深部礦井破碎松軟圍巖支護加固技術應用

米文川MI Wen-chuan

（中煤第一建設有限公司第四十九工程處，邯鄲 056003）

0 引言

隨著井巷技術的成熟發展，錨桿支護技術在日趨成熟，在各礦井施工中得到了普遍推廣和應用，取得了一定的成效。但由于該技術的局限性，如施工巷道遇到巖石破碎、淋水增大、地質構造、裂隙發育等特殊地質條件時，光使用錨桿支護達不到相應的支護效果，通過改變支護形式，采取復合加固措施對松散破碎圍巖產生良好的整體支護效果。

1 項目概述

趙樓煤礦設計生產能力為3.0Mt/a，采用豎井單水平開拓方式。巷道的特點是分布深，巖層不穩定，節理發育，局部有淋水，對后期安全生產有很大的安全隱患，影響趙樓礦井建設中的一個復雜問題就是深部極復雜松軟底層巷道與大斷面硐室圍巖的穩定性控制。隨著礦井工程的不斷延伸，巷道支護難度將逐漸加大，影響了施工效率，制約了礦井建設工程的可持續發展。

在第一采區帶式輸送機下山巷道正常施工至-902m標高時，1304給煤機硐室中心前15-36m范圍內，巷道兩墻和拱部出現縱向裂縫，并伴有涌水，涌水量約6～8m3/h；通過對安設的巷道變形觀測點觀測，其中靠北側的膠帶大巷頂板出現下沉現象，下沉量為300～500mm，硐室靠近邊緣處最大裂縫有150mm寬。

2 地質巖性分析

在1304給煤機硐室中心前15-36m段揭露3號煤層，平均厚度3.2m。根據地質預測，3#煤層頂板巖性主要為砂巖，在實際施工中煤層的頂板主要為泥巖，厚度約為3.5m，并伴有淋水。中下部含約1.3m煤夾矸，實際揭露與預測預報的巖性相差較大。巷道圍巖地質條件復雜，頂板泥巖松散破碎，遇水易膨脹，礦壓顯現非常明顯，給支護帶來很大困難。

附圖1：實際揭露地質柱狀圖。

圖1 實際揭露地質柱狀圖

3 初始支護參數及分析

第一采區1304給煤機硐室原支護方案設計支護形式為采用錨網噴+錨索。

①錨桿支護參數為：錨桿采用直徑22×2400mm螺紋鋼錨桿。預緊力大于120N·m，錨固力大于150kN，間排距為0.8×0.8m。金屬網規格：用Φ6.5mm圓鋼焊接而成，網孔0.1×0.1m，長×寬=2.1×1.1m。托盤規格：采用厚度14mm，Q235A鋼板制作的鐘形托盤，規格：0.15×0.15m。錨桿托盤必須將網片壓緊、壓平，螺帽擰緊，嚴禁松動。錨桿鉆孔方向與井巷輪廓線角度應不小于75°或與層理面、節理面、裂隙面夾角不小于75°；錨桿間排距：允許偏差±50mm；錨桿外露長度：露絲長度為螺母以外10～50mm。

②錨索支護參數為：錨索采用直徑17.8×6200mm高強度鋼絞線及配套鎖具。錨索預緊力100kN，錨固力：大于180kN，錨索間排距為1.6×1.6m。托盤規格：采用厚度20mm，Q235A鋼板制作的鐘形托盤，規格0.3×0.3m。錨索設計預緊力不低于100kN。錨索間排距：允許偏差±100mm；錨索外露長度：露出長度為鎖具以外150～250mm。

③原支護效果分析：巷道施工時間不長就出現了巷道來壓頂板下沉底板底鼓，巷道局部地方出現裂隙，網兜現象比較嚴重，直接影響到巷道的支護質量及施工效率，甚至威脅到了作業人員的生命安全，也無法為滿足日后的交付使用，必須采取相應的措施加以解決。

