破碎围岩巷道中注浆锚索联合支护技术的协同作用机制与参数优化

摘要：本文主要研究了破碎围岩巷道中注浆锚索联合支护技术的协同作用机制与参数优化，分析了破碎围岩巷道的变形破坏特征，并探讨了注浆和锚索联合支护的机理。通过数值模拟优化了锚索长度、间排、预应力 等参数，以及注浆孔布置、深度、材料和压力等参数的组合。合理优化支护参数能够显著改善围岩的稳定性，减少变形，提升支护效果。

关键词：破碎围岩；注浆；锚索；联合支护；参数优化；数值模拟

一、引言

在煤炭开采进程中，深部开采致使巷道围岩应力环境恶化，破碎围岩巷道频繁出现。此类巷道围岩稳定性差，变形破坏严重威胁矿井生产安全。传统支护手段难以满足需求，注浆锚索联合支护技术应运而生。深入剖析其协同作用机制与优化参数，对保障巷道稳定、提升煤炭开采效益意义深远。

二、破碎围岩巷道变形破坏特征与原因分析

（一）地质因素引发的围岩劣化

巷道围岩岩性常为泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等软弱岩石，如昌兴煤矿1460运输石门，其岩体强度低、易风化破碎、水稳性差。在高地应力作用下，围岩易产生裂隙，完整性受损，为巷道变形失稳埋下隐患。

（二）开采活动导致的应力扰动

孤岛工作面、临空巷道及高密度巷道群受采动影响显著。以王坡煤矿3211孤岛面回采巷道为例，其两侧采空区致使应力集中，叠加煤层埋深大、自身强度低等因素，巷道围岩承受巨大压力，变形加剧，支护难度剧增。

（三）支护体系缺陷造成的承载不足

原支护方案常存在方式单一、强度不足等问题。部分巷道采用简单的锚杆+锚索+金属网联合支护，锚杆锚固长度不足、锚索布置不合理，无法有效应对围岩变形，支护结构与围岩难以形成协同承载体系，致使巷道变形失控。

三、注浆锚索联合支护技术的协同作用机制

（一）注浆对围岩的加固机理

1.裂隙充填与岩体胶结

注浆材料（如硅酸盐水泥、添加纳米灌注剂或 ACZ - I 型添加剂等）注入围岩裂隙，填充孔隙与裂缝，将破碎岩体重新胶结为整体，增强围岩完整性，提升其抗压、抗剪强度，有效抵抗围岩变形。

2.改善围岩物理力学性能

封堵裂隙后，围岩抗渗、防水能力增强，减少水对岩体的软化侵蚀，维持岩体强度；同时，为锚索锚固提供稳固基础，确保锚索预应力有效传递与扩散，充分发挥支护作用。

（二）锚索的支护作用及与注浆的协同效应

1.深部锚固与承载结构形成

锚索凭借长锚固段深入稳定岩层，施加预应力后形成深部承载结构，悬吊松动围岩，限制其变形与位移。如长、短锚索分层联合支护，短锚索控制浅部破碎带，长锚索强化深部承载，二者协同增大承载拱范围与围压，提升支护效果。

2.与注浆协同加固围岩

注浆改善围岩锚固条件，增强锚索锚固力；锚索预应力促使围岩裂隙闭合，优化注浆扩散路径，提高注浆加固效果，二者相辅相成，共同提升围岩稳定性。

四、支护参数对协同效果的影响分析

（一）锚索参数优化

1.长度与间排距

锚索长度需依据围岩松动圈范围与巷道应力分布确定。在围岩破碎深度大、应力集中区域，如顶板或巷帮破碎严重部位，应采用长锚索，确保锚固端位于稳定岩体；合理减小锚索间排距，可增强支护密度与整体性，如王坡煤矿 3211 回风巷绕道，依围岩状况设计长短锚索间距与排距，有效控制围岩变形。

