極破碎圍巖淋水泵房巷道支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用研究

賈沖濤

（冀中能源股份有限公司章村礦，河北 邢臺(tái) 054100）

1 概述

1.1 研究的背景與意義

井工煤礦主要排水泵房巷道（包括泵房、壁龕、小井、配水巷、水倉(cāng)等）一般設(shè)計(jì)布置在圍巖穩(wěn)定的巖層內(nèi)，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)即可滿足使用要求，即使有一部分泵房巷道處于圍巖相對(duì)不穩(wěn)定巖層或埋深較深的，采取注漿加固的方式也可以解決問(wèn)題。而對(duì)于位于極破碎圍巖內(nèi)、穿過(guò)煤層、淋水較大的泵房巷道支護(hù)并無(wú)較完善的解決方案，本文則致力于研究解決遇到的上述問(wèn)題，建立數(shù)學(xué)力學(xué)模型，提出合理的支護(hù)方案，保證泵房巷道支護(hù)強(qiáng)度和施工安全，進(jìn)一步提高圍巖加固效果，改善軟巖巷道控制面貌，滿足泵房巷道使用期限要求，給其它井工煤礦遇到相同或相似條件時(shí)提供一些參考意見或建議，具有較好的應(yīng)用前景[1]。

1.2 工程地質(zhì)條件

章村礦是一個(gè)百年老礦，開采水平不斷延伸，正在施工的26 采區(qū)下部區(qū)域作為上一采區(qū)的接替采區(qū)，承擔(dān)著礦井未來(lái)持續(xù)發(fā)展的重任。26 采區(qū)下部區(qū)域可采煤層為2#煤和2 下#煤，兩組煤的層間距在準(zhǔn)備巷道下半段最小僅為4m，且兩組煤中間巖層多為砂質(zhì)泥巖及少量的粉砂巖和細(xì)砂巖，布置在2#煤層的巷道，極易產(chǎn)生巷道底鼓現(xiàn)象；2#煤直接頂為復(fù)合頂板，夾有多層煤線，軟硬互層，穿越巖層主要巖性為砂質(zhì)泥巖及粉細(xì)砂巖，層理極為發(fā)育，分層厚度為0.1m～1.0m，且?guī)r石結(jié)構(gòu)松軟，煤層頂板張性裂隙發(fā)育，巖石較破碎。2#煤頂板砂巖含水，巷道有淋水現(xiàn)象，對(duì)巷道施工產(chǎn)生較大影響。

掘進(jìn)回采巷道前，必須將26 采區(qū)下部區(qū)域泵房巷道施工完成。由于26 采區(qū)下部區(qū)域兩條準(zhǔn)備下山巷道設(shè)計(jì)布置于2#煤層中，在末段40m 范圍破2#煤頂板巖層掘進(jìn)，而與之相連的泵房巷道開口位置設(shè)計(jì)布置在2#煤層頂板中，標(biāo)高-442.86m～-447.86m，埋藏深度為620m，埋藏較深，壓力較大，且受煤層傾角和泵房巷道設(shè)計(jì)標(biāo)高的起伏，巷道掘進(jìn)過(guò)程中，2#煤逐漸從底板顯現(xiàn)進(jìn)入巷道中，并逐步上升到巷道頂板中，使得泵房巷道大部分處于圍巖破碎的條件下。2#煤頂板砂巖水在泵房巷道內(nèi)淋水量最大達(dá)到50m3/h，且水沿圍巖裂隙不斷滲透，給巷道施工支護(hù)帶來(lái)很大的困難[2]。

1.3 研究方法

結(jié)合以往巷道掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)巷道圍巖變化情況、淋水情況，制定可靠的支護(hù)方案，主要采取加密錨桿（索）支護(hù)、縮短噴噴漿滯后距離、注漿加固、U 型鋼及特殊U 型鋼支護(hù)及聯(lián)合支護(hù)等方法，對(duì)不同巷道進(jìn)行最優(yōu)支護(hù)選擇，并通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果以驗(yàn)證支護(hù)的效果。

