玉溪煤礦井底車場系列巷道圍巖加固技術實踐

李軍亮

(晉城市煤炭煤層氣工業局，山西晉城048000)

玉溪煤礦是2.4Mt/a的建設礦井，位于沁水縣胡底鄉，主要開采煤層為3號煤。該礦3號煤開拓巷道埋深在500～600m之間，現在正在進行井底車場等開拓巷道的掘進，井底車場巷道布置在距3號煤層約20m的底板巖層中。巷道主要采用錨網索噴支護，巷道支護成型后，隨巷道掘進，不長時間內井底車場系列巷道 (+320m水平井底車場中清理撒煤巷道、進風井東部車場巷道、架空乘人器硐室、無軌膠輪車庫、馬頭門)均有不同程度的變形，主要表現為巷道幫部和拱頂噴層開裂現象多，噴層成片掉落，掉落噴層的地方，可以看到裸露鋼筋網片和圍巖體，嚴重威脅了現場正常施工行人的安全。進風井水窩位于進風排矸立井井底，水窩井壁變形后，澆筑的鋼筋混凝土嚴重開裂，部分脫落，由于井壁變形導致井筒內罐道鋼梁產生彎曲，嚴重影響了罐籠運行安全和井底巷道開拓的排矸。且從現場井下調研發現，部分巷道變形仍未穩定，巷道幫、拱噴層仍不斷產生新的裂縫。因此必須對玉溪煤礦井底車場產生變形的巷道圍巖加固技術進行研究，提出科學合理的加固支護技術，解決此類一次支護后的開拓巷道圍巖變形控制難題，保證巷道為整個礦井服務期間的安全以及礦井的正常開拓。

1 掘進時支護狀況

進風排矸立井馬頭門部分巷道段采用鋼筋混凝土澆筑支護，井壁混凝土強度不得小于C40;其余井底車場巷道采用錨網索噴聯合支護，施工時如果圍巖條件較差，采取增加錨索等加強支護方式。錨桿采用高強樹脂錨桿，桿體材質為左旋無縱筋螺紋鋼，托板規格150mm×150mm×10mm，錨桿錨固力不小于50kN，錨索的預緊力不小于100kN，錨桿間排距800mm×800mm;錨索索體采用高強度低松弛預應力鋼絞線，托板規格300mm×300mm×12mm，錨固力15t;噴射混凝土強度等級為C20，鋪底混凝土強度等級為C30;金屬網采用φ6mm鋼筋加工而成，網孔規格為150mm×150mm，考慮10%的搭接量。

2 圍巖結構調查

為了更加詳細了解巷道圍巖破壞情況以確保加固方案設計更加準確，對井底車場系列巷道圍巖內部進行了鉆孔窺視，調查巷道圍巖破壞的深度和裂隙發育程度。根據井下巷道圍巖的變形程度共布置了5組測站，分別為井底車場中清理撒煤巷道、無軌膠輪車車庫、東線聯絡巷、架空乘人器硐室、進風井水窩及馬頭門，每組布置3個鉆孔，兩幫各1個，頂板1個，鉆孔深度8～10mm。以馬頭門處鉆孔為例窺視結果如圖1所示。

從圖1(a)看出:馬頭門南幫距孔口1600mm范圍內，有7條開度非常大的橫向裂隙發育，孔壁十分破碎，圍巖完整性非常差;距孔口2000mm和2500mm處有2條橫向裂隙，裂隙開度較大，孔壁圍巖完整性較差;距孔口2800mm處有1條開度非常大的橫向裂隙，孔壁破碎;圍巖完整性差;距孔口4300mm處有1條開度較大的橫向裂隙，孔壁較破碎;距孔口5300mm和5500mm處有2條橫向裂隙，裂隙開度較大，孔壁圍巖完整性較差，距孔口6100mm和7300mm處有2條橫向裂隙，裂隙開度大，其他位置圍巖整體性較好。

圖1 馬頭門處鉆孔窺視結果

從圖1(b)看出:馬頭門頂板距孔口600mm范圍內，有多條橫向和縱向裂隙交錯發育，裂隙開度均非常大，孔壁十分破碎，圍巖完整性非常差;距孔口1300～2500mm之間有多條橫向裂隙，裂隙開度較大，孔壁圍巖完整性較差;距孔口2600～2900mm之間有多條開度較大的橫向和縱向裂隙，孔壁圍巖較破碎，圍巖完整性較差;距孔口4100mm處有1條煤線，煤體較破碎，距孔口6500mm和7600mm處有2條橫向裂隙，裂隙開度較小，孔壁圍巖完整性差，其他位置圍巖整體性較好。

