斷層破碎帶軟巖巷道預注漿復合支護技術(shù)研究

亢燕卿

(1.太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西省太原市，030024； 2.大同煤礦集團有限責任公司礦井建設(shè)管理處，山西省大同市，037003)

★ 煤炭科技·開拓與開采★

斷層破碎帶軟巖巷道預注漿復合支護技術(shù)研究

亢燕卿1,2

(1.太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西省太原市，030024； 2.大同煤礦集團有限責任公司礦井建設(shè)管理處，山西省大同市，037003)

針對軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性問題，以地處區(qū)域構(gòu)造大斷層中的南陽坡煤礦巷道為例，提出使用預注漿復合支護新技術(shù)，建立“先勘探、預穩(wěn)定、后施工、強加固、多保險、重測量、準反饋、再優(yōu)化”的新施工理念。對注漿材料、錨桿規(guī)格等進行分析，現(xiàn)場錨桿軸力檢測和圍巖變形量監(jiān)測證明了該支護技術(shù)的適宜性。結(jié)果表明，預注漿錨網(wǎng)噴U型鋼架復合支護技術(shù)能有效地控制錨桿軸力和圍巖變形；新施工理念比較實用，有助于保證巷道施工安全；聚氨酯類非水溶性注漿材料適合于遇水軟化圍巖的注漿防滲補強；巷道開挖沿縱向主動壓力區(qū)大致處在25 m范圍左右，對于同一斷面，巷道開挖對頂板的影響較大。

軟巖巷道 注漿 錨網(wǎng)噴 復合支護

煤炭開采過程是工程建設(shè)和生產(chǎn)運輸?shù)募象w，受巷道圍巖地質(zhì)環(huán)境和人類工程活動的影響，巷道開挖后常出現(xiàn)冒頂、片幫、底鼓、滲水、大變形等不良災害。因此，對開挖巷道圍巖進行原位補償非常關(guān)鍵。特別是隨著礦井深度的增加、地質(zhì)構(gòu)造更加復雜，巷道的穩(wěn)定性問題尤為重要。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造受地層活動的影響，如地層升降、火山噴發(fā)、地震作用、爆炸沖擊等，制約著區(qū)域內(nèi)的礦業(yè)工程建設(shè)。大斷層破碎帶是煤礦巷道施工中經(jīng)常遇到的不良工程地質(zhì)體，具有構(gòu)造復雜、圍巖破碎、裂隙發(fā)育、應(yīng)力集中、抗水性能差、泥沙充填、構(gòu)造應(yīng)力大、變形大、穩(wěn)定性差等特點，往往是巷道圍巖最不穩(wěn)定的軟弱區(qū)段，且支護困難。由于巷道開挖屬于隱蔽工程，大斷層破碎帶的地質(zhì)特性將會嚴重影響施工安全。按照常規(guī)的斷面設(shè)計和支護方法很難達到支護效果，有必要采取新的技術(shù)方法。

有關(guān)斷層破碎帶軟巖巷道支護設(shè)計方法的研究主要集中在斷面形式、支護方式、開挖設(shè)計、施工組織、后期量測、動態(tài)優(yōu)化等方面。不同支護方法之間的方案優(yōu)化欠缺，使用的注漿材料以水泥、水玻璃-水泥等顆粒型漿液為主，粘度高、收縮大、延性弱，補強效果欠佳。因此，有必要結(jié)合具體工程選用較適宜的注漿材料和支護方法。

1 工程概況

南陽坡煤礦區(qū)域地層多形成于奧陶系、石炭系、二疊系和第四系，如表1所示。該礦巖層形態(tài)為單斜構(gòu)造，地層走向基本為NE，傾向為NW，傾角為10°左右，斷層發(fā)育，并有陷落柱和巖漿巖構(gòu)造。3號煤層所處地質(zhì)環(huán)境復雜，存在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造大斷層，煤層厚度起伏較大，平均約8.13 m，屬于穩(wěn)定可采厚煤層，巖層分布如圖1所示。軌道大巷掘進中和斷層走向約呈56°相交而過，穿越段呈現(xiàn)裂隙發(fā)育、破碎帶較多、構(gòu)造應(yīng)力大、抗水能力差等特點。

