礦區(qū)高應(yīng)力軟巖巷道斷面形狀修復(fù)支護(hù)技術(shù)及支護(hù)試驗(yàn)

董易鑫，王吉?jiǎng)P

（鐵法煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司小康煤礦，遼寧 調(diào)兵山 110500）

在巷道掘進(jìn)施工中，遇到破碎、軟弱圍巖必須要采取加固、支護(hù)措施，防止掘進(jìn)過程中出現(xiàn)坍塌事故。目前常用的支護(hù)形式有多種，中空注漿錨索可同時(shí)發(fā)揮巷道支護(hù)與表面修復(fù)的效果，在提高巷道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、減輕圍巖應(yīng)力的基礎(chǔ)上，向破碎圍巖注入漿液，起到封堵裂隙、阻水防滲的效果，因此在提高巷道安全性方面優(yōu)勢更加明顯。

1 工程概況

某礦區(qū)巖層以泥巖、炭質(zhì)泥巖等軟巖為主，煤層頂、底板巖石風(fēng)化程度較高、裂隙發(fā)育，抗壓能力差。巷道掘進(jìn)作業(yè)中，地下水富集現(xiàn)象明顯，圍巖遇水后破碎，有明顯的軟化、泥化情況，無法滿足巷道支護(hù)要求。為避免巷道嚴(yán)重變形、保障掘進(jìn)作業(yè)的安全和順利進(jìn)行，施工中需要先進(jìn)行巷道斷面形狀修復(fù)，然后再配合支護(hù)措施，保證巷道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。礦區(qū)高應(yīng)力軟巖巷道布置見圖1。

2 高應(yīng)力軟巖巷道斷面形狀修復(fù)支護(hù)技術(shù)

2.1 中空注漿錨索修復(fù)技術(shù)

2.1.1 施工準(zhǔn)備

安排設(shè)備和材料進(jìn)場，并對照施工技術(shù)方案對設(shè)備型號、材料參數(shù)等進(jìn)行嚴(yán)格檢查。在巷道中空注漿錨索修復(fù)施工中，選用SKZ22-1/1770 中空注漿型錨索，全長為4.28 m，使用配套的MSK2835 樹脂錨固劑。整個(gè)錨索結(jié)構(gòu)見圖2。

2.1.2 巷道斷面形狀修復(fù)施工

參考設(shè)計(jì)圖紙?jiān)谙锏乐写_定注漿錨索的安裝位置，保證排間距為2 400 mm×3 200 mm。施工前安排技術(shù)人員檢查一遍巷道圍巖情況，保證圍巖結(jié)構(gòu)完整，可降低注漿作業(yè)時(shí)發(fā)生漏漿的概率。復(fù)核注漿錨索的位置，然后使用鉆機(jī)打孔。打孔時(shí)密切觀測孔深，防止超鉆和欠鉆的情況，孔深誤差不得超過±5 mm。錨索孔鉆成后，檢查成孔情況，無塌孔、涌水現(xiàn)象即為鉆孔成功。使用工具將錨索孔內(nèi)的泥土、石屑等雜質(zhì)清理干凈，并沖刷錨索孔。選擇合適大小的止?jié){塞，通過擠壓使其變形并嵌入到錨索孔中，最后安裝錨索，錨索下端接觸到錨索孔的底部后，旋轉(zhuǎn)錨索盤使錨索得以固定，完成錨索的施工[1]。此時(shí)地面施工人員檢查注漿泵，清洗拌料桶，然后將制備好的泥漿倒入拌料桶中，設(shè)定好注漿泵的各項(xiàng)參數(shù)，包括注漿壓力、注漿時(shí)間等，連接注漿軟管后啟動(dòng)設(shè)備開始逐漸。整個(gè)施工過程見圖3。

2.2 中空注漿施工技術(shù)

2.2.1 注漿材料的選用

本次工程中使用的注漿材料為“水泥——水玻璃”復(fù)合漿液。水泥選用P.042.5 普通硅酸鹽水泥，水玻璃選用濃度為50°Be，兩者按照1:1 的比例混合制得復(fù)合漿液[2]。錨索注漿作業(yè)時(shí)采用單液水泥漿，封孔時(shí)采用雙液漿。備用材料為木屑，如果注漿期間出現(xiàn)有漏漿、串漿等情況，可以將木屑摻入泥漿中，增加其粘稠度，并替換原始泥漿起到封堵、止漏的效果。

2.2.2 壓水試驗(yàn)