2 支護(hù)方案

泵房巷道各設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)為：泵房主要巷道及水倉(cāng)半圓拱斷面規(guī)格為寬×高=4.7×4.4m，壁龕半圓拱斷面規(guī)格為寬×高=2.4×2.3m，配水巷半圓拱斷面規(guī)格為寬×高=2.2×2.4m，吸水井寬×深=2.2×5.6m，以上巷道均采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)。經(jīng)過(guò)力學(xué)計(jì)算，錨桿選取Ф22mm 左旋螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度2.4m，間排距0.8m，錨索選取Ф21.8mm 錨索，長(zhǎng)度8.3m，間排距1.2×1.3m，樹脂藥卷選取CK2335、Z2360 配合使用，鋼帶梁采用Ф14 圓鋼制作。

2.1 錨桿（索）加密支護(hù)

泵房巷道按照以上支護(hù)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)后，圍巖相對(duì)穩(wěn)定段巷道可滿足支護(hù)強(qiáng)度要求，但當(dāng)2#煤層逐漸從巷道底板顯現(xiàn)后，頂板及兩幫一周內(nèi)在錨桿中間開始出現(xiàn)明顯的位移，并出現(xiàn)網(wǎng)兜。為保證支護(hù)強(qiáng)度，將錨桿間排距縮小為0.7×0.7m，在巷道兩幫順巷補(bǔ)打一道幫錨索。在壁龕及吸水井施工中，除加密錨桿索外，還將鋼帶梁組合為“十”字交叉狀使用。通過(guò)該措施的落實(shí)，頂板及兩幫位移得到有效控制。

2.2 縮短噴漿滯后距離

噴漿即噴射混凝土，其作用是可以填補(bǔ)巷道表面的空隙、坑洼等，在表面形成一層整體的致密的漿體，進(jìn)一步增強(qiáng)了巷道支護(hù)的強(qiáng)度，還可起到防止錨網(wǎng)支護(hù)遇水或在潮濕空氣環(huán)境中腐蝕損壞的作用，對(duì)錨網(wǎng)支護(hù)是一個(gè)很有效的補(bǔ)充，噴漿體同時(shí)還具有一定的可塑性，允許巷道一定的變形量而自身不開裂，與錨網(wǎng)支護(hù)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期共同作用。根據(jù)以往長(zhǎng)期噴漿的經(jīng)驗(yàn)，要起到上述作用，達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的效果，巷道噴層總厚度確定為100mm。設(shè)計(jì)中噴漿工作要求在整個(gè)泵房巷道施工完后再作業(yè)，而根據(jù)實(shí)際圍巖的變化情況，施工時(shí)要求噴漿滯后迎頭距離不超過(guò)30m，以盡快完成噴漿支護(hù)作業(yè)，減少巷道變形量[3]。

2.3 注化學(xué)漿加固及堵水

配水巷從第一個(gè)吸水井開始施工，此時(shí)2#煤層（厚度1.5m）上端大致處在配水巷頂板位置，當(dāng)配水巷掘進(jìn)至第三個(gè)吸水井處時(shí)，煤層下端已進(jìn)入配水巷頂板上約0.5m 的位置，且煤層底板巖性為砂質(zhì)泥巖，各吸水井之間的壁厚也僅有4m，導(dǎo)致錨桿、錨索多數(shù)失效，補(bǔ)強(qiáng)的工字鋼支護(hù)在兩天時(shí)間內(nèi)也變形失效。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況分析，錨桿（索）工字鋼聯(lián)合支護(hù)，已不能滿足需求，故決定對(duì)壁龕、吸水井、配水巷圍巖先采取注化學(xué)漿加固。

2.3.1 注漿工藝及鉆孔布置

注漿材料為煤礦加固煤巖體用聚氨酯材料，規(guī)格型號(hào)為JGPU，A、B 組分均為成品，按1:1 的體積比進(jìn)行混合后注入煤巖體中。注漿泵為ZZQ-0.36/12 型氣動(dòng)注漿泵。注漿管采用4 分鐵管制作，每節(jié)1.0m，兩端車扣，使用接頭相互連接。

工藝順序：標(biāo)孔-鉆孔-安裝注漿管-封孔-準(zhǔn)備漿液-開泵注漿-凝固-檢查注漿質(zhì)量-驗(yàn)收。

鉆孔按照每1.6m 布置7 個(gè)注漿孔，頂板3 個(gè)，兩幫各2 個(gè)，頂板孔仰角45°，兩幫孔水平斜向前偏移45°，孔深3.5m～4m?，F(xiàn)場(chǎng)注漿時(shí)，技術(shù)人員對(duì)注漿孔布置、孔深、角度以及封孔長(zhǎng)度可適當(dāng)調(diào)整。注漿范圍要大于巷道變形區(qū)域，同時(shí)涵蓋錨桿錨固端長(zhǎng)度。