4 確定加固方案

經過現場分析，此處巷道頂部巖石已離層，巷道圍巖塑性區大，尤其是破碎區大部分圍巖處于破碎狀態，整體性和穩定性較差，與錨桿的及時結合不能形成有效的支護[1]。既有支護體系難以維持現有巷道支護的安全性，必須對其進行加固，形成承載力高、抗變型能力強的復合支護結構，以有效控制巷道圍巖，實現巷道支護結構與深部圍巖的聯合作用，從而保證圍巖和支護結構的整體穩定性，達到控制圍巖穩定性的目的[2]。巷道上部泥巖層局部離層，必須采取有效的措施后方可施工。為保證后期1304工作面施工期間巷道的穩定性和安全性，決定在頂板下沉部分先采用密集液壓支柱和木垛臨時支護頂板，防止頂板冒落；再對巷道頂部含水層進行集中治理，周圍的泥巖破碎層進行注漿加固，使之圍巖有效地成為一個整體。在密集液壓支柱和道木垛臨時支護及頂板破碎圍巖注漿完畢后，采用錨網索梁加固巷道。

5 方案實施

5.1 支撐式臨時支護

為防止在加固施工中巷道頂板發生大面積冒落，先在1304機頭硐室的刷大區域用道木搭設了三個“井”字形木垛。巷道按0.7m的間排距支設液壓單體支柱，單體支柱采用“穿鞋戴帽”的方式進行。

木垛下方與底板接實，每層采用兩根道木“井”字擺放，上下接觸點一致，上部用大木楔背緊接實，上下相鄰兩層道木用耙勾固定牢固。單體支柱采用“穿鞋戴帽”的方式進行，支撐有力，頂板接實，打好的單體支柱要上好保險繩，防止倒柱傷人。

5.2 埋管及集中放水孔

加工使用長度為1m直徑1.2寸注漿管，用麻繩包裹的魚鱗扣進行加固，埋入提前打好的注漿孔內，然后在注漿管里鉆孔。當孔深達到砂層時，通過高壓球閥連接注漿管開始注漿，隔斷注漿孔周圍的縫隙達到加固效果，注漿時注漿壓力控制在3MPa，再進行封孔。拆除高壓球閥后，再施工注漿鉆孔，并穿入砂層集中泄壓放水。這種放水方式可以防止砂巖水通過排水孔進入泥巖層，消除大面積浸泡泥巖層。共設置四個集中放水孔，放水流量約10m3/h。

5.3 采用注漿方式對圍巖加固

注漿孔布置采用深、淺孔相穿插結合的方式。其中淺鉆孔深度為1.5m，深鉆孔深度為2.5m，孔與孔的間排距為1.6m。注漿孔呈三花形布置，深淺孔均安設長度為1m的注漿管。布置出兩排注漿孔，先注入第一排孔，另一排孔作為泄壓孔，及時觀察泄壓孔情況。若出現水泥漿流出，則關閉泄壓孔閥門，避免水泥漿液跑漿。

鉆孔采用錨桿鉆機和風鉆，頂部安裝1寸注漿管鉆孔，幫部安裝1.2寸注漿管。

孔口管選用Φ1.2寸和Φ1寸無縫鋼管加工成2m和1m兩種規格。其中一側旋出與高壓球閥連接的螺紋，另一側車出0.4m長的魚鱗扣?？卓诠苈裨O要牢固。必須按設計要求鉆進到位，下管到位，注漿到位，以確保孔口管的抗拔力。

注漿連接裝置由高壓膠管、球閥、法蘭等組成，用于連接孔口管和漿液輸送管。高壓球閥采用不小于25MPa壓力球閥。

攪拌器：混合C和S泥漿，并將其注入巖層中。

注漿泵：注漿機型號為2JGZ-60/210兩臺，一備一用。

附圖2：注漿工藝流程示意圖。

圖2 注漿工藝流程示意圖

巷道漿液材料首先采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿以水泥單液漿為主，水泥、水玻璃雙液漿為輔。水泥選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，雙液漿1:0.3～1:0.6。詳見水泥漿液配制表。水玻璃選用液體硅酸鈉型、濃度為30～45波美度、模數2.4～3.4的水玻璃。水泥漿與水玻璃的體積比，宜為1:0.3～1:0.6。

水泥漿液配制方法是先向水泥漿攪拌機內加入定量的水，開動攪拌機后加入定量的水泥，攪動均勻后即可，詳見水泥漿配制表1。

表1 水泥漿配制表

注漿壓力控制在1兆帕，終孔注漿壓力為2～3兆帕。注漿結束標準：最終吸漿量和注漿壓力，并有一定的持續時間。正常情況下，每次注漿時，注漿壓力由小逐漸增大，注漿量由大逐漸減小。當注漿壓力達到設計最終壓力值時，注漿量：單液漿50～60L/min；雙液漿為100～200L/min，穩定時間10～20min后即可完成注漿。