2.预应力

足够预应力使锚索及时主动支护围岩，提供初始支护阻力，抑制围岩早期变形。不同围岩条件下，预应力应合理调整，确保锚索在围岩变形过程中持续有效发挥作用，维持承载结构稳定。

（二）注浆参数优化

1.注浆孔布置与深度

根据围岩破碎程度与范围规划注浆孔位与深度。破碎严重区域加密注浆孔、增加深度，确保浆液充分填充裂隙。像昌兴煤矿 1460 运输石门依巷道断面与围岩状况确定孔位间距与深度，实现有效加固。

2.注浆材料与压力

选择合适注浆材料（考虑强度、流动性、凝固时间等），如 P.042.5 级硅酸盐水泥配合添加剂。合理控制注浆压力，依据围岩渗透性与裂隙发育程度调整，在保证浆液扩散的同时避免漏浆或对围岩造成破坏，确保注浆加固质量。

五、数值模拟在参数优化中的应用

（一）模型建立与参数设定

在进行数值模拟研究时，首先要构建一个能够准确反映实际工程情况的模型。以 FLAC3D 软件为例，构建包含巷道、围岩及支护结构的三维模型。在模型构建过程中，依据现场详细的地质勘查报告与精确的岩石力学测试数据，确定煤岩层的各项物理力学参数，如弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、抗拉强度等。这些参数的准确性直接影响模拟结果的可靠性。同时，要准确模拟巷道的开挖与支护过程，设定合理的边界条件与初始应力状态。边界条件通常根据巷道的实际埋深与周边岩体的约束情况进行设定，如在模型的底部边界限制竖向位移，侧面边界限制水平位移等；初始应力状态则根据地应力测量结果进行赋值，确保模型能够真实地再现巷道在实际工程中的力学环境，为后续的研究提供坚实的基础框架。

（二）模拟方案设计与结果分析

基于建立的数值模型，设计多组支护参数模拟方案。这些方案涵盖了不同的锚索长度、间排距、预应力以及注浆孔布置、深度、材料和压力等参数组合。通过逐一运行这些模拟方案，深入分析不同参数组合下围岩的塑性区分布、应力应变变化及支护结构的受力特征。例如，在分析锚索长度对支护效果的影响时，设置多组不同长度的锚索模拟方案，观察围岩塑性区在不同方案下的发展情况。模拟结果显示，随着锚索长度的增加，在一定范围内围岩塑性区逐渐减小，尤其是在深部围岩区域，长锚索能够有效控制塑性变形的发展。同样，对于注浆参数，通过改变注浆孔间距与深度，发现加密注浆孔与增加深度能够使浆液更充分地填充裂隙，从而显著减小围岩塑性区。在对比各方案的模拟结果时，筛选出那些能够使围岩变形最小、塑性区范围最窄、应力分布最为均匀且支护结构受力合理的优化参数组合。这些优化参数组合为现场支护设计提供了科学的参考依据，指导工程技术人员在实际施工中选择最合适的支护参数，实现破碎围岩巷道的有效支护，保障巷道的长期稳定与安全。

六、结束语

通过对破碎围岩巷道中注浆锚索联合支护技术的协同作用机制和参数优化的研究，可以得出结论：合理的支护参数组合显著提高了巷道围岩的稳定性和支护效果。数值模拟结果验证了锚索长度、间排距、预应力及注浆孔布置等因素对支护效果的深远影响。未来，进一步优化支护设计，结合实际工程需求，将为矿井安全生产提供更为有效的技术支持。

参考文献

[1]宋帅帅，李明.高应力破碎围岩支护—注浆协同控制技术研究与应用[J].能源与环保，2024，46（3）：251-257

[2]邓广哲，刘华.深部软岩大变形巷道锚注一体化支护技术及应用[J].西安科技大学学报，2021，41（2）：262-273

[3]王仕辉，田世祥，罗新波，李璨，林华颖，焦安军.破碎围岩巷道变形失稳特征及控制技术[J].煤炭技术，2024，43（1）：19-23