從圖1(c)看出:馬頭門北幫距孔口600mm范圍內，有多條橫向和縱向裂隙交錯發育，裂隙開度均非常大，孔壁十分破碎，圍巖完整性非常差;距孔口800～1100mm之間有多條橫向和縱向裂隙交錯發育，裂隙開度非常大，孔壁圍巖十分破碎，孔壁圍巖完整性很差;距孔口1400mm，1900mm，2200mm，2600mm和3100mm處有5條開度很大的橫向裂隙，孔壁圍巖較破碎，圍巖完整性很差;距孔口3900mm和4900mm處有2條開度較小的橫向裂隙，孔壁圍巖完整性較差。探頭推至7000mm處，由于有巖塊堵住，探頭無法進一步推進。

結合其他窺視情況看:進風排矸立井水窩幫部圍巖內部裂隙發育，圍巖破碎，導致塌孔，探頭無法進一步深入窺視，但從馬頭門窺視結果可知水窩幫部的破壞深度大于目前窺視的深度;馬頭門破壞深度達到了8000mm，且局部圍巖裂隙開度較大，圍巖十分破碎，其中幫部圍巖的破壞深度比頂板大，破壞程度比頂板更為嚴重，巷道圍巖的破壞由淺入深，淺部圍巖的破壞程度比深度更嚴重;井底車場清理撤煤巷道、東線聯絡巷、架空乘人器硐室圍巖變形嚴重處裂隙發育深度達到7000mm，變形輕微處裂隙發育深度也達到了5000mm;膠輪車庫由于淺部圍巖十分破碎，孔壁淺部塌孔未能窺視，但由現場同層位的其他巷道圍巖窺視結果以及巷道圍巖拱頂、幫部圍巖的變形破壞程度，可知圍巖內部裂隙較發育，圍巖裂隙擴展的深度大。

3 變形原因分析

結合現場巷道支護現狀、圍巖變形破壞調查和窺視結果綜合分析表明:井底車場系列巷道雖然作為新掘巷道，但由于對巷道圍巖的支護強度偏弱，導致現有支護難以控制井底車場巷道的有害變形，而且由于噴射混凝土為剛性體，巷道圍巖稍有變形噴層容易開裂，進一步發展就會產生脫落，影響噴層的支護效果，致使巷道原來的支護部分失效，內部產生裂隙，并且裂隙隨著圍巖變形不斷向深處延伸，進一步導致原支護失去支護效力，最終巷道破壞，失去使用功能。

4 加固方案的選擇

4.1 加固方案對比

變形巷道的圍巖加固控制通?？刹扇〉姆椒ㄓ腥缦聨追N:

(1)鋼棚加金屬網聯合支護 金屬網可以防止脫落破碎巖塊掉落傷人，也可防止圍巖受地壓或其他因素影響突然冒頂垮落。但由于鋼棚加金屬網聯合支護為被動支護，難以對圍巖施加控制變形的預應力，棚式支架隨著圍巖變形的發生和增加，所承受的圍巖擠壓力增加，實現對圍巖變形的抵抗與控制，棚式支架發揮支護作用的過程也是破碎圍巖變形的發展過程。棚式支架應用于高應力環境下的巷道圍巖控制時，往往隨支架所受圍巖應力的增加自身變形量增大，最終因過載造成支架破壞、支護失效，且高應力、大斷面等不利條件將加速棚式支架的變形破壞。

(2)錨桿、錨索聯合支護 錨桿錨索支護的原理是對圍巖施加足夠的預緊力，使圍巖形成次生承載結構，充分發揮圍巖承載能力，進而防止圍巖擴容破壞的發生，是根本解決高應力、大斷面巷道圍巖變形破壞的可靠方法。但對于圍巖變形的巷道，由于圍巖產生裂隙，內部應力破壞，這將導致錨桿錨索所需的錨固力不足。且巷道圍巖內裂隙或離層部位將阻斷錨桿錨索作用于圍巖的預應力在錨固區的傳遞，圍巖離層開裂對錨桿預應力的影響見圖2，使變形產生裂隙的圍巖失去約束，從而不能達到支護效果。

圖2 圍巖離層開裂對錨桿支護作用的影響

(3)注漿加固 破碎圍巖注漿加固原理是:漿液注入破碎圍巖后充填圍巖內部裂隙，并對開裂破壞的圍巖進行膠結，使遭到破壞的圍巖恢復為具有較連續的結構體。當形成的膠結體具有足夠強度時，可有效阻止巷道圍巖內部裂隙位置處的破壞擴展。可見，注漿加固是在改變破碎圍巖內部結構基礎上實現對圍巖的加固過程，高應力環境下，選擇具有高強度結石體的注漿漿液，在改變圍巖內部結構的同時，阻止圍巖內部裂隙區擴容破壞的發展，同時使破碎圍巖的可錨性顯著增強，為錨桿錨索支護提供足夠的錨固力。但單純的破碎圍巖注漿，并未改變圍巖的應力條件，高應力環境下，圍巖自身及圍巖裂隙面與漿液結石體間，較易再次被高應力壓裂，因此單一的圍巖注漿加固難以阻止加固后的再次破壞。由于巷道支護強度偏弱，掘進巷道已產生不同程度的變形，圍巖內部裂隙均有不同深度和不同程度的擴展，而且部分巷道圍巖變形仍未穩定，因此必須針對巷道的變形特點，在恢復圍巖結構的基礎上提高原有支護承載結構的承載能力，控制巷道圍巖的持續變形。為確保井底車場巷道圍巖穩定與安全，有必要對巷道圍巖進行注漿加固。

