深部構(gòu)造應(yīng)力作用下破碎圍巖注漿加固技術(shù)研究*

申瑞屏

（山西晉煤集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)有限公司，山西省晉城市，048000）

深部構(gòu)造應(yīng)力作用下破碎圍巖注漿加固技術(shù)研究*

申瑞屏

（山西晉煤集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)有限公司，山西省晉城市，048000）

分析了胡底礦輔助運(yùn)輸大巷的失穩(wěn)破壞機(jī)理，認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力作用、泥巖風(fēng)化、采動(dòng)影響及圍巖流變是造成巷道圍巖破壞的原因。提出了采用高強(qiáng)高預(yù)緊力注漿錨索和注漿加固聯(lián)合支護(hù)技術(shù)加固圍巖。現(xiàn)場應(yīng)用表明采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，不但有效控制了輔助運(yùn)輸大巷的失穩(wěn)破壞，還限制了圍巖的長期流變，從而保持了巷道的長期穩(wěn)定。

深部巷道 構(gòu)造應(yīng)力 深部圍巖 注漿加固 高預(yù)緊力錨索 破碎圍巖

1　工程概況

胡底煤礦輔助運(yùn)輸大巷地層屬于石炭二疊紀(jì)，輔助運(yùn)輸大巷布置在距3#煤層約20～40 m的頂板巖層中，巷道圍巖以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和石英砂巖為主，層位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，層理發(fā)育，膠結(jié)性差，易風(fēng)化。輔助運(yùn)輸大巷埋深450～730 m，平均613 m，采用水力致裂法對(duì)該區(qū)域的地應(yīng)力進(jìn)行了測試，水平主應(yīng)力最大值為18.34 MPa，最小值為15.04MPa，垂直應(yīng)力為14.42 MPa，在量值上應(yīng)力場屬于中等偏高應(yīng)力值區(qū)域，以最大水平主應(yīng)力（σH）大于最小水平主應(yīng)力（σh）大于垂直主應(yīng)力（σV）型應(yīng)力場為主，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力占優(yōu)勢。輔助運(yùn)輸大巷埋深650 m以下時(shí)，在強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力作用下，巷道變形嚴(yán)重，巷道兩幫最大移近量達(dá)到1500 mm，頂?shù)装逡平冃瘟孔畲筮_(dá)到2500 mm，主要表現(xiàn)為巷道幫、頂板噴層大面積開裂，部分開裂嚴(yán)重處噴層脫落，局部區(qū)域拱肩，板頂出現(xiàn)錨桿、錨索破斷，底鼓達(dá)到2200 mm。目前針對(duì)已經(jīng)變形破壞巷道主要采用錨索、掛網(wǎng)噴進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，但控制巷道變形效果不佳。因此，必須對(duì)胡底礦輔助運(yùn)輸大巷失穩(wěn)破壞區(qū)域進(jìn)行研究，從而提出更加科學(xué)合理的支護(hù)加固方案，爭取一次性解決此類巷道的支護(hù)難題。

2　高強(qiáng)高預(yù)緊力和注漿加固聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

2.1巷道圍巖破壞原因分析

（1）胡底煤礦輔助運(yùn)輸大巷布置在3#煤層上部20～40 m的頂板泥巖中，泥巖易風(fēng)化，風(fēng)化的泥巖在構(gòu)造應(yīng)力影響下，泥巖內(nèi)部裂隙張開、擴(kuò)展及貫通，從而形成巷道圍巖的碎脹變形。

（2）多條大巷相互影響。有5條大巷平行掘進(jìn)，凈煤柱20 m。掘進(jìn)過程中，大巷之間相互采動(dòng)影響，由于煤柱尺寸較小，導(dǎo)致巷道之間的集中應(yīng)力較大，也使巷道圍巖塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，導(dǎo)致圍巖物理力學(xué)性能降低。

（3）巷道圍巖持續(xù)變形時(shí)間長。由于圍巖的流變性，巷道挖掘半年時(shí)間圍巖還不能保持穩(wěn)定。圍巖的流變主要決定于所處的復(fù)雜地應(yīng)力環(huán)境和泥巖自身的流變特性。由于輔助運(yùn)輸大巷圍巖破裂范圍大，錨桿和錨索錨固范圍內(nèi)圍巖的完整性差，強(qiáng)度低，再加上構(gòu)造應(yīng)力和集中應(yīng)力的影響，使巷道圍巖表現(xiàn)出很強(qiáng)的流變特性，巷道穩(wěn)定性長期無法保持穩(wěn)定。

