新型自膨胀式注浆锚管在矿山破碎围岩支护中的扩散半径与固结强度研究

引言：矿山开采过程中，经常会遇到破碎围岩条件。破碎围岩的稳定性差，容易发生冒顶、片帮等事故，严重影响矿山安全生产。传统的支护方式在应对破碎围岩时存在一定局限性，难以满足工程需求。新型自膨胀式注浆锚管作为一种创新的支护技术，结合了锚杆的锚固作用和注浆的加固作用，能够更好地适应破碎围岩的变形特性，提高围岩的整体稳定性。其中，注浆扩散半径和固结强度是衡量该技术支护效果的关键指标，深入研究这两个参数对于优化支护设计和保障矿山安全具有重要意义。

一、新型自膨胀式注浆锚管工作原理

新型自膨胀式注浆锚管主要由锚管体、自膨胀装置和注浆系统组成。在安装过程中，先将锚管体打入破碎围岩钻孔中，然后启动自膨胀装置，使锚管体在钻孔内膨胀，与围岩紧密贴合，提供初始的锚固力。随后，通过注浆系统向锚管周围注入浆液，浆液在压力作用下向围岩裂隙中扩散，填充裂隙，将松散的围岩颗粒胶结成一个整体，进一步提高围岩的强度和稳定性。

二、注浆扩散半径研究

2.1 影响注浆扩散半径的因素

浆液性质：浆液的黏度、密度、凝结时间等性质对扩散半径有显著影响。黏度越低，浆液在围岩中的流动性越好，扩散半径越大；但黏度过低可能导致浆液流失，影响加固效果。凝结时间过长，浆液易被地下水稀释或冲走；凝结时间过短，则浆液可能在未充分扩散前就已凝固，限制了扩散半径。

注浆压力：注浆压力是推动浆液在围岩中扩散的动力。在一定范围内，注浆压力越大，浆液扩散半径越大。但过高的注浆压力可能会破坏围岩结构，导致浆液沿裂隙大量流失，甚至引发突水等事故。

围岩渗透性：围岩的渗透性决定了浆液的扩散难易程度。渗透性好的围岩，浆液容易扩散，扩散半径较大；而渗透性差的围岩，浆液扩散阻力大，扩散半径较小。破碎围岩的渗透性通常较为复杂，受裂隙发育程度、裂隙宽度和连通性等因素影响。

注浆时间：注浆时间过长，浆液可能会在局部区域过度堆积，而其他区域则得不到充分填充；注浆时间过短，浆液可能无法扩散到足够远的距离，影响加固范围。

2.2 注浆扩散半径理论计算模型

基于达西定律和浆液在裂隙中的流动特性，建立注浆扩散半径理论计算模型。假设围岩为各向同性的多孔介质，浆液在围岩中的扩散为稳定层流，可得扩散半径计算公式：

其中，R 为注浆扩散半径，k 为围岩渗透系数，p 为注浆压力，t 为注浆时间，μ 为浆液黏度，r1​为钻孔半径，r0​为锚管半径。

2.3 实验室试验研究

为了验证理论计算模型的准确性，进行实验室注浆试验。采用不同性质的浆液、不同的注浆压力和注浆时间，对模拟破碎围岩试件进行注浆，测量浆液的扩散半径。试验结果表明，理论计算值与试验实测值在一定范围内吻合较好，但实际扩散半径还受到围岩非均质性、裂隙随机分布等因素的影响，存在一定的误差。

2.4 现场监测与分析

在矿山实际工程中，对新型自膨胀式注浆锚管进行现场注浆试验，并采用钻孔取芯、声波测试等方法监测浆液的扩散范围。现场监测数据显示，通过合理选择浆液配方、控制注浆压力和注浆时间，新型自膨胀式注浆锚管的注浆扩散半径可达 1.5-2.5m ，能够有效扩大加固范围，提高破碎围岩的整体稳定性。

三、固结强度研究

3.1 影响固结强度的因素

浆液与围岩的胶结性能：浆液与围岩颗粒之间的胶结力是决定固结强度的关键因素。良好的胶结性能能够使浆液与围岩紧密结合，形成一个整体，提高围岩的抗剪强度和承载能力。

围岩性质：围岩的矿物成分、颗粒大小和形状等性质会影响浆液与围岩的胶结效果。例如，含有较多黏土矿物的围岩，其吸水性和膨胀性较强，可能会降低浆液与围岩的胶结强度。

注浆工艺参数：注浆压力、注浆量和注浆速度等工艺参数对固结强度也有一定影响。适当的注浆压力能够使浆液充分填充围岩裂隙，提高胶结密实度；合理的注浆量和注浆速度能够保证浆液与围岩充分接触，形成均匀的固结体。

3.2 固结强度测试方法

采用室内单轴抗压强度试验和现场原位测试相结合的方法，对注浆后围岩的固结强度进行测试。室内试验通过制作注浆试件，在压力试验机上进行单轴抗压强度试验，测定试件的抗压强度。现场原位测试采用点荷载试验、声波测试等方法，直接测定围岩的力学参数，评估固结强度。

3.3 试验结果分析

室内试验和现场测试结果表明，新型自膨胀式注浆锚管注浆后，围岩的固结强度显著提高。与未注浆的破碎围岩相比，注浆后围岩的单轴抗压强度可提高 2 - 3 倍，抗剪强度也有明显提升。这主要是因为浆液填充了围岩裂隙，改善了围岩的力学性能，使围岩由松散状态转变为具有一定强度的整体结构。

四、工程应用案例

4.1 工程概况

某金属矿山巷道掘进过程中遇到破碎围岩，围岩稳定性极差，采用传统的锚杆支护和喷浆支护效果不佳，巷道变形严重，多次发生冒顶事故。为解决这一问题，决定采用新型自膨胀式注浆锚管进行支护。

4.2 支护设计与施工

根据巷道围岩条件和工程要求，设计新型自膨胀式注浆锚管的参数，包括锚管长度、直径、间距等。施工过程中，先进行巷道开挖，然后按照设计要求钻孔、安装锚管、启动自膨胀装置，最后进行注浆作业。注浆材料选用低黏度、高强度、早强型的化学浆液，注浆压力控制在 1 - 2MPa，注浆时间根据现场情况调整。

4.3 支护效果监测

在支护施工完成后，对巷道进行长期监测，包括巷道表面位移监测、锚管受力监测和围岩内部位移监测等。监测结果表明，采用新型自膨胀式注浆锚管支护后，巷道变形得到有效控制，表面位移增长缓慢，锚管受力均匀，围岩内部位移较小。注浆后围岩的固结强度明显提高，能够满足巷道安全使用的要求。

结论

新型自膨胀式注浆锚管结合自膨胀装置与注浆技术，有效提升破碎围岩的固结强度和注浆扩散半径，为矿山支护提供可靠技术。注浆扩散半径受多种因素影响，通过综合方法可优化工艺参数。固结强度评估为支护设计提供科学依据。工程案例显示其在控制巷道变形、提高围岩稳定性方面效果显著。未来研究将优化锚管结构和材料，积累数据完善计算模型，并利用现代信息技术提升监测与管理，以增强矿山支护效果和安全生产水平。

参考文献

[1] 朱晨迪 , 徐帅 , 龚永超 , 等 . 水对新型自膨胀锚杆腐蚀影响试验 [J]. 有色金属 ( 矿山部分 ),2022,74(04):70-78.

[2] 陈远明 . 新型自膨胀管缝锚杆的制备及其锚固特性研究 [D]. 东北大学 ,2020.