松散破碎圍巖巷道加固技術(shù)應(yīng)用

蘇永

摘 要：本文結(jié)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(fù)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(jìn)行驗證。結(jié)果表明，加固效果較好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：松散破碎圍巖;注漿加固;巷道支護(hù)

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(shè)計年產(chǎn)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(yùn)巷、運(yùn)輸巷、一號和二號回風(fēng)大巷、采區(qū)變電所等二期工程均采用錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道沿2號和3號煤層施工，直墻半圓拱斷面。施工后出現(xiàn)不同程度的破壞，主要表現(xiàn)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(jìn)行修復(fù)加固。在修復(fù)過程中，巷道刷擴(kuò)后局部超出設(shè)計寬1.2 m，高超出設(shè)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(xiàn)場調(diào)查與地質(zhì)資料對比分析，出現(xiàn)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(qū)段地層應(yīng)力明顯增大，巷道支護(hù)強(qiáng)度不能抵抗圍巖應(yīng)力。已掘大巷埋深集中在400～700 m，巷道西段破壞嚴(yán)重區(qū)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(xiàn)明顯破壞。

②地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域，圍巖結(jié)構(gòu)破碎、承載能力低，造成巷道圍巖被破壞嚴(yán)重。巷道西段附近區(qū)域揭露陷落柱達(dá)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(gòu)造軸部影響區(qū)域，表現(xiàn)為揭露圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、巷道壓力明顯增大[1-2]。

③大巷西段設(shè)計有采區(qū)水倉、泵房、變電所，該段應(yīng)力比較集中，掘進(jìn)擾動明顯，附近巷道破壞嚴(yán)重。1號回風(fēng)大巷與西翼輔運(yùn)大巷間凈煤柱寬度34 m，中間設(shè)置采區(qū)變電所;輔運(yùn)大巷與西運(yùn)輸大巷間距25 m，中間設(shè)置采區(qū)水倉和泵房，相鄰巷道間凈煤柱寬度變窄，應(yīng)力集中顯現(xiàn)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(qiáng)度較低、承載能力差。巷道掘進(jìn)后，底板及兩幫圍巖最先出現(xiàn)顯著變形和失穩(wěn)破壞，進(jìn)而引起頂板破壞。

3 大巷修復(fù)存在的問題

①巷道兩幫及頂板擴(kuò)刷過程中，巷道圍巖松動范圍大，刷擴(kuò)垮落嚴(yán)重，錨桿錨索鉆注施工困難。圍巖松動深度平均達(dá)到2 m，多數(shù)錨桿失效。錨索孔塌孔嚴(yán)重，安裝困難。

②巷道刷擴(kuò)施工中，斷面超寬超高嚴(yán)重，進(jìn)一步造成巷道圍巖不穩(wěn)定。

③巷道刷擴(kuò)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(jìn)一步破壞。

4 巷道加固方案選擇

4.1 鋼支架支護(hù)

破碎圍巖巷道金屬支架配合金屬網(wǎng)護(hù)幫護(hù)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(yù)應(yīng)力。隨著圍巖變形的發(fā)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(yīng)力和重力造成支架破壞、支護(hù)失效。

4.2 錨網(wǎng)索二次加強(qiáng)支護(hù)

該段巷道已經(jīng)形成較大圍巖松動圈，且圍巖結(jié)構(gòu)不完整，采用錨桿錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時，施工錨桿（索）孔塌孔嚴(yán)重，錨注困難，錨桿錨索預(yù)緊過程所需的錨固不能達(dá)到要求。再進(jìn)行重復(fù)錨桿錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，不能有效控制圍巖變形的發(fā)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(nèi)部裂隙，對開裂破壞的圍巖進(jìn)行膠結(jié)，圍巖裂隙消失，恢復(fù)完整結(jié)構(gòu)的圍巖結(jié)石體。結(jié)石體如有足夠強(qiáng)度時，可有效阻止在高應(yīng)力作用下圍巖的破壞發(fā)展。注漿加固可以在改變破碎圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對圍巖的加固。單純的破碎圍巖注漿，不能改變圍巖的應(yīng)力，只能承受地層應(yīng)力，在高地層應(yīng)力下，圍巖與漿液結(jié)石體也容易發(fā)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(jìn)一步破壞。對于巷道埋深大、圍巖破碎的永久巷道，應(yīng)在恢復(fù)圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對巷道圍巖的主動支護(hù)[4]。