2.2巷道圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)

（1）注漿加固技術(shù)主要是通過向巷道破碎圍巖中注入水泥漿液（或化學(xué)漿液），漿液有效充填圍巖中的裂隙，將裂隙巖體粘接成整體，有效提高裂隙巖體的內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力和整體強(qiáng)度，使破碎圍巖的變形不再由裂隙巖體控制，而變?yōu)橛蓮?qiáng)度更高的完整性巖體控制，注漿加固所形成的巷道完整圍巖強(qiáng)度高，其自承載能力比較大，從而可以保持巷道圍巖的穩(wěn)定，避免巷道圍巖出現(xiàn)流變特性。

（2）破碎圍巖中注漿加固技術(shù)通常與預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)聯(lián)合采用，由于在軟巖巷道中，錨桿和錨索等支護(hù)材料的錨固力無法滿足高預(yù)緊力的要求，這時(shí)就可以通過注漿加固將破碎軟弱圍巖粘結(jié)為一個(gè)整體，為錨網(wǎng)索支護(hù)提供一個(gè)可以錨固的基礎(chǔ)，從而保證高預(yù)緊力可以有效地?cái)U(kuò)散到圍巖深部。注漿后，高預(yù)應(yīng)力錨桿和錨索形成了全長預(yù)應(yīng)力錨固，可有效控制圍巖的裂隙張開、滑動(dòng)，從而有效控制了圍巖的擴(kuò)容變形，保持了巷道的長期穩(wěn)定。

3　工程應(yīng)用

3.1輔助運(yùn)輸大巷圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)

通過對(duì)輔助運(yùn)輸大巷變形破壞機(jī)理分析，結(jié)合目前巷道圍巖控制技術(shù)，認(rèn)為輔助運(yùn)輸大巷支護(hù)應(yīng)采用注漿加固和高強(qiáng)、高預(yù)緊力注漿錨索聯(lián)合控制技術(shù)。

3.1.1底板預(yù)應(yīng)力注漿錨索

底板采用規(guī)格為?22 mm×7300 mm的注漿錨索，錨索間排距2050 mm×2000 mm，端部采用水泥灌漿錨固。灌漿錨固長度2000～3000 mm，預(yù)留第二次注漿張拉預(yù)緊段，灌漿完成7 d后水泥注漿。每排錨索之間加裝?20 mm鋼筋梯梁，錨索預(yù)緊力不小于200 k N。

3.1.2淺孔和深孔注漿加固

輔助運(yùn)輸大巷幫部和頂部采用淺孔和深孔交替布置方式進(jìn)行圍巖注漿，淺孔和深孔采用三花眼布置。淺部注漿孔間排距2000 mm×3000 mm，鉆孔深度3000 mm，鉆孔孔口安設(shè)注漿管，孔內(nèi)安設(shè)射漿管，射漿管長度為2000 mm，注漿終止壓力為2～3 MPa，當(dāng)達(dá)到終止壓力時(shí)，鉆孔吃漿量較小，則停止注漿，若相反，則繼續(xù)注漿，注漿壓力不宜過高，避免壓裂巷道圍巖噴層。

輔助運(yùn)輸大巷深孔注漿間排距與淺孔相同，鉆孔深度5000 mm，全部鉆孔采用埋孔口注漿管，孔內(nèi)下射漿管，射漿管長度4000 mm，全長一次注漿施工，注漿終止壓力4～6 MPa，根據(jù)現(xiàn)場情況可以進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.1.3幫頂預(yù)應(yīng)力注漿錨索支護(hù)

淺孔和深孔注漿加固完成后，在巷道幫頂打設(shè)預(yù)應(yīng)力注漿錨索進(jìn)行加固。頂部和幫部采用規(guī)格為?22 mm×7300 mm注漿錨索，間排距2000 mm× 2000 mm，采用3支錨固劑，其中1支規(guī)格為MSK2335型，另兩支規(guī)格為MSZ2360型，采用樹脂端部錨固，樹脂錨固長度為1970 mm，其余部分用水泥漿錨固，錨索預(yù)緊力不小于250 k N。

