松散破碎圍巖巷道加固技術應用

蘇永

摘 要：本文結合小回溝礦井巷道破壞加固方法，闡述了巷道破壞原因，并分析了大巷修復存在的問題，提出巷道加固方案和巷道圍巖治理方案，然后分析了方案的具體實施，最后對巷道加固實施效果進行驗證。結果表明，加固效果較好，達到預期目標。

關鍵詞：松散破碎圍巖;注漿加固;巷道支護

Abstract： Combined with Xiaohuigou mine roadway damage reinforcement method， this paper expounded the reasons for roadway damage， analyzed the problems existing in roadway repair， put forward roadway reinforcement scheme and roadway surrounding rock treatment scheme， then analyzed the specific implementation of the scheme， and finally verified the implementation effect of roadway reinforcement. The results show that the reinforcement effect is good and achieve the expected goal.

Keywords： loose and broken surrounding rock; grouting reinforcement; roadway support

1 工程概況

山西小回溝礦井位于山西省清徐縣，設計年產量300萬t。巷道布置在2號和3號可采煤層中，3號煤層平均厚1.09 m，2號煤層平均厚2.63 m，3號煤層下距2號煤層平均間距6.89 m，煤層傾角平緩，一般為5°～15°。煤層埋深從東向西逐步加深，埋深為400～700 m。

礦井一水平輔運巷、運輸巷、一號和二號回風大巷、采區變電所等二期工程均采用錨網索支護，巷道沿2號和3號煤層施工，直墻半圓拱斷面。施工后出現不同程度的破壞，主要表現為大巷底鼓和幫部開裂、頂板下沉。特別是在大巷西段，局部底鼓1 m以上，兩幫片幫0.3～0.5 m，頂板下沉最大處1 m。巷道于2016年9月開始進行修復加固。在修復過程中，巷道刷擴后局部超出設計寬1.2 m，高超出設計0.8 m。巷道平面布置如圖1所示。

2 巷道破壞原因

通過現場調查與地質資料對比分析，出現巷道破壞的原因主要有以下幾方面。

①巷道埋深變化大，深部區段地層應力明顯增大，巷道支護強度不能抵抗圍巖應力。已掘大巷埋深集中在400～700 m，巷道西段破壞嚴重區域主要集中在埋深600～700m的位置，埋深400 m左右的大巷圍巖整體控制效果較好，未出現明顯破壞。

②地質構造影響區域，圍巖結構破碎、承載能力低，造成巷道圍巖被破壞嚴重。巷道西段附近區域揭露陷落柱達5個，落差大于1 m的斷層有6條。該段巷道集中在斷層、陷落柱、向斜構造軸部影響區域，表現為揭露圍巖節理裂隙發育、巷道壓力明顯增大[1-2]。

③大巷西段設計有采區水倉、泵房、變電所，該段應力比較集中，掘進擾動明顯，附近巷道破壞嚴重。1號回風大巷與西翼輔運大巷間凈煤柱寬度34 m，中間設置采區變電所;輔運大巷與西運輸大巷間距25 m，中間設置采區水倉和泵房，相鄰巷道間凈煤柱寬度變窄，應力集中顯現明顯。

④巷道跨度大，巷幫承載能力低。大巷凈寬6 m，且在半煤巖層中，幫部圍巖強度較低、承載能力差。巷道掘進后，底板及兩幫圍巖最先出現顯著變形和失穩破壞，進而引起頂板破壞。

3 大巷修復存在的問題

①巷道兩幫及頂板擴刷過程中，巷道圍巖松動范圍大，刷擴垮落嚴重，錨桿錨索鉆注施工困難。圍巖松動深度平均達到2 m，多數錨桿失效。錨索孔塌孔嚴重，安裝困難。

②巷道刷擴施工中，斷面超寬超高嚴重，進一步造成巷道圍巖不穩定。

③巷道刷擴施工過程對鄰近巷道擾動明顯，造成鄰近巷道破碎圍巖的突然垮落和進一步破壞。

4 巷道加固方案選擇

4.1 鋼支架支護

破碎圍巖巷道金屬支架配合金屬網護幫護頂，可以防止破碎圍巖的瞬時突然塌落冒頂，但難以對圍巖施加控制變形的預應力。隨著圍巖變形的發生，所承受的圍巖擠壓力增加，金屬支架自身變形量增大，最終因鋼支架受過載應力和重力造成支架破壞、支護失效。

4.2 錨網索二次加強支護

該段巷道已經形成較大圍巖松動圈，且圍巖結構不完整，采用錨桿錨索補強支護時，施工錨桿（索）孔塌孔嚴重，錨注困難，錨桿錨索預緊過程所需的錨固不能達到要求。再進行重復錨桿錨索補強支護，不能有效控制圍巖變形的發展[3]。