2.3.2 注化學(xué)漿施工要求

注漿施工前，觀察圍巖結(jié)構(gòu)確定最佳注漿層位；對(duì)局部注漿漿液滲透效果較差區(qū)域，必須補(bǔ)打注漿孔補(bǔ)充注漿，堅(jiān)持多打孔少注漿為原則。實(shí)行限壓、限量注漿。注漿孔注漿終壓控制在2MPa 之內(nèi)原則上單孔注漿量不超過(guò)15 組。注漿時(shí)，注漿眼及頂幫端面出現(xiàn)漿液時(shí)立即停止注漿；頂幫端面出現(xiàn)掉渣及片幫等異常情況時(shí)立即停止注漿，在觀測(cè)無(wú)異常確保安全的前提下方可再注漿。注漿施工出現(xiàn)少量跑漏漿時(shí)，減緩注漿速度，用棉紗或封孔器等封堵通道口，并進(jìn)行慢速間歇注漿。在施工中要確保漿液混合的均勻性，確保兩種液體壓送比例為1：1。

2.3.3 注漿效果

注漿后巷道頂板圍巖較為穩(wěn)定，巖體在漿料作用下已被填充、粘結(jié)成為一體，改善了巖體力學(xué)性能，即提高裂隙的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，增大巖體內(nèi)部塊間相對(duì)位移的阻力，圍巖強(qiáng)度相比注漿前有了很大提高。同時(shí)由于注漿料填充了圍巖裂隙，頂板淋水得到有效治理，水量由15m3/h 減少為3m3/h，并集中引至指定地點(diǎn)，將頂板砂巖水對(duì)泵房巷道的影響減小到最少。

2.4 配水巷U 型鋼加強(qiáng)支護(hù)及特殊U 型鋼支護(hù)

2.4.1 U 型鋼加強(qiáng)支護(hù)

配水巷每1.5m 注化學(xué)漿后，按照每0.5m 打一排錨桿，每1.0m 施工3 根點(diǎn)錨索，每0.5m 下一架U 型鋼逐排進(jìn)行施工。經(jīng)研究分析，采用三心拱36U 型鋼支架，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是斷面形狀合理、斷面有效利用率高。三心拱形U 型鋼支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為平緩，與巷道本身半圓拱斷面切合度高，通過(guò)少量的棚木可達(dá)到良好的承載條件。其斷面合理，可滿足機(jī)軌合一巷道、管路電纜敷設(shè)等斷面需求，斷面有效利用率高。二是支架既有剛性又有一定的可塑性。當(dāng)巷道變形支架承壓后，起到了阻止巷道進(jìn)一步變形或減緩變形的作用；支架連接件卡纜布置在支架曲率半徑大的弧線上，承壓壓力達(dá)到極限后，可以滑動(dòng)一定行程，避免支架承壓過(guò)大而損壞失效。因此設(shè)計(jì)采用了36U 型鋼支架。同時(shí)各U 型鋼支架間用兩個(gè)同型號(hào)鋼材制作的連接撐子，連接成一個(gè)整體，形成整體承壓的狀態(tài)，杜絕了個(gè)別U 型鋼因局部壓力而造成支架傾斜傾倒的現(xiàn)象[4]。

2.4.2 特殊U 型鋼支護(hù)

配水巷U 型鋼支架按照0.5m 排距支設(shè)完成后，在2 號(hào)吸水井處，U 型鋼左側(cè)部分影響到水泵吸水籠頭的安裝及維護(hù)，需將其拆除，為減少對(duì)支護(hù)強(qiáng)度的影響，經(jīng)研究分析，制作了特殊U 型鋼進(jìn)行支護(hù)。原理為將原U 型鋼左半部分拆除，在中間位置支設(shè)特制的支腿，通過(guò)卡纜與原U 型鋼剩余部分相連。工字鋼柱腿長(zhǎng)3200mm，下端焊接一400×400×12mm（長(zhǎng)×寬×厚）的鋼制托板，上端開月牙口緊密焊接一1000mm 長(zhǎng)U 型鋼短梁，U 型鋼短梁弧度與圖中指定位置原U 型鋼頂梁弧度一致，U 型鋼短梁兩端用卡纜與原U 型鋼梁卡牢，順巷卡纜之間用鐵撐子連接，工字鋼柱腿之間用兩道夾板及鐵撐子連接。選擇合適位置施工順巷錨索配14#槽鋼梁，將拆除U 型鋼的剩余部分頂梁、柱腿托住，具體如圖1 所示。

