斷層破碎帶軟巖巷道預(yù)注漿復(fù)合支護(hù)技術(shù)研究

亢燕卿

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024； 2.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司礦井建設(shè)管理處，山西省大同市，037003)

★ 煤炭科技·開(kāi)拓與開(kāi)采★

斷層破碎帶軟巖巷道預(yù)注漿復(fù)合支護(hù)技術(shù)研究

亢燕卿1,2

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024； 2.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司礦井建設(shè)管理處，山西省大同市，037003)

針對(duì)軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題，以地處區(qū)域構(gòu)造大斷層中的南陽(yáng)坡煤礦巷道為例，提出使用預(yù)注漿復(fù)合支護(hù)新技術(shù)，建立“先勘探、預(yù)穩(wěn)定、后施工、強(qiáng)加固、多保險(xiǎn)、重測(cè)量、準(zhǔn)反饋、再優(yōu)化”的新施工理念。對(duì)注漿材料、錨桿規(guī)格等進(jìn)行分析，現(xiàn)場(chǎng)錨桿軸力檢測(cè)和圍巖變形量監(jiān)測(cè)證明了該支護(hù)技術(shù)的適宜性。結(jié)果表明，預(yù)注漿錨網(wǎng)噴U型鋼架復(fù)合支護(hù)技術(shù)能有效地控制錨桿軸力和圍巖變形；新施工理念比較實(shí)用，有助于保證巷道施工安全；聚氨酯類非水溶性注漿材料適合于遇水軟化圍巖的注漿防滲補(bǔ)強(qiáng)；巷道開(kāi)挖沿縱向主動(dòng)壓力區(qū)大致處在25 m范圍左右，對(duì)于同一斷面，巷道開(kāi)挖對(duì)頂板的影響較大。

軟巖巷道 注漿 錨網(wǎng)噴 復(fù)合支護(hù)

煤炭開(kāi)采過(guò)程是工程建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)募象w，受巷道圍巖地質(zhì)環(huán)境和人類工程活動(dòng)的影響，巷道開(kāi)挖后常出現(xiàn)冒頂、片幫、底鼓、滲水、大變形等不良災(zāi)害。因此，對(duì)開(kāi)挖巷道圍巖進(jìn)行原位補(bǔ)償非常關(guān)鍵。特別是隨著礦井深度的增加、地質(zhì)構(gòu)造更加復(fù)雜，巷道的穩(wěn)定性問(wèn)題尤為重要。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造受地層活動(dòng)的影響，如地層升降、火山噴發(fā)、地震作用、爆炸沖擊等，制約著區(qū)域內(nèi)的礦業(yè)工程建設(shè)。大斷層破碎帶是煤礦巷道施工中經(jīng)常遇到的不良工程地質(zhì)體，具有構(gòu)造復(fù)雜、圍巖破碎、裂隙發(fā)育、應(yīng)力集中、抗水性能差、泥沙充填、構(gòu)造應(yīng)力大、變形大、穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，往往是巷道圍巖最不穩(wěn)定的軟弱區(qū)段，且支護(hù)困難。由于巷道開(kāi)挖屬于隱蔽工程，大斷層破碎帶的地質(zhì)特性將會(huì)嚴(yán)重影響施工安全。按照常規(guī)的斷面設(shè)計(jì)和支護(hù)方法很難達(dá)到支護(hù)效果，有必要采取新的技術(shù)方法。

有關(guān)斷層破碎帶軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法的研究主要集中在斷面形式、支護(hù)方式、開(kāi)挖設(shè)計(jì)、施工組織、后期量測(cè)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化等方面。不同支護(hù)方法之間的方案優(yōu)化欠缺，使用的注漿材料以水泥、水玻璃-水泥等顆粒型漿液為主，粘度高、收縮大、延性弱，補(bǔ)強(qiáng)效果欠佳。因此，有必要結(jié)合具體工程選用較適宜的注漿材料和支護(hù)方法。