5 巷道圍巖治理方案

為確保該煤礦永久大巷的整體穩(wěn)定性，減少巷道遠(yuǎn)期維護(hù)量，必須在恢復(fù)破碎圍巖完整性、提高圍巖承載能力的基礎(chǔ)上，采用圍巖注漿加固與錨網(wǎng)索加強(qiáng)支護(hù)相結(jié)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(jié)成整體，提高破碎圍巖的承載能力，進(jìn)而形成連續(xù)的結(jié)構(gòu)體，有利于錨桿錨索加固時內(nèi)摩擦力的傳遞，大幅度提高圍巖承載力。

錨網(wǎng)索加固是在破碎圍巖恢復(fù)連續(xù)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(qiáng)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(wěn)定性。

注漿材料應(yīng)以結(jié)石體強(qiáng)度相對較高、耐久性好、抗變形能力強(qiáng)的水泥基無機(jī)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(jìn)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(bǔ)強(qiáng)參數(shù)設(shè)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(qiáng)、微膨脹作用，克服水泥漿水灰比高、強(qiáng)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(jù)圍吸漿情況調(diào)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(shù)[M]=2.8～3.2。現(xiàn)場進(jìn)行試配達(dá)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(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計

錨索選用直徑為22 mm、1?19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)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(diào)心托板，并配有調(diào)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(qū)變電所實施維修加固，采區(qū)變電所巷道設(shè)計斷面為直墻半圓拱形，錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)。巷道修復(fù)加固為注漿加固+高強(qiáng)錨索支護(hù)方案。采區(qū)變電所加固區(qū)域平面如圖2所示。

7.1 注漿施工主要施工工序與關(guān)鍵參數(shù)

注漿施工工序：封閉圍巖→標(biāo)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(wěn)定停泵→拆除注漿系統(tǒng)，移至下一個注漿孔，單孔注漿結(jié)束。如若拆除孔口球閥，需要待孔內(nèi)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(zhuǎn)子式混凝土噴射機(jī)對變電所內(nèi)原混凝土噴層開裂區(qū)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(qiáng)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(shù)[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(shè)計。注漿管選用直徑為42 mm的無縫鋼管，長度800 mm。孔口管末端加工麻牙扣，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(shè)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。孔徑不低于42 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(shè)計位置，預(yù)先采用噴漆點好眼位，鉆孔采用MQT130/2.8型氣動錨桿鉆機(jī)，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(yīng)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?jié){塞固定注漿管，使?jié){液注入指定有效區(qū)域。安裝時，將止?jié){塞固定在注漿管上的設(shè)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(dá)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(nèi)，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(yán)重時，及時關(guān)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(jù)圍巖漿液擴(kuò)散狀況和注漿量調(diào)整注漿壓力。注漿施工過程中，出現(xiàn)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(yán)重導(dǎo)致停注的區(qū)域重新補(bǔ)打注漿孔。

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

7.2 強(qiáng)力錨索補(bǔ)強(qiáng)加固方法

在變電所注漿加固完成7 d后，對變電所進(jìn)行強(qiáng)力錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

第一，錨索規(guī)格：直徑22 mm、1×19股煤礦專用強(qiáng)力錨索，變電所B-C段與一號回風(fēng)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(guī)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(jìn)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(jī)，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(nèi)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(jī)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(jī)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(shè)計預(yù)應(yīng)力，并采用單液水泥漿采取注漿方式充填孔內(nèi)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(shè)監(jiān)測點，監(jiān)測點分別為A點（頂板下沉）、B點（底鼓）、C點（左幫位移）、D點（右?guī)臀灰疲瑢嵤╉數(shù)變蓭偷奈灰谱冃伪O(jiān)測。4個監(jiān)測點布置在同一斷面內(nèi)，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(jiān)測點每周一進(jìn)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(xù)觀測3個月，變電所內(nèi)噴漿層沒有見明顯脫落處，監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)如表1所示。

從變電所位移記錄可以看出，在3個月內(nèi)，變電所監(jiān)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(jīng)加固后，變電所圍巖能夠支撐該處地壓，效果良好。

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