表1 南陽坡煤礦區(qū)域地層分布

圖1 巖層分布簡圖

3號煤層分布發(fā)育良好，局部含夾石，距離上部2號煤層平均約12.3 m，距離下部底板砂巖層頂部平均約10.9 m，總體呈東南大西北小的變化趨勢。煤層巖性分布和巖石的物理力學參數(shù)分別見表2和表3。

表2 煤層巖性分布

由表3可知，頂板泥巖孔隙率和軟化系數(shù)較大，但自身的含水量較低。由于泥巖具有遇水膨脹泥化的特點，因此，施工過程中應(yīng)避免泥巖遇水。

2 支護方案的選擇原則

為保證進度、節(jié)約成本，巷道斷面原設(shè)計為矩形，采用錨網(wǎng)索-液壓支架復合支護。然而在施工過程中發(fā)現(xiàn)，由于巷道頂板為泥巖，具有遇水膨脹泥化特性，使得錨桿錨固劑和圍巖的粘結(jié)力達不到設(shè)計要求。此外,巷道掘進后出現(xiàn)了嚴重的片幫破壞現(xiàn)象，如圖2所示。因此，有必要采取新的斷面形式或支護方式。

表3 巖石的物理力學參數(shù)

巷道的支護方式有外部被動式、內(nèi)部主動式和內(nèi)外混合式，如：襯砌結(jié)構(gòu)、注漿加固、錨網(wǎng)噴支護等。考慮到斷層破碎帶裂隙發(fā)育，構(gòu)造應(yīng)力大、抗水能力差，且頂板泥巖遇水易膨脹泥化，嚴重影響施工過程中的安全，不利于錨桿和圍巖的粘結(jié)，故初步將斷面設(shè)計成受力較為平衡的曲墻拱，錨網(wǎng)索+U型鋼架復合支護，以降低巷道兩幫的側(cè)向壓力，進而減小頂板下沉和兩幫片幫。結(jié)果表明，巷道仍存在安全隱患，如圖3所示。

圖2 矩形斷面錨網(wǎng)索-液壓支架復合支護

圖3 曲墻拱斷面錨網(wǎng)索U型鋼架支護

經(jīng)過上述分析可知，采取預注漿方法首先對斷層破碎帶圍巖一定范圍進行預穩(wěn)定，然后選用錨網(wǎng)噴+U型鋼架復合支護，可以為巷道掘進提供安全的施工空間，如圖4所示。之前采用的超前支護為液壓支柱+Π型鋼梁+工字鋼，占用施工空間、增加施工難度，且支護效果不好，拆卸復雜。實測結(jié)果表明，錨網(wǎng)噴+U型鋼架復合支護有效地控制了錨桿軸力和圍巖變形。

圖4 曲墻拱“馬蹄形”斷面預注漿復合支護

3 預注漿復合支護設(shè)計

支護設(shè)計主要包括預注漿設(shè)計和錨網(wǎng)噴+U型鋼架設(shè)計。預注漿主要包括注漿材料選擇和注漿工藝制定，錨網(wǎng)噴+U型鋼架設(shè)計主要包括各元素的規(guī)格尺寸。

3.1 注漿材料和施工工藝設(shè)計

為預先保證開挖巖體的穩(wěn)定性，提供安全施工空間，采取超前預注漿方式進行加固。考慮到頂板巖體富含裂隙、遇水易軟化等特點，可選用裂隙滲透擴散形式注漿。之前采用水泥、水玻璃-水泥等注漿材料，雖然強度高、成本低，但也存在粘度高、收縮大、易離析、脆性大等缺點，并不適用于存在動壓的遇水泥化煤巷圍巖。因此，經(jīng)過對不同注漿材料的可注性、流動性、可控性、強度、抗?jié)B性、耐久性、環(huán)保性等指標的比選，結(jié)合工程經(jīng)驗，選用新型化學注漿材料聚氨酯類非水溶性注漿材料，具有可注性好、粘度低、流動性好、誘導期可控、收縮小、強度高等特點，該注漿材料遇水發(fā)生反應(yīng)二次加固土體，且具有一定的韌性，可隨土層發(fā)生同等變形，不易發(fā)生破壞。注漿加固采用注漿管預先將漿液注入欲開挖的巖層中，注漿深度為4 m，注漿時間為20 min，注漿完畢后停留15 min即可開始開挖，具體施工工藝如圖5所示。