1 工程概況

南陽(yáng)坡煤礦區(qū)域地層多形成于奧陶系、石炭系、二疊系和第四系，如表1所示。該礦巖層形態(tài)為單斜構(gòu)造，地層走向基本為NE，傾向?yàn)镹W，傾角為10°左右，斷層發(fā)育，并有陷落柱和巖漿巖構(gòu)造。3號(hào)煤層所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，存在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造大斷層，煤層厚度起伏較大，平均約8.13 m，屬于穩(wěn)定可采厚煤層，巖層分布如圖1所示。軌道大巷掘進(jìn)中和斷層走向約呈56°相交而過(guò)，穿越段呈現(xiàn)裂隙發(fā)育、破碎帶較多、構(gòu)造應(yīng)力大、抗水能力差等特點(diǎn)。

表1 南陽(yáng)坡煤礦區(qū)域地層分布

圖1 巖層分布簡(jiǎn)圖

3號(hào)煤層分布發(fā)育良好，局部含夾石，距離上部2號(hào)煤層平均約12.3 m，距離下部底板砂巖層頂部平均約10.9 m，總體呈東南大西北小的變化趨勢(shì)。煤層巖性分布和巖石的物理力學(xué)參數(shù)分別見(jiàn)表2和表3。

表2 煤層巖性分布

由表3可知，頂板泥巖孔隙率和軟化系數(shù)較大，但自身的含水量較低。由于泥巖具有遇水膨脹泥化的特點(diǎn)，因此，施工過(guò)程中應(yīng)避免泥巖遇水。

2 支護(hù)方案的選擇原則

為保證進(jìn)度、節(jié)約成本，巷道斷面原設(shè)計(jì)為矩形，采用錨網(wǎng)索-液壓支架復(fù)合支護(hù)。然而在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于巷道頂板為泥巖，具有遇水膨脹泥化特性，使得錨桿錨固劑和圍巖的粘結(jié)力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。此外,巷道掘進(jìn)后出現(xiàn)了嚴(yán)重的片幫破壞現(xiàn)象，如圖2所示。因此，有必要采取新的斷面形式或支護(hù)方式。

表3 巖石的物理力學(xué)參數(shù)

巷道的支護(hù)方式有外部被動(dòng)式、內(nèi)部主動(dòng)式和內(nèi)外混合式，如：襯砌結(jié)構(gòu)、注漿加固、錨網(wǎng)噴支護(hù)等?？紤]到斷層破碎帶裂隙發(fā)育，構(gòu)造應(yīng)力大、抗水能力差，且頂板泥巖遇水易膨脹泥化，嚴(yán)重影響施工過(guò)程中的安全，不利于錨桿和圍巖的粘結(jié)，故初步將斷面設(shè)計(jì)成受力較為平衡的曲墻拱，錨網(wǎng)索+U型鋼架復(fù)合支護(hù)，以降低巷道兩幫的側(cè)向壓力，進(jìn)而減小頂板下沉和兩幫片幫。結(jié)果表明，巷道仍存在安全隱患，如圖3所示。

圖2 矩形斷面錨網(wǎng)索-液壓支架復(fù)合支護(hù)

圖3 曲墻拱斷面錨網(wǎng)索U型鋼架支護(hù)

經(jīng)過(guò)上述分析可知，采取預(yù)注漿方法首先對(duì)斷層破碎帶圍巖一定范圍進(jìn)行預(yù)穩(wěn)定，然后選用錨網(wǎng)噴+U型鋼架復(fù)合支護(hù)，可以為巷道掘進(jìn)提供安全的施工空間，如圖4所示。之前采用的超前支護(hù)為液壓支柱+Π型鋼梁+工字鋼，占用施工空間、增加施工難度，且支護(hù)效果不好，拆卸復(fù)雜。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，錨網(wǎng)噴+U型鋼架復(fù)合支護(hù)有效地控制了錨桿軸力和圍巖變形。

圖4 曲墻拱“馬蹄形”斷面預(yù)注漿復(fù)合支護(hù)

