大斷面硐室返修加固支護技術研究與應用

梁 斌

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司曙光煤礦，山西 孝義 032300）

1 工程概況

山西汾西礦業（集團）有限責任公司曙光煤礦主要位于山西省中部孝義市，主采2、3 號煤層，現礦井生產能力為90 萬t/a，開采2 號煤層，平均厚度為2.85m，煤層傾角2°～6°，平均4°，礦井開采上組煤時設一個開采水平，水平標高+585m。曙光煤礦+585 水平中央水泵房直接頂厚約3.2m 的泥巖，巖性為灰黑色，砂泥質結構，均勻層理，含豐富的植物化石，具滑面；老頂厚約2.35m 的砂質泥巖，黑灰色，砂泥巖結構，具滑面，均勻層理；直接底厚約2.7m 的中粒砂巖，巖性為深灰色，中粒砂狀結構，泥質充填，分選性好，次棱角狀。隨著曙光煤礦生產年限的增加，+585 水平中央水泵房的失穩破壞明顯，需要采取適當的返修加固措施。

2 硐室圍巖破壞情況

2.1 中央水泵房原有支護

曙光煤業+585 水平中央水泵房斷面為直墻拱形，巷道凈斷面要求寬度為4.8m，凈高5.6m，采用錨網噴支護，拱頂及兩幫采用規格為Ф22mm×L2400mm 的高強螺紋鋼錨桿，間距×排距=900×900mm，采用規格為150×150×8mm 的鋼制平托盤，同排錨桿間通過W 型鋼帶聯結，采用2360 型和2335 型樹脂錨固劑各一支進行加長錨固，錨桿安裝預緊力距 150N·m。 拱頂錨索采用規格為Ф21.6mm×L6200mm 的1×7 鋼絞線，配套采用18# 槽鋼托盤，錨固劑為兩支2360 型和一支2335型樹脂錨固劑，錨索安裝時預張拉力為200kN，錨索錨桿交替布置，同排錨索間距為1800mm，每排5根，沿巷道中心線對稱布置，排距為900mm。巷道頂板和兩幫鋪設直徑為8mm 的鋼筋網，錨網噴支護完成后在巷道表面一次性澆筑500mm 的鋼筋混凝土。

2.2 圍巖破壞現狀

對+585 水平中央水泵房圍巖變形情況進行現場調研，巷道表面變形主要表現為以下特征：硐室兩幫表明漿皮出校明顯的整體內移，直墻中部多處出現破碎、脫落的現象；硐室頂板出現破碎區，破碎區域沿巷道軸向延伸，拱頂共存在三條沿軸向的破碎帶，表面混凝土局部脫落明顯；硐室底板底鼓尤為嚴重，中央水泵房掘出后共進行了兩次臥底，臥底深度均在600mm 左右，目前局部底板仍出現明顯的底鼓，底鼓量最大達500mm 左右。

硐室開挖后在周邊圍巖內的節理、弱面逐漸發育形成局部的破碎帶，破碎帶的宏觀發育情況即通常所說的松動圈，松動圈的大小是評價巷道圍巖穩定性的關鍵指標[1～2]，松動圈發育深度越大，巷硐圍巖控制難度愈大，依據相關的研究成果可知，松動圈存在以下特征[3]：①井下巷道、硐室開挖后圍巖內必然存在松動圈；②松動圈的發育范圍越大，圍巖整體穩定性越差，巷道表面變形量越大，支護越困難；③通過錨網索支護、注漿等手段可以減小松動圈的發育范圍。根據松動圈的特點可知，為更加有效的控制中央水泵房圍巖，需首先掌握硐室圍巖松動圈的發育情況。鉆孔窺視是獲得圍巖松動圈發育情況最快捷、準確的技術手段，能夠獲取最直觀、最清晰的影像圖片資料，因此采用ZKXG30 礦用鉆孔成像儀對硐室圍巖內部進行探測[4]，該裝置由高清攝像頭、導桿、顯示儀等部分組成。為更加全面的掌握硐室圍巖的破碎情況，共布置了兩個測站，每個測站布置9 個窺視孔，其中拱頂1個，窺視孔直徑為32mm，深度為10m，兩側肩窩處各1 個，窺視孔深度8m，兩幫各3 個，深度為8m，根據現場鉆孔窺視結果，整理繪制出中央水泵房圍巖內破碎區的分布情況如圖1 所示。

圖1 中央水泵房圍巖破碎區分布圖

根據現場窺視視頻及圍巖內破碎區分布情況可知，中央水泵房圍巖內分布著3 個相互獨立的破碎區，破碎區累計寬度為1.89～3.64m，右幫圍巖內破碎區累計寬度最小（1.89m），左幫圍巖內破碎區累計寬度最大(3.64m），第一個破碎區距硐室表面0.25～1.25m，平均寬度約為1.0m，圍巖破碎明顯；第二個破碎區距硐室表面3.30～4.89m，平均寬度約為1.4m，裂隙發育明顯，多為環向裂隙；第三個破碎區距硐室表面6.58～7.10m，平均寬度約為0.5m，裂隙較小。