根據(jù)前期的地質(zhì)勘察結(jié)果，可知該礦區(qū)巷道圍巖裂隙發(fā)育，并且應(yīng)力較大、質(zhì)地較軟。在注漿作業(yè)時(shí)，如果注漿泵的壓力偏低，則漿液擴(kuò)散半徑太小，達(dá)不到加固圍巖的效果；相反，如果注漿泵的壓力偏高，則容易出現(xiàn)漏漿、跑漿的情況。因此，在中空注漿施工中，必須要對已經(jīng)打好的錨索孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)，確定最佳的注漿壓力。向注漿泵的儲料桶中加入清水，然后啟動(dòng)注漿泵并持續(xù)增加壓力。每個(gè)壓力等級下持續(xù)壓水時(shí)間為10 min，直到錨索孔出現(xiàn)明顯滲水情況后，停止壓水試驗(yàn)[3]。由于泥漿的粘稠度較高，因此可以將當(dāng)前壓力作為注漿施工時(shí)的壓力。

2.2.3 巷道頂板修復(fù)管理

在采用中空注漿錨索修復(fù)巷道頂板時(shí)，現(xiàn)場施工管理人員還要注意以下技術(shù)要點(diǎn)：

（1） 注漿施工期間，應(yīng)安排專人觀察頂板情況。如果現(xiàn)場未采取其他的加強(qiáng)支護(hù)措施，禁止拆除原先設(shè)置的單體支護(hù)。如果原先支設(shè)的單體影響掘進(jìn)施工的正常進(jìn)行，可以選擇鄰近位置重新支護(hù)，并且經(jīng)測算頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，方可將支設(shè)的單體拆除。

（2） 處理巷道內(nèi)的危巖懸矸時(shí)，應(yīng)按照“先易后難”的順序依次處理。首先選擇支護(hù)完好的位置，施工人員手持長度為2.0 的鋼釬拆除危巖懸矸，作業(yè)時(shí)要求斜巷下方10 m 內(nèi)不需站人。拆除危巖懸矸后，使用掃把清理表面，然后使用網(wǎng)兜覆蓋，防止巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)出現(xiàn)危石掉落砸傷施工人員的情況[4]。

（3） 放頂作業(yè)前檢查巷道頂板支護(hù)情況。如果頂板已經(jīng)安裝有錨索桁架梁，則不必另外采取加強(qiáng)支護(hù)措施；相反，如果沒有錨索桁架梁，則必須在巷道內(nèi)使用直徑不低于20 mm 的錨索重新布置桁架梁。

2.3 新掘段巷道斷面支護(hù)技術(shù)

2.3.1 巷道斷面的優(yōu)化與支護(hù)

在巷道掘進(jìn)中，隨著掘進(jìn)深度的增加，高應(yīng)力作用下巷道頂部托煤處容易出現(xiàn)拱頂現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會發(fā)生錨桿與鋼帶斷裂事故。因此，對于新掘段巷道必須采取斷面優(yōu)化與支護(hù)措施。具體如下：

在斷面形狀上，將原來的拱形斷面優(yōu)化成梯形斷面，優(yōu)化后巷道凈高為3.7 m，凈寬為4.6 m，凈面積為17.02 m2。巷道頂板部分使用四根錨桿、兩根錨索，配合鋼塑網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。錨桿選用的是MSGLG-335 等強(qiáng)螺紋鋼樹脂錨桿，直徑為20 mm，長度為2 200 mm，錨桿間距和排距統(tǒng)一設(shè)定為1 100 mm。錨索直徑為17.8 mm，長度為7 000 mm，間距為2 500 mm，排距為3 300 mm。采用可支持雙向拉伸的鋼塑網(wǎng)作為兜網(wǎng)。錨桿的下端使用Z2335 型樹脂錨固劑，可以將錨桿承受拉力增加70 KN，進(jìn)一步提高錨索加固效果。巷道斷面支護(hù)見圖4。

2.3.2 巷道圍巖的注漿加固

巷道掘進(jìn)時(shí)如果遇到明顯斷層或嚴(yán)重破碎帶，需要采取注漿加固措施。本次工程中采用壓力注漿方式加固巷道軟弱圍巖。在圍巖處鉆孔，將注漿管插入孔內(nèi)。注漿管的另一端連接注漿泵，設(shè)定好壓力參數(shù)后開始進(jìn)行壓力注漿。在壓力作用下，漿液經(jīng)過注漿管的端頭充填到圍巖裂隙中。等到漿液凝固后，可以將原本破碎、軟弱的圍巖重新連接成堅(jiān)硬的整體，從而達(dá)到穩(wěn)固圍巖的效果。注漿加固除了能夠提高圍巖承載力，還能發(fā)揮阻水防滲的效果，對避免巷道內(nèi)涌水也有一定效果。