圖1 特殊U 型鋼示意圖

該特制U 型鋼支腿頂端焊接了1.2m 長(zhǎng)的U 型鋼，與拆除部分弧度一致，方便與原U 型鋼用卡纜連接成一個(gè)整體，可與原U 型鋼共同承受來(lái)自頂板的壓力，支腿傾斜一定角度，可承受原U 型鋼傳來(lái)的巷幫的壓力，雖不能與完整U 型鋼相比，但仍滿足了支護(hù)需求，經(jīng)長(zhǎng)期觀測(cè)，特殊U 型鋼未發(fā)生明顯變形，巷道也沒(méi)有發(fā)生明顯的位移。

2.5 注水泥漿加固

為提高26 下部區(qū)域泵房巷道圍巖體整體強(qiáng)度和圍巖自身的承載能力，采取注水泥漿對(duì)其頂板、兩幫和底板進(jìn)行加固。

2.5.1 鉆孔布置

頂板、兩幫淺孔孔深3m，深孔孔深8m，排距均為3m，深淺孔交替布置；底板注漿孔孔深3m，排距3m；以上鉆孔均垂直頂?shù)装宀贾谩?/p>

2.5.2 注水泥漿施工要求

注漿泵選用ZBQ-15/5 氣動(dòng)注漿泵，配套供風(fēng)管口徑為Φ19mm，出漿管口徑為Φ19mm，出漿高壓管20m。注漿孔深度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況進(jìn)行調(diào)整，采用深淺部耦合注漿方式，先施工淺部注漿孔進(jìn)行淺部巖層注漿，后施工深部注漿孔并注漿。所有注漿孔均通長(zhǎng)下注漿管，注漿管外露150mm，下管后對(duì)注漿管外壁用堵漏材料封堵嚴(yán)密，避免注漿時(shí)從孔口跑漿。注漿管均采用內(nèi)徑不小于?15mm 鐵管制作，兩端車扣，使用接頭相互連接，下管后對(duì)注漿管絲扣段進(jìn)行保護(hù)。注漿孔角度誤差不超過(guò)5°，間距誤差不超過(guò)100mm。注漿原材料采用標(biāo)號(hào)425#水泥，注漿時(shí)水泥漿液配比應(yīng)遵循由稀到濃的原則，壓力穩(wěn)定后可將水灰比逐漸提高,水灰比應(yīng)控制在（0.65～0.85）：1。淺部注漿孔注漿終壓2MPa，深孔注漿終壓6MPa。水玻璃濃度一般應(yīng)控制在10～20Be，水泥漿與水玻璃之比應(yīng)控制在1：（0.1～0.3）[5]。

2.5.3 注水泥漿效果

深淺孔交替注水泥漿后，其良好地流動(dòng)性，進(jìn)一步填充圍巖裂隙，使之形成一個(gè)整體。通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)，注水泥漿后，泵房巷道圍巖無(wú)明顯位移。

3 支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

在泵房巷道內(nèi)設(shè)置圍巖觀測(cè)點(diǎn)，間距3m 一組，每天觀測(cè)記錄一次。在觀測(cè)點(diǎn)處，巷道頂?shù)装遄畲笠平?96mm，最大移近速度為2.2mm/d，兩幫最大移近量為103mm，最大移近速度為2.0mm/d。由此可見，采取加固措施后，巷道穩(wěn)定性好，有效控制了巷道變形。

4 結(jié)論

章村礦26 采區(qū)下部區(qū)域泵房巷道處于極破碎圍巖大淋水巷道內(nèi)，采取了加密錨桿（索）、縮短噴漿距離、注化學(xué)漿加固堵水、深淺孔交替注水泥漿加固、U 型鋼及特殊U 型鋼加固等措施，主動(dòng)與被動(dòng)支護(hù)相結(jié)合，內(nèi)外共同控制，提高了泵房巷道圍巖的穩(wěn)定性，成功控制了變形，延長(zhǎng)了泵房巷道的使用年限，保證了整個(gè)采區(qū)的有序安全生產(chǎn)。多種加固支護(hù)方案可為其它礦井面對(duì)相同或相似條件時(shí)提供參考與幫助。