5.3.1 鉆孔和注漿施工鉆進過程中應掌握鉆進深度，如果鉆孔過程中有水且水量大于5m3/h，應停止鉆進進行注漿處理；如果水量不大，鉆孔施工至設計深度后再進行注漿。注灌漿壓力達到最終壓力后，繼續10～20分鐘，關閉球閥，再施工另一個孔。用雙液封孔，注漿順序從巷道底板開始，從下到上注漿。

5.3.2 注漿壓力的控制從上述各階段的變化來看，開始保壓時間較長，最后保壓時間較短。當達到最終壓力時，可以保持10-20分鐘。

5.3.3 補孔措施設計施工鉆孔注漿完成后，可根據現場實施情況，在巷道有淋水及巷道裂隙處進行補孔注漿，可更有效地對破碎圍巖進行充實固化，使之穩定形成一個整體。

5.3.4 效果檢驗在注漿加固段每隔5m打設一組觀測孔，頂板打設一個，幫部各打設一個，通過采用窺視儀進行鉆孔內窺視，檢查注漿加固效果，發現孔壁密實完整，沒有孔隙，說明達到了預期效果。通過對頂板泥巖層進行注漿加固和疏放水，使頂部圍巖形成有效整體，防止頂部巖石冒落。

5.4 補強支護方案

在第一采區帶式輸送機下山1304給煤機硐室破碎帶鉆孔注漿后，巷道變形得到控制。在拆除點柱和木垛之前，先對給煤機硐室破碎帶前后50m范圍內進行加固補強支護，以確保巷道的穩定性[3]，減少巷道來壓變形量。

根據現場實際情況分析，擬采用錨噴與錨索梁相結合的加固方案，在破碎帶附近50m范圍內采用錨桿補強支護，錨桿間排距為1m×1m。超前施工3～5m后，再補打錨索梁加強巷道拱頂的支護，梁采用18#槽鋼加工而成。同時，將其底板底鼓區域進行臥底至巷道設計高度，在巷道底部不超過0.3m處打設底角注漿錨桿加強支護。最后對該區域進行噴漿封閉。

補強錨索采用直徑17.8×8300mm鋼絞線加工制成。小斷面拱頂布置3根，用一條18#槽鋼將三根錨索連成一個整體；三岔口斷面跨度較大時頂板布置4根，每2根用18#槽鋼做曲梁連接。排距為2m，間距為1.5～2m，視斷面大小而定。

附圖3：補強加固后支護示意圖。

圖3 補強加固后支護示意圖

5.5 地壓觀測

加固完成后，在加固區域安裝錨桿及錨索應力感應器，對巷道來壓支護監測。在緩慢來壓一月后，支撐體的周期來壓從大變小。結合實際礦壓理論，巖層基本趨于穩定[4]，表明支護加固穩定了圍巖，保證了巷道圍巖和支護結構的整體穩定性。

6 優化支護方案后巷道施工

在第一采區1304硐室周邊區域加固處理完成后繼續施工。采用超前錨注法對頂板進行注漿封堵加固，然后采用小循環掘進施工。支護采用錨網+錨索槽鋼梁法，使頂板形成整體，有效控制了頂板泥巖層的沉降，確保了巷道整體的支護質量，順利通過剩余三十米多的頂板泥巖層。該技術應用的前提是必須弄清實際巷道圍巖的特征和變形失穩機理，客觀分析初期支護結構，加強支護監測和預測，從而確定二次支護或加固方式及最佳時機，從而達到最佳圍巖控制效果[5]。

7 結論

在今后的施工中如遇到煤層頂板有較厚的泥巖偽頂，且受砂巖水影響時，就會造成頂板破碎松軟，容易造成頂板離層，給巷道施工和支護帶來很大困難。通過此種加固方案，有效提高了支護強度，穩定了圍巖，經過近一年的使用，該處巷道整體完整，沒有再出現頂板離層巷道開裂現象，達到了預期效果不僅縮短了施工工期，同時降低了成本確保了安全，為類似圍巖的支護提供了參考。