3 預(yù)注漿復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)

支護(hù)設(shè)計(jì)主要包括預(yù)注漿設(shè)計(jì)和錨網(wǎng)噴+U型鋼架設(shè)計(jì)。預(yù)注漿主要包括注漿材料選擇和注漿工藝制定，錨網(wǎng)噴+U型鋼架設(shè)計(jì)主要包括各元素的規(guī)格尺寸。

3.1 注漿材料和施工工藝設(shè)計(jì)

為預(yù)先保證開(kāi)挖巖體的穩(wěn)定性，提供安全施工空間，采取超前預(yù)注漿方式進(jìn)行加固?？紤]到頂板巖體富含裂隙、遇水易軟化等特點(diǎn)，可選用裂隙滲透擴(kuò)散形式注漿。之前采用水泥、水玻璃-水泥等注漿材料，雖然強(qiáng)度高、成本低，但也存在粘度高、收縮大、易離析、脆性大等缺點(diǎn)，并不適用于存在動(dòng)壓的遇水泥化煤巷圍巖。因此，經(jīng)過(guò)對(duì)不同注漿材料的可注性、流動(dòng)性、可控性、強(qiáng)度、抗?jié)B性、耐久性、環(huán)保性等指標(biāo)的比選，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，選用新型化學(xué)注漿材料聚氨酯類非水溶性注漿材料，具有可注性好、粘度低、流動(dòng)性好、誘導(dǎo)期可控、收縮小、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，該注漿材料遇水發(fā)生反應(yīng)二次加固土體，且具有一定的韌性，可隨土層發(fā)生同等變形，不易發(fā)生破壞。注漿加固采用注漿管預(yù)先將漿液注入欲開(kāi)挖的巖層中，注漿深度為4 m，注漿時(shí)間為20 min，注漿完畢后停留15 min即可開(kāi)始開(kāi)挖，具體施工工藝如圖5所示。

圖5 注漿施工工藝布置

3.2 錨網(wǎng)噴+U型鋼架設(shè)計(jì)

錨網(wǎng)噴+U型鋼架設(shè)計(jì)主要涉及錨桿的設(shè)計(jì)，菱形鋼筋網(wǎng)、噴層厚度、U型鋼架、托盤、W型鋼帶等均使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。錨桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)主要根據(jù)松動(dòng)圈直徑、錨固段、鎖具端、煤層厚度等綜合確定，錨桿間排距設(shè)計(jì)主要根據(jù)錨固力、抗拉強(qiáng)度、錨桿直徑等進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果為：錨桿直徑為20 mm，錨桿長(zhǎng)度為2.6 m，排間距為1.0 m，錨固力為60 kN，抗拉強(qiáng)度為190 MPa。另外，鋼筋網(wǎng)尺寸為3000 mm×3000 mm×4 mm(長(zhǎng)×寬×厚)，托盤尺寸為250 mm×250 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×厚)，混凝土為80 mm厚的C30抗?jié)B混凝土。巷道松動(dòng)圈和支護(hù)布置如圖6所示。

圖6 松動(dòng)圈和支護(hù)布置示意圖

3.3 施工組織設(shè)計(jì)

施工組織設(shè)計(jì)是指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工的依據(jù)，對(duì)于地下隱蔽型工程，多存在不確定性，有必要制定一定的施工原則。結(jié)合地下工程建設(shè)的全過(guò)程，涉及的主要元素有工程勘察、開(kāi)挖、支護(hù)、監(jiān)測(cè)、反饋和優(yōu)化。該軟巖巷道支護(hù)主要涉及地質(zhì)勘察、超前支護(hù)、分步開(kāi)挖、錨網(wǎng)噴支護(hù)、U型鋼架鞏固、錨桿軸力檢測(cè)、圍巖變形量測(cè)等。因此，根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系制定出“先勘探、預(yù)穩(wěn)定、后施工、強(qiáng)加固、多保險(xiǎn)、重量測(cè)、準(zhǔn)反饋、再優(yōu)化”的施工理念，具有很好的新穎性和實(shí)用性。

