了岩体的粘结力和内摩擦角，提高了岩体的 强度和稳定性，另一方面也改善了工程岩体的水理环境和锚杆的锚固条件，使井巷工 程的维护条件大大改观. 2 在葛泉煤矿工业性试验的巷道条件下，锚注加固使岩体的完整性大大提高. 锚注 加固圈范围内岩体的Q 值由非锚注段的0 . 14提高到5. 18 ，岩体的RQ D 值由非锚注段的 2 8 . 7 提高到51. 8 ，即岩体的完整性质量指标提高了7 9. 4％. 3 锚注加固使岩体抵抗外界破坏的能力显著提高，锚注加固使准岩体强度提高了 59％. 4 由于锚注加固对巷旁岩体的充填效果良好，岩体完整性、岩体强度与自稳能力 得到很大的提高，因此，锚注加固段巷道的矿压显现得到较好控制，从根本上解决了 普通支护方式应用于软岩巷道时支架时常遭受严重破坏，不得不经常翻修的问题. 作者简介 刘长武，男，196 3年生，工学硕士，副教授 作者单位中国矿业大学采矿工程系 江苏徐州 2 2 10 0 8 参考文献 1 陆士良，汤 雷. 巷道锚注支护机理研究. 中国矿业大学学报，1996 , 2 5 2 1～6 2 刘长武．碎胀软岩巷道全断面锚注加固机理与应用研究. ［博士学位论文］. 徐州 中国矿业大学采矿工程系，1998 3 李先炜．岩体力学性质．北京煤炭工业出版社，1990 ．452 ～46 0 4 钱鸣高，刘听成．矿山压力及其控制．北京煤炭工业出版社，198 4．43 5 Ba r t o n N. No r w e g i a n m e t h o d o f t u n n e l l i n g . W o r l d T u n n e l l i n g ，1992 , 6 2 31～2 38 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 30 6 . h t m （第 7 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 37 中国矿业大学学报990 30 6 收稿日期 1998 -0 9-10 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 30 6 . h t m （第 8 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 37