3 巷道修復(fù)段變形觀測

3.1 觀測內(nèi)容與測點(diǎn)布置

完成巷道斷面形狀優(yōu)化、修復(fù)支護(hù)后，還要選取若干監(jiān)測點(diǎn)，密切觀測修復(fù)后巷道頂板和圍巖的變化情況。如果觀測到某處變形明顯或應(yīng)力集中，需要及時(shí)采取額外的支護(hù)措施或消解應(yīng)力，避免因?yàn)樽冃螄?yán)重、應(yīng)力過大而導(dǎo)致巷道塌陷。以巷道開門點(diǎn)為參照，分別在距離開門點(diǎn)200 m 處、400 m 處、600 m 處和800 m 處，各布置1 個(gè)表面位移測站。采用十字布點(diǎn)法計(jì)算出兩道兩側(cè)以及頂?shù)装宓奈灰屏俊Ｔ谙锏纼蓚?cè)和頂?shù)装邈@孔，使用直徑為350 mm 的木質(zhì)錨桿固定在巷道兩側(cè)的鉆孔上，并釘上鐵釘。底板用一條長度為350 mm、直徑為20 mm 的螺紋錨桿固定。以頂板為A、底板為B、左側(cè)為C、右側(cè)為D，AB 和CD 相交于O點(diǎn)，呈十字型[5]。為消除測量誤差，按照上述布置方法在每個(gè)測站選取3 個(gè)測點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)各測點(diǎn)的表面位移值。

3.2 觀測結(jié)果

巷道修復(fù)留巷段各測點(diǎn)的觀測結(jié)果見表1。

結(jié)合表1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在距離開門點(diǎn)較近時(shí)變形量較大，隨著掘進(jìn)深度的增加，變形量減小。以巷道頂?shù)装鍨槔?00 m 處3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的變形量分別為56 mm、41 mm、39 mm；而800 m 處3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的變形量分別為8 mm、10 mm、6 mm。

表1 巷道修復(fù)留巷段觀測結(jié)果（單位：mm）

分析其原因，在巷道開挖初期，由于巷道掘進(jìn)打破了原來巖土結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)，造成巷道圍巖應(yīng)力的重新分布，因此表現(xiàn)出比較明顯的變形和移動(dòng)。從觀測數(shù)據(jù)來看，在巷道掘進(jìn)期兩側(cè)移近速度平均在3.9 mm/d，頂?shù)装宓囊平俣绕骄?.2 mm/d。在工作面回采時(shí)，受到工作面前方和采空區(qū)兩側(cè)支承壓力的影響，圍巖應(yīng)力再次發(fā)生改變。此時(shí)工作面回采區(qū)由于采動(dòng)強(qiáng)烈，因此變形和位移明顯；而在巷道深處，由于采動(dòng)影響較小，因此變形和位移不明顯。總體來看，本次工程中采用斷面修復(fù)和中空注漿支護(hù)處理后，巷道加固效果良好，在巷道掘進(jìn)和工作面回采時(shí)均保持穩(wěn)定，營造了安全的作業(yè)環(huán)境，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

4 結(jié)論

在高應(yīng)力軟巖地質(zhì)條件下進(jìn)行巷道掘進(jìn)施工時(shí)，必須要考慮巷道開挖對周圍巖土結(jié)構(gòu)帶來的擾動(dòng)影響，并在巷道內(nèi)采取必要的支護(hù)措施，以保證巷道掘進(jìn)安全。在本次工程中，結(jié)合地質(zhì)條件和巖土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過斷面形狀優(yōu)化，將拱形巷道改造為結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的梯形巷道，同時(shí)在巷道內(nèi)采取了中空注漿錨索支護(hù)技術(shù)。注漿加固完畢后，對巷道不同位置進(jìn)行了變形觀測，結(jié)果表明除了在開門點(diǎn)因?yàn)橄锏谰蜻M(jìn)擾動(dòng)導(dǎo)致巷道兩側(cè)及頂?shù)装遄冃屋^大外，在隨著巷道掘進(jìn)深度的增加，變形量逐漸減小。在距離開門點(diǎn)800 m處，巷道頂?shù)装迮c兩側(cè)變形量均降低到10 mm 以內(nèi)，說明本次支護(hù)處理取得理想效果。