4 支護(hù)效果評(píng)價(jià)

為保證巷道施工安全，評(píng)價(jià)曲墻拱斷面和預(yù)注漿+錨網(wǎng)噴+U型鋼架復(fù)合支護(hù)的有效性，有必要圍繞質(zhì)量和安全，對(duì)錨桿軸力和圍巖變形進(jìn)行量測(cè)。

4.1 錨桿軸力檢測(cè)

錨桿軸力檢測(cè)是為了驗(yàn)證錨桿抗拔力的準(zhǔn)確性，以及不同施工工況下軸力的變化及其和圍巖變形之間的關(guān)系。該檢測(cè)使用MJ-40錨桿測(cè)力計(jì)，設(shè)置兩個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站斷面布置4個(gè)錨桿測(cè)力計(jì)，如圖7所示。其中，兩個(gè)測(cè)站相距30 m，均在已完成支護(hù)的斷面進(jìn)行。測(cè)站2在測(cè)站1監(jiān)測(cè)19 d后才安裝完畢，每開(kāi)挖10 m隨即進(jìn)行支護(hù)封閉，檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖7 錨桿軸力檢測(cè)布置

由圖8可以看出，測(cè)站2和測(cè)站1錨桿軸力變化趨勢(shì)基本一致，測(cè)站1的4個(gè)錨桿軸力檢測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，前13 d軸力變化較大，前7 d變化差值最大，之后逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于測(cè)站1安裝完畢后繼續(xù)開(kāi)挖對(duì)錨桿產(chǎn)生影響，沿縱向存在主動(dòng)壓力區(qū)。第7 d時(shí)，離測(cè)站10 m范圍內(nèi)已完成支護(hù)，因此之后變化值不斷減小，同時(shí)說(shuō)明巷道開(kāi)挖沿縱向主動(dòng)壓力區(qū)大致處在25 m左右。對(duì)于同一斷面，頂板的錨桿軸力最大，依次為肩部、腰部，說(shuō)明巷道開(kāi)挖對(duì)頂板的影響較大。測(cè)站2類似于測(cè)站1，同樣驗(yàn)證了上述內(nèi)容。但唯一不同的是測(cè)站2在第7 d時(shí)出現(xiàn)了軸力突然增大的現(xiàn)象，這是由于第7 d在支護(hù)時(shí)發(fā)生了較大冒頂事故，導(dǎo)致縱向主動(dòng)壓力區(qū)受到?jīng)_擊所致。測(cè)站1錨桿所受的最大軸力為18.7 kN，測(cè)站2為36.7 kN，均小于錨桿錨固力60 kN，滿足要求。另外，測(cè)站2的錨桿軸力大于測(cè)站1，這是由于測(cè)站2所在范圍內(nèi)的地質(zhì)情況相較測(cè)站1更加復(fù)雜、不穩(wěn)定。

圖8 錨桿軸力檢測(cè)結(jié)果

4.2 圍巖變形量測(cè)

錨桿軸力滿足要求的情況下，如果圍巖變形過(guò)大，同樣影響施工安全，這就是所謂的變形控制設(shè)計(jì)方法。圍巖變形量測(cè)采用數(shù)顯收斂計(jì)，兩個(gè)測(cè)站和錨桿軸力檢測(cè)測(cè)站毗鄰，量測(cè)方法和錨桿軸力檢測(cè)類同，每個(gè)測(cè)站設(shè)置3個(gè)量測(cè)點(diǎn)，分別設(shè)在圍巖頂部和腰部，進(jìn)而量測(cè)水平收斂值、豎向下沉量等指標(biāo)。測(cè)點(diǎn)布置和量測(cè)結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