3 大斷面硐室圍巖控制技術

根據現場勘查及鉆孔窺視結果表明，中央水泵房圍巖內松動圈發育范圍較大，原有支護方案無法抑制松動圈的擴展，可通過注漿改善圍巖的物理力學特征、整體性。硐室圍巖由淺到深其裂隙發育特征存在顯著差異，巷道圍巖根據其破碎情況由淺至深可以分為完全破碎區、完整區、較破碎區、完整區、裂隙發育區、完整區，完全破碎區巖體基本完全破壞，該范圍內漿液主要以充填為主，較破碎區漿液主要沿大裂隙滲流，漿液的主要作用為粘結和充填，裂隙發育區及完整區內，巖體較為完整，裂隙之間的聯通性較差，漿液以劈裂為主，不同的區域內，漿液的滲流特征和作用不同，不同的區域需采用不同的注漿壓力，因此設計采用層次注漿+ 高強穩定型錨梁網索修復加固技術，首先通過淺部注漿對完全破碎區進行加固，擴刷后進行深部注漿，提高圍巖的整體性，抑制松動圈的擴展，配合高強錨梁網索維持硐室圍巖的長期穩定。為滿足礦井的實際生產需求，需對中央水泵房兩幫分別擴刷800mm，由于之前頂板出現過漏冒現象，且硐室高度滿足生產的需求，此時擴巷加固不再對頂板進行擴刷，只進行加固，擴巷后斷面面積由24.4m2增大至29.53m2。

3.1 淺部注漿技術方案

圖2 注漿錨桿布置示意圖

首先在硐室表面噴漿，采用C20 水泥混凝土，噴漿厚度約為50mm， 中央水泵房淺部注漿采用Ф22mm×L2400mm 中空注漿錨桿，兩幫和頂板注漿錨桿間排距1600×1800mm，底板注漿錨桿間排距1400×1800mm，頂板和兩幫共布置7 根，底板布置三根，注漿孔直徑為28mm，深度2500mm，漿液采用KWJG- I 久米納礦用無機加固復合砂漿，漿液水灰比為5:2，注漿過程中采用快凝水泥封堵巷道表面的漏漿區域，注漿終壓2.5MPa，單孔注漿量根據現場實際情況而定，注漿錨桿的布置詳情如圖2 所示。

3.2 深部注漿技術方案

中央水泵房圍巖淺部注漿完成后，按照礦井實際生產需求對兩幫進行擴刷，擴修完成后進行深部圍巖的注漿，采用Ф29mm×L6200mm 中空注漿錨索，注漿錨索的間排距為1800×1800mm，頂板布置4 根，兩幫各三根，注漿孔深度為8000mm，注漿終壓為3.5MPa，注漿材料和水灰比與淺部注漿相同，注漿錨索的布置詳見圖3 所示。

圖3 注漿錨索布置示意圖

3.3 錨網索支護方案

中央水泵房淺部注漿完成后，首先進行一次支護，對幫部進行擴刷，幫部原有錨桿支護失效，錨索進行重新張拉，頂板錨索保留，在頂板和兩幫重新安裝錨桿，錨桿采用Φ22×L2400mm 螺紋鋼，補打錨桿間排距為1800×900mm，安裝時預緊力距不小于250N·m，直徑8mm 的鋼筋網護表，一次支護詳情如圖4（a）所示。中央水泵房幫部擴修及一次錨網支護完成后，進行普通錨索、注漿錨索的施工，普通錨索規格為Φ21.6×L6200mm 預應力鋼絞線，布置方式和注漿錨索相同，錨索之間沿軸向通過W 型鋼帶聯結，支護詳情如圖4（b）所示。

圖4 中央水泵房錨網索支護示意圖

4 應用效果

為檢測中央水泵房返修加固方案的圍巖控制效果，在施工完成后半年內進行表面位移、深部巖層圍位移的監測，水泵房全長60m，共布置三個測站，采用十字布點法進行表面位移的監測，采用多點位移計監測頂板深部圍巖的位移。整理得到圖5 所示的結果。硐室表面位移情況如圖5（a）所示，硐室表面位移主要集中在修復初期，觀測60 天后，硐室表面位移量逐漸趨于穩定，觀測80 天后，硐室表面位移量不再增大，頂板板移近量穩定在70mm 以下，兩幫移近量穩定在40mm 以下，硐室圍巖變形得到有效的控制。硐室深部巖層的位移情況如圖5（b）所示，修復完成初期，深部和淺部圍巖的位移速度均較快，深部圍巖的位移速度大于淺部圍巖，觀測100 天后深部和淺部圍巖的位移均基本穩定，頂板巖層離層現象得到有效控制。

圖5 現場礦壓監測結果

5 結 論

通過對曙光煤礦+585 水平中央水泵房進行現場調研，掌握硐室表面破壞情況，采用ZKXG30 礦用本安型鉆孔軌跡檢測裝置對硐室圍巖進行鉆孔窺視，整理得到硐室深部圍巖的破壞情況，據此提出層次注漿+ 高強穩定型錨梁網索修復加固技術，根據中央水泵房具體的圍巖條件確定詳細支護參數，現場應用后進行礦壓監測，頂板板移近量穩定在70mm 以下，兩幫移近量穩定在40mm 以下，硐室圍巖變形及頂板深部巖層離層現場得到有效的控制，所設計的返修加固方案應用效果良好。