4.3 破碎圍巖注漿加固

注漿加固時，漿液注入破碎圍巖后充填圍巖內部裂隙，對開裂破壞的圍巖進行膠結，圍巖裂隙消失，恢復完整結構的圍巖結石體。結石體如有足夠強度時，可有效阻止在高應力作用下圍巖的破壞發展。注漿加固可以在改變破碎圍巖內部結構的基礎上實現對圍巖的加固。單純的破碎圍巖注漿，不能改變圍巖的應力，只能承受地層應力，在高地層應力下，圍巖與漿液結石體也容易發生二次開裂破壞。實踐證明，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。對于巷道埋深大、圍巖破碎的永久巷道，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[4]。

5 巷道圍巖治理方案

為確保該煤礦永久大巷的整體穩定性，減少巷道遠期維護量，必須在恢復破碎圍巖完整性、提高圍巖承載能力的基礎上，采用圍巖注漿加固與錨網索加強支護相結合的加固方案。

注漿加固可有效充填巷道圍巖裂隙，使破碎圍巖松動圈重新膠結成整體，提高破碎圍巖的承載能力，進而形成連續的結構體，有利于錨桿錨索加固時內摩擦力的傳遞，大幅度提高圍巖承載力。

錨網索加固是在破碎圍巖恢復連續性和整體性后，對圍巖施邊界條件，使注漿后的圍巖具有較強的承載能力，阻止圍巖再次被破壞，確保加固后巷道圍巖的穩定性。

注漿材料應以結石體強度相對較高、耐久性好、抗變形能力強的水泥基無機注漿材料為主，在局部裂隙開度較大的部位先采用水泥、水玻璃雙液漿進行淺孔注漿，封堵淺部裂隙及破碎圍巖;然后再深孔高壓注入水泥漿，加固深部圍巖。

6 巷道注漿材料及補強參數設計

6.1 巷道注漿加固材料

注漿使用P.O42.5普通硅酸鹽水泥配合ACZ-1水泥注漿添加劑的水泥漿;圍巖漏漿和淺孔注漿時，使用水泥-水玻璃雙液漿。水泥注漿添加劑具有減水、增塑、增強、微膨脹作用，克服水泥漿水灰比高、強度低、硬化收縮、泵送阻力大的缺點。

單水泥漿注漿：水灰比控制在0.6∶1～1∶1。根據圍吸漿情況調整，水灰比由大變小，由稀漿變稠漿。ACZ-1水泥注漿添加劑用量為水泥重量的8%～10%。

雙液注漿：水泥漿配比不變。水泥漿和水玻璃的體積比1∶0.4～1∶0.6，水玻璃濃度為48～55 Be，模數[M]=2.8～3.2?，F場進行試配達到最佳凝固時間，確保及時封堵漏漿充填淺部圍巖裂隙。

6.2 巷道補強支護設計

錨索選用直徑為22 mm、1?19股高強度低松弛預應力鋼絞線。其極限拉斷力為560 kN，延伸率為7%。配套錨索托板為拱形可調心托板，并配有調心球墊，托板尺寸為300 mm×300 mm×16 mm。配套錨索鎖具承載能力不低于50 t。

7 巷道加固實施

2017年3月15日開始對采區變電所實施維修加固，采區變電所巷道設計斷面為直墻半圓拱形，錨網噴聯合支護。巷道修復加固為注漿加固+高強錨索支護方案。采區變電所加固區域平面如圖2所示。

7.1 注漿施工主要施工工序與關鍵參數

注漿施工工序：封閉圍巖→標記注漿孔位→鉆孔施工?注漿管固定→開泵注漿施工?注漿至終壓穩定停泵→拆除注漿系統，移至下一個注漿孔，單孔注漿結束。如若拆除孔口球閥，需要待孔內漿液凝固且球閥不承壓后拆除，一般在注漿完成12 h后拆除。

①圍巖封閉。采用JPS5I-L轉子式混凝土噴射機對變電所內原混凝土噴層開裂區域重新噴射混凝土，封閉圍巖避免漏漿。噴射混凝土厚度100 mm。噴射混凝土強度C25。

②注漿材料及配比。425#普通硅酸鹽水泥、XPM納米注漿添加劑、水玻璃。XPM添加劑用量為水泥重量的8%～10%。水泥單液漿的水灰比0.6∶1～1∶1。水玻璃濃度48～55 Be，模數[M]=2.8～3.2。水泥漿和水玻璃雙液漿的體積比1∶0.4～1∶0.6。

③注漿管設計。注漿管選用直徑為42 mm的無縫鋼管，長度800 mm?？卓诠苣┒思庸ぢ檠揽?，孔口管外露部分加工絲扣不小于70 mm，麻牙扣段纏麻。

④注漿孔設計。全斷面注漿，注漿孔成排布置，呈“三花”布置，排距2.0 m，間距2.0 m。除巷道幫部底角注漿孔呈15°扎角外，其余注漿鉆孔均垂直于巷道表面?？讖讲坏陀?2 mm，鉆孔深度7.0 m。變電所注漿孔布置見圖3。