圖5 注漿施工工藝布置

3.2 錨網(wǎng)噴+U型鋼架設(shè)計

錨網(wǎng)噴+U型鋼架設(shè)計主要涉及錨桿的設(shè)計，菱形鋼筋網(wǎng)、噴層厚度、U型鋼架、托盤、W型鋼帶等均使用標準規(guī)格。錨桿長度設(shè)計主要根據(jù)松動圈直徑、錨固段、鎖具端、煤層厚度等綜合確定，錨桿間排距設(shè)計主要根據(jù)錨固力、抗拉強度、錨桿直徑等進行計算。計算結(jié)果為：錨桿直徑為20 mm，錨桿長度為2.6 m，排間距為1.0 m，錨固力為60 kN，抗拉強度為190 MPa。另外，鋼筋網(wǎng)尺寸為3000 mm×3000 mm×4 mm(長×寬×厚)，托盤尺寸為250 mm×250 mm×10 mm(長×寬×厚)，混凝土為80 mm厚的C30抗?jié)B混凝土。巷道松動圈和支護布置如圖6所示。

圖6 松動圈和支護布置示意圖

3.3 施工組織設(shè)計

施工組織設(shè)計是指導現(xiàn)場施工的依據(jù)，對于地下隱蔽型工程，多存在不確定性，有必要制定一定的施工原則。結(jié)合地下工程建設(shè)的全過程，涉及的主要元素有工程勘察、開挖、支護、監(jiān)測、反饋和優(yōu)化。該軟巖巷道支護主要涉及地質(zhì)勘察、超前支護、分步開挖、錨網(wǎng)噴支護、U型鋼架鞏固、錨桿軸力檢測、圍巖變形量測等。因此，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系制定出“先勘探、預穩(wěn)定、后施工、強加固、多保險、重量測、準反饋、再優(yōu)化”的施工理念，具有很好的新穎性和實用性。

4 支護效果評價

為保證巷道施工安全，評價曲墻拱斷面和預注漿+錨網(wǎng)噴+U型鋼架復合支護的有效性，有必要圍繞質(zhì)量和安全，對錨桿軸力和圍巖變形進行量測。

4.1 錨桿軸力檢測

錨桿軸力檢測是為了驗證錨桿抗拔力的準確性，以及不同施工工況下軸力的變化及其和圍巖變形之間的關(guān)系。該檢測使用MJ-40錨桿測力計，設(shè)置兩個測站，每個測站斷面布置4個錨桿測力計，如圖7所示。其中，兩個測站相距30 m，均在已完成支護的斷面進行。測站2在測站1監(jiān)測19 d后才安裝完畢，每開挖10 m隨即進行支護封閉，檢測結(jié)果如圖8所示。

圖7 錨桿軸力檢測布置

由圖8可以看出，測站2和測站1錨桿軸力變化趨勢基本一致，測站1的4個錨桿軸力檢測點隨時間變化趨勢基本一致，前13 d軸力變化較大，前7 d變化差值最大，之后逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于測站1安裝完畢后繼續(xù)開挖對錨桿產(chǎn)生影響，沿縱向存在主動壓力區(qū)。第7 d時，離測站10 m范圍內(nèi)已完成支護，因此之后變化值不斷減小，同時說明巷道開挖沿縱向主動壓力區(qū)大致處在25 m左右。對于同一斷面，頂板的錨桿軸力最大，依次為肩部、腰部，說明巷道開挖對頂板的影響較大。測站2類似于測站1，同樣驗證了上述內(nèi)容。但唯一不同的是測站2在第7 d時出現(xiàn)了軸力突然增大的現(xiàn)象，這是由于第7 d在支護時發(fā)生了較大冒頂事故，導致縱向主動壓力區(qū)受到?jīng)_擊所致。測站1錨桿所受的最大軸力為18.7 kN，測站2為36.7 kN，均小于錨桿錨固力60 kN，滿足要求。另外，測站2的錨桿軸力大于測站1，這是由于測站2所在范圍內(nèi)的地質(zhì)情況相較測站1更加復雜、不穩(wěn)定。