4.2 加固方法的確定

根據現場生產、地質條件調查和圍巖結構詳查，玉溪煤礦井底車場巷道由于支護強度偏弱，導致巷道剛掘進不久便產生變形破壞。巷道圍巖壓力大、結構破碎松軟。大量工程實踐表明，單一的加固方法不能有效控制此類破碎圍巖的長期蠕變及進一步破壞，對此類巷道加固工程應在恢復圍巖內部結構完整性的基礎上，加強對巷道圍巖的主動支護。針對此巷道特點，參考原有巷道支護參數及其他有效工程實踐，經礦方及相關專家論證保證安全和效果的前提下，決定采用高壓注漿配合強力錨索支護的綜合加固方案。

高壓注漿后，破碎圍巖基本上恢復連續狀態，但承載能力仍較弱，尤其是底板破壞深度較大，部分基礎已碎裂或松動。注漿是為了使巷道變形產生裂隙的圍巖粘合在一起，恢復相對完整的連續結構圍巖，增加圍巖主動承載能力。

強力錨索加固的目的是在破碎圍巖恢復連續性后，對其施加強力的邊界條件，使注漿后的圍巖具有較強的承載能力，阻止圍巖再次破壞，確保加固后的巷道圍巖穩定。因此，注漿施工后必須加強對圍巖的支護

4.3 加固范圍

根據現場地質條件和巷道圍巖變形嚴重程度調查，初步確定井底車場巷道需加固的范圍為:井底車場清理撤煤巷道加固長度76m;架空乘人器硐室加固長度43.4m;無軌膠輪車庫加固長度75m;進風井東部車場巷道加固長度179m;馬頭門硐室加固長度30m;進風排矸立井水窩加固長度28m。

4.4 注漿材料選擇

注漿一方面要充填圍巖內部裂隙，另一方面必須保證圍巖裂隙不再次張開，從保證漿液結石體強度和黏結力兩方面考慮，確定本工程圍巖注漿采用水泥漿與高分子化學漿，進行混合注漿 (由于裂隙剛形成，部分區域未能形成連續的裂隙，水泥漿為顆粒型注漿材料，可注性差，當遇到水泥漿液無法注入的地方進行化學注漿)。

4.5 加固施工順序

整個工程的施工順序為先進行巷道幫頂的注漿施工，巷道幫頂的施工順序為:高壓水泥注漿→化學注漿→注漿錨索支護。

加固順序:兩幫加固→頂板加固。

注漿加固施工工藝:幫、頂水泥淺孔注漿→幫、頂水泥深孔注漿→化學注漿→幫、頂預應力注漿錨索支護。

5 效果檢驗

礦壓監測的目的是檢驗加固質量和了解圍巖狀態。礦壓監測的內容包括巷道表面位移 (十字布點)和支護體 (錨桿、錨索)受力變化監測(GYS－500測力計)。監測方法如圖3，圖4所示，典型監測數據見表1。

圖3 巷道表面位移監測斷面布置

圖4 錨索 (桿)測力計安裝示意

表1 井底巷道注漿前后表面位移監測數據

通過注漿前后的礦壓觀測 (巷道表面位移監測、支護體 (錨桿、錨索)受力變化監測和巷道表面觀感質量檢查)，各監測值及巷道表面觀感效果均在設計允許范圍內。

6 結論

玉溪煤礦高壓注漿配合強力錨索支護的綜合加固設計方案實施后，架空乘人器硐室加固前監測垂直方向最大位移0.309m，注漿加固初期降至0.016m，加固后期降至0.007m;水平方向從0.334m初期降至0.041m，后期降至0.007m。膠輪車庫加固前監測垂直方向最大位移0.161m，注漿加固初期降至0.015m，加固后期降至0.009m;水平方向從0.126m初期降至0.01m，后期為0.014m。從監測結果來看加固方案完全達到了預定目標，有效地解決了工程施工過程中遇到的難題，保證了施工質量和安全，給煤礦工程解決類似問題提供了思路和方法。在具體的工程實踐中，根據地質條件和各類支護參數再進行數值模擬實驗，確定合理的支護設計方案。

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