⑤注漿孔施工。按照設計位置，預先采用噴漆點好眼位，鉆孔采用MQT130/2.8型氣動錨桿鉆機，可接式鉆桿，配42 mm雙翼合金鋼巖石鉆頭。施工孔口位置偏差不超過50 mm，孔底位置偏差不超過孔深的1%。鉆孔應清洗干凈，并做好鉆孔檢查記錄。

⑥注漿管固定。采用充氣式止漿塞固定注漿管，使漿液注入指定有效區域。安裝時，將止漿塞固定在注漿管上的設計位置，一起放入鉆孔，然后用壓縮空氣或注漿泵注水使其膨脹堵塞注漿管與鉆孔之間的間隙，達到固定注漿管的目的。鉆孔破碎若采用全孔注漿，則可以用鉛絲、麻刀或木楔等材料在注漿孔口堵塞間隙，采用專用工具將注漿管打入孔內，采用ZBY-30/12.0注漿泵注入水泥和水玻璃漿液封閉孔口管四周孔隙，待孔口管凝固后，在孔口管外露絲扣端外接球閥[5]。

⑦注漿順序。按照“從下到上，先幫后頂”的順序逐排、逐孔注漿。臨近鉆孔漏漿、跑漿嚴重時，及時關閉跑漿孔閥門或采取“隔排或隔孔”注漿的方式控制漏漿。

⑧注漿壓力。注漿終止壓力2～3 MPa，根據圍巖漿液擴散狀況和注漿量調整注漿壓力。注漿施工過程中，出現局部漏漿時采取棉紗、木楔或水泥水玻璃膠泥堵塞的方式處理，漏漿嚴重導致停注的區域重新補打注漿孔。

⑨結束條件。注漿壓力達到設計終壓，漿液注入量已達到計算值的80%以上;所有注漿孔均已符合單孔結束條件，無漏注。

7.2 強力錨索補強加固方法

在變電所注漿加固完成7 d后，對變電所進行強力錨索補強支護。

第一，錨索規格：直徑22 mm、1×19股煤礦專用強力錨索，變電所B-C段與一號回風大巷之間墻部采用長度為9.4 m穿墻錨索，其他錨索長度均為5.3 m。A3鋼錨索托盤規格：300 mm×300 mm×16 mm。錨索外露長度200～300 mm。每支錨索配1支K2335和2支Z2360的樹脂錨固劑進行錨固，錨固長度1 970 mm。

第二，錨索施工：采用MQT130/2.8型氣動錨桿鉆機，配直徑30 mm雙翼合金鋼鉆頭鉆孔，B19可接鉆桿。鉆孔施工完畢，掃凈孔內積水和巖粉，1支SMK2335樹脂錨固劑在前，2支SMZ2360樹脂錨固劑在后，用錨索頂入眼底，用錨桿鉆機一邊攪拌一邊注入。待凝固后安裝托盤并漲拉到位。對拉錨索采用ZDY-650型探水鉆機鉆孔，42 mm鉆桿，65 mm鉆頭。鉆孔施工完畢，安裝錨索后，對拉到設計預應力，并采用單液水泥漿采取注漿方式充填孔內空間，防止錨索銹蝕。

8 巷道加固實施效果分析

變電所加固完畢后，在變電所C-D段中心斷面位置埋設監測點，監測點分別為A點（頂板下沉）、B點（底鼓）、C點（左幫位移）、D點（右幫位移），實施頂底兩幫的位移變形監測。4個監測點布置在同一斷面內，A點和B點鉛垂布置在巷中，C點和D點水平布置，距底板高度1 m（見圖4）。監測點每周一進行掛線量測一次，每次采用鋼卷尺量測各點到交叉點O的距離。連續觀測3個月，變電所內噴漿層沒有見明顯脫落處，監測點觀測數據如表1所示。

從變電所位移記錄可以看出，在3個月內，變電所監測點A處相對位移變化在0～-10 mm，B處相對位移變化在+2～-6 mm，C處相對位移變化在+2～-6 mm，D處相對位移變化在+3～-10 mm。除了測量誤差為3 mm，巷道圍巖相對位移小于7 mm。經加固后，變電所圍巖能夠支撐該處地壓，效果良好。

參考文獻：

[1]蔣華，謝冬冬.強采動應力影響下大斷面硐室圍巖結構變形破壞機理及控制[J].煤礦安全，2018（4）：136-139.

[2]魏海濤，齊炎，張小剛，等.遇水泥化性破碎軟巖巷道變形控制[J].有色金屬（礦山部分），2017（6）：96-99.

[3]何遠富，邱熠華，董軍庭，等.巖溶破碎富水大斷層巷道支護技術研究[J].采礦技術，2017（1）：13-16.

[4]王曉蕾，秦啟榮，熊祖強.破碎圍巖注漿加固擴散機理及應用研究[J].科學技術與工程，2017（17）：188-193.

[5]張宇旭.深部破碎軟巖巷道失穩破壞機理及支護技術研究[J].中國煤炭，2017（8）：85-88.