圖8 錨桿軸力檢測結(jié)果

4.2 圍巖變形量測

錨桿軸力滿足要求的情況下，如果圍巖變形過大，同樣影響施工安全，這就是所謂的變形控制設(shè)計方法。圍巖變形量測采用數(shù)顯收斂計，兩個測站和錨桿軸力檢測測站毗鄰，量測方法和錨桿軸力檢測類同，每個測站設(shè)置3個量測點，分別設(shè)在圍巖頂部和腰部，進而量測水平收斂值、豎向下沉量等指標。測點布置和量測結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

圖9 圍巖變形量測點布置

由圖9和圖10可以看出，兩個測站的頂板下沉量、兩幫收斂量、頂板下沉速率和兩幫收斂速率變化趨勢較為類似，且和毗鄰的錨桿軸力變化規(guī)律較為相似，臨界時間也為7 d和13 d。兩個測站的頂板最大下沉量分別為30.3 mm和44.6 mm，兩幫最大收斂量分別為23.4 mm和34.4 mm，均符合工程要求。測站2的頂板下沉和兩幫收斂速率稍大于測站1。頂板下沉和兩幫收斂速率呈一定的波動狀態(tài)，這是由于受巷道開挖和采動的影響。

圖10 圍巖變形量測結(jié)果

由錨桿軸力檢測和圍巖變形量測結(jié)果可以看出，預注漿+錨網(wǎng)噴+U型鋼架復合支護是有效的，預先注漿使得圍巖整體性增加，應(yīng)力得到重分布，一定程度上減少錨桿拉力，進而遏制了圍巖變形，提高了圍巖的穩(wěn)定性系數(shù)。

5 結(jié)論

(1)預注漿+錨網(wǎng)噴+U型鋼架復合支護是有效的，預先注漿使得圍巖整體性增加，應(yīng)力得到重分布，一定程度上減少錨桿拉力，進而遏制了圍巖變形，提高了圍巖的穩(wěn)定性系數(shù)。

(2)“先勘探、預穩(wěn)定、后施工、強加固、多保險、重量測、準反饋、再優(yōu)化”的施工理念比較實用，有助于保證巷道施工安全。

(3)巷道開挖沿縱向主動壓力區(qū)大致處在25 m范圍左右。對于同一斷面，頂板的錨桿軸力最大，依次為肩部、腰部，說明巷道開挖對頂板的影響較大。

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Researchonpre-groutingcompoundsupporttechnologyforsoftrockroadwayinfaultfracturezone

Kang Yanqing1,2

(1. College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China; 2. Management Division of Mine Construction, Datong Coal Mine Group Co., Ltd., Datong, Shanxi 037003, China)

Aiming at difficulties in solving stability of soft rock roadway, taking Nanyangpo Mine located in the regional tectonic fault zone as an example, the new technology of pre-grouting compound support was proposed, and establishing the construction concept of investigating first, prior stabilization, constructing afterwards, reinforcing strongly, multi insurance, focusing on measuring detection, feedback precisely, re-optimization. Then the grouting material and anchor specification were analyzed, and the feasibility was verified by anchor axial force detection and rock deformation monitoring. The results showed that pre-grouting compound support technology with anchor-net-spray & U-type steel frame can control axial force and rock deformation effectively. The new construction idea was useful to keep roadway construction safe. Polyurethane non-water-soluble grouting materia was better to solve the permeation and strength of soft rock. The active pressure area along longitude of roadway was about 25 m, and its influence on roof was more apparent.

soft rock roadway, grouting, anchor-net-spray, compound support

國家杰出青年基金資助項目(51225404)，“三晉學者”支持計劃資助項目(2013)

亢燕卿. 斷層破碎帶軟巖巷道預注漿復合支護技術(shù)研究 [J]. 中國煤炭，2017,43(10)：45-49，95.

Kang Yanqing. Research on pre-grouting compound support technology for soft rock roadway in fault fracture zone [J]. China Coal，2017,43(10)：45-49，95.

TD822 TD263

A

亢燕卿(1985-)，男，山西原平人，碩士，工程師。主要從事礦井地質(zhì)和安全管理研究工作。

(責任編輯 陶 賽)