3.2支護(hù)效果分析

為了驗(yàn)證支護(hù)設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性，對(duì)輔助運(yùn)輸大巷試驗(yàn)區(qū)域的巷道圍巖變形情況進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明，巷道加固初期圍巖變形速率較快，但隨著時(shí)間的延長，圍巖變形速率明顯降低，20 d后圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，巷道穩(wěn)定后頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平績H為31 mm和21 mm左右，與未采用該加固方案相比，巷道圍巖變形量明顯降低。這說明采用注漿加固和高強(qiáng)、高預(yù)緊力注漿錨索支護(hù)方式后，有效限制了圍巖的長期流變，很好地保持了巷道的長期穩(wěn)定。

4　結(jié)論

（1）胡底煤礦輔助運(yùn)輸大巷深部圍巖失穩(wěn)破壞的主要原因是由于泥巖內(nèi)部裂隙擴(kuò)展、風(fēng)化、相互貫通等形成的不連續(xù)變形、多條大巷掘進(jìn)造成的相互采動(dòng)影響及圍巖惡劣的應(yīng)力環(huán)境和圍巖自身的流變性能造成的。

（2）結(jié)合輔助運(yùn)輸大巷圍巖破碎失穩(wěn)機(jī)理，提出了高強(qiáng)高預(yù)緊力和注漿加固聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。現(xiàn)場實(shí)踐表明輔助運(yùn)輸大巷采用注漿加固技術(shù)和高強(qiáng)、高預(yù)緊力注漿錨索支護(hù)方式后，不但抑制了圍巖的碎脹變形，還控制了圍巖的長期流變，使巷道長期保持穩(wěn)定，對(duì)同類型巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］ 柏建彪，王襄禹，賈明魁等.深部軟巖巷道支護(hù)原理及應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008（5）

［2］ 柏建彪，侯朝炯.深部巷道圍巖控制原理與應(yīng)用研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（2）

［3］ 劉文濤，何滿潮，齊干等.深部全煤巷道錨網(wǎng)藕合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究 ［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006（3）

［4］ 郭衛(wèi)衛(wèi)，柴肇云，康天合等.軟巖動(dòng)壓巷道支護(hù)加固技術(shù)及其應(yīng)用［J］.中國煤炭，2011（10）

［5］ 龐志軍，張澤飛，張建國.王坡煤礦破碎煤巖體巷道支護(hù)與加固技術(shù)研究［J］.中國煤炭，2014（11）

［6］ 侯朝炯，勾攀峰.巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化機(jī)理研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000（3）

［7］ 康紅普，姜鐵明，高富強(qiáng).預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的作用［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007（7）

［8］ 康紅普.煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)研究與實(shí)踐 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005（21）

［9］ 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007

［10］ 康紅普，王金華，林健.高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)及其在深部巷道中的應(yīng)用［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007（12）

Research on grouting reinforcement technology in broken surrounding rock under deep tectonic stress

Shen Ruiping
（Hudi Coal Industrial Co.，Ltd.，Jincheng Anthracite Mining Group，Jincheng，Shanxi 048000，China）

The buckling failure mechanism of subsidiary main haulage roadway in Hudi Mine was analyzed，it showed that tectonic stress，mudstone weathering，mining influence and surrounding rock flowing deformation were the causes of surrounding rock failure.The combined supporting technology adopting grouting cable anchor with high-strength and high pre-tightening force and grouting reinforcement was put forward to strengthen the surrounding rock.Field application indicated that the combined supporting technology not only effectively controlled the buckling failure of subsidiary main haulage roadway，but also restricted the long-time flowing deformation of surrounding rock，so that kept the long-term stability of roadway.

deep roadway，tectonic stress，deep surrounding rock，grouting reinforcement，high pre-tightening anchor cable，broken surrounding rock

TD353

A

申瑞屏（1973-），男，山西沁縣人，碩士學(xué)歷，高級(jí)工程師，現(xiàn)任晉煤集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)有限公司總經(jīng)理。

（責(zé)任編輯 張毅玲）

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1261211），科技創(chuàng)新基金面上項(xiàng)目（2014MS037）