圖9 圍巖變形量測(cè)點(diǎn)布置

由圖9和圖10可以看出，兩個(gè)測(cè)站的頂板下沉量、兩幫收斂量、頂板下沉速率和兩幫收斂速率變化趨勢(shì)較為類似，且和毗鄰的錨桿軸力變化規(guī)律較為相似，臨界時(shí)間也為7 d和13 d。兩個(gè)測(cè)站的頂板最大下沉量分別為30.3 mm和44.6 mm，兩幫最大收斂量分別為23.4 mm和34.4 mm，均符合工程要求。測(cè)站2的頂板下沉和兩幫收斂速率稍大于測(cè)站1。頂板下沉和兩幫收斂速率呈一定的波動(dòng)狀態(tài)，這是由于受巷道開(kāi)挖和采動(dòng)的影響。

圖10 圍巖變形量測(cè)結(jié)果

由錨桿軸力檢測(cè)和圍巖變形量測(cè)結(jié)果可以看出，預(yù)注漿+錨網(wǎng)噴+U型鋼架復(fù)合支護(hù)是有效的，預(yù)先注漿使得圍巖整體性增加，應(yīng)力得到重分布，一定程度上減少錨桿拉力，進(jìn)而遏制了圍巖變形，提高了圍巖的穩(wěn)定性系數(shù)。

5 結(jié)論

(1)預(yù)注漿+錨網(wǎng)噴+U型鋼架復(fù)合支護(hù)是有效的，預(yù)先注漿使得圍巖整體性增加，應(yīng)力得到重分布，一定程度上減少錨桿拉力，進(jìn)而遏制了圍巖變形，提高了圍巖的穩(wěn)定性系數(shù)。

(2)“先勘探、預(yù)穩(wěn)定、后施工、強(qiáng)加固、多保險(xiǎn)、重量測(cè)、準(zhǔn)反饋、再優(yōu)化”的施工理念比較實(shí)用，有助于保證巷道施工安全。

(3)巷道開(kāi)挖沿縱向主動(dòng)壓力區(qū)大致處在25 m范圍左右。對(duì)于同一斷面，頂板的錨桿軸力最大，依次為肩部、腰部，說(shuō)明巷道開(kāi)挖對(duì)頂板的影響較大。

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Researchonpre-groutingcompoundsupporttechnologyforsoftrockroadwayinfaultfracturezone

Kang Yanqing1,2

(1. College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China; 2. Management Division of Mine Construction, Datong Coal Mine Group Co., Ltd., Datong, Shanxi 037003, China)

Aiming at difficulties in solving stability of soft rock roadway, taking Nanyangpo Mine located in the regional tectonic fault zone as an example, the new technology of pre-grouting compound support was proposed, and establishing the construction concept of investigating first, prior stabilization, constructing afterwards, reinforcing strongly, multi insurance, focusing on measuring detection, feedback precisely, re-optimization. Then the grouting material and anchor specification were analyzed, and the feasibility was verified by anchor axial force detection and rock deformation monitoring. The results showed that pre-grouting compound support technology with anchor-net-spray & U-type steel frame can control axial force and rock deformation effectively. The new construction idea was useful to keep roadway construction safe. Polyurethane non-water-soluble grouting materia was better to solve the permeation and strength of soft rock. The active pressure area along longitude of roadway was about 25 m, and its influence on roof was more apparent.

soft rock roadway, grouting, anchor-net-spray, compound support

國(guó)家杰出青年基金資助項(xiàng)目(51225404)，“三晉學(xué)者”支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013)

亢燕卿. 斷層破碎帶軟巖巷道預(yù)注漿復(fù)合支護(hù)技術(shù)研究 [J]. 中國(guó)煤炭，2017,43(10)：45-49，95.

Kang Yanqing. Research on pre-grouting compound support technology for soft rock roadway in fault fracture zone [J]. China Coal，2017,43(10)：45-49，95.

TD822 TD263

A

亢燕卿(1985-)，男，山西原平人，碩士，工程師。主要從事礦井地質(zhì)和安全管理研究工作。

(責(zé)任編輯 陶 賽)