山西某煤礦巷道圍巖注漿加固技術(shù)研究

張 鵬

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454100； 2.山西小回溝煤業(yè)有限公司，山西 太原 030400)

山西某煤礦為建設(shè)礦井，煤層頂?shù)装宥酁閺?fù)合巖層，巖石較為破碎。礦井區(qū)域?qū)?yīng)地面山嶺起伏，厚度變化大，礦井一水平大巷西翼埋深超過700 m，后續(xù)延伸大巷埋深將繼續(xù)加大。巷道斷面為直墻半圓拱形，由于埋藏深、圍巖條件差、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，已掘部分巷道和硐室圍巖破壞嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為強(qiáng)烈底鼓、兩幫移近和頂板下沉，巷道淺部圍巖破壞嚴(yán)重。巷道圍巖破壞深度較深，尤其以采區(qū)變電所最為嚴(yán)重。第一次巷道加固現(xiàn)場采取“刷幫、拉底、補(bǔ)打錨桿索”的方式對發(fā)生嚴(yán)重破壞的巷道圍巖進(jìn)行修復(fù)，但效果不佳。為確保采區(qū)變電所修復(fù)效果，特針對礦井圍巖變形破壞現(xiàn)狀及已有修復(fù)工程施工狀況，對礦井大巷圍巖修復(fù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 現(xiàn)有巷道修復(fù)狀況與存在問題分析

1.1 圍巖破壞與修復(fù)狀況

采區(qū)變電所布置在回風(fēng)大巷與輔運(yùn)大巷之間的煤柱中(圖1)，受附近地質(zhì)構(gòu)造和埋深影響，出現(xiàn)底鼓和幫部開裂現(xiàn)象，巷道破壞長度約80 m. 目前，完成頂幫錨索加固、起底和噴漿成巷工作。

圖1 采區(qū)變電所平面位置圖

首次巷道修復(fù)主要存在以下問題：

1) 頂幫刷擴(kuò)時(shí)存在圍巖松動范圍大、刷擴(kuò)易垮落、錨桿索安裝困難等問題。經(jīng)現(xiàn)場測量，圍巖松動深度平均達(dá)2.5 m，多數(shù)錨桿失效，錨索安裝困難[1]. 受周圍小型褶曲、向斜背斜產(chǎn)出頻繁、伴生小斷層發(fā)育以及陷落柱、煤柱寬度小的綜合因素影響，巷道破壞較為嚴(yán)重。

2) 巷道直接刷擴(kuò)施工，易造成斷面超寬超高，大巷間煤柱壓力進(jìn)一步增大，不利于巷道圍巖的穩(wěn)定。

3) 直接刷擴(kuò)破碎圍巖的方式在施工過程中對鄰近巷道擾動明顯，易造成鄰近巷道破碎圍巖突然垮落。

1.2 巷道圍巖結(jié)構(gòu)觀測

采用數(shù)字式全景窺視儀對巷道修復(fù)區(qū)域進(jìn)行了圍巖結(jié)構(gòu)觀測[2-3].在采區(qū)變電所附近的一號回風(fēng)大巷和輔運(yùn)大巷區(qū)域共打設(shè)鉆孔15個(gè)，其中有7個(gè)鉆孔由于修復(fù)段淺部圍巖極其破碎，塌孔嚴(yán)重，造成鉆孔窺視探頭無法獲取鉆孔圖像。塌孔深度集中在鉆孔開口至1.5～2.0 m.

鉆孔窺視在未出現(xiàn)塌孔的鉆孔中進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)觀測，為加固方案提供了依據(jù)。輔運(yùn)大巷選取采區(qū)變電所附近3個(gè)鉆孔能獲得圍巖結(jié)構(gòu)圖像的鉆孔窺視結(jié)果，選取部分鉆孔典型區(qū)段特征見圖2.

圖2 采區(qū)變電所開口東15 m幫部窺視結(jié)果圖

由圖2可以看出：所測區(qū)域巷道圍巖普遍破碎嚴(yán)重，兩幫破碎深度達(dá)到4 m以上，多數(shù)鉆孔2.5 m范圍內(nèi)圍巖極其破碎，見圖2a)、2b)、2c)；巷道頂板圍巖普遍松軟破碎，鉆孔淺部圍巖破壞深度在4～5 m，鉆孔深部圍巖雖然結(jié)構(gòu)相對完整，但普遍存在明顯鉆痕，說明圍巖較為軟弱，見圖2d).

1.3 礦井巷道破壞原因分析

通過現(xiàn)場調(diào)查、地質(zhì)資料對比分析，判斷巷道出現(xiàn)破壞嚴(yán)重的原因主要有以下4個(gè)方面：

1) 深部地壓大，支護(hù)參數(shù)與圍巖應(yīng)力不匹配。采區(qū)變電所等破壞嚴(yán)重區(qū)域主要集中在埋深600～700 m的區(qū)域。隨著埋深的增加，支護(hù)強(qiáng)度未及時(shí)合理調(diào)整，是造成巷道破壞的主要原因[3].

2) 地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域，圍巖結(jié)構(gòu)破碎、承載力低，巷道圍巖破壞嚴(yán)重，嚴(yán)重區(qū)域主要集中在斷層、陷落柱、向斜構(gòu)造軸部，表現(xiàn)為圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、巷道壓力明顯增大。

3) 采區(qū)變電所煤柱應(yīng)力集中，掘進(jìn)擾動明顯，附近巷道破壞嚴(yán)重。一號回風(fēng)大巷與輔運(yùn)大巷間凈煤柱寬度34 m，中間又設(shè)置采區(qū)變電所，由此造成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、整體維護(hù)難度大。礦井大巷寬度均為6 m，雖然采取自穩(wěn)能力較強(qiáng)的拱形斷面，但是巷道幫部均是圍巖強(qiáng)度較低、承載能力差的半煤巖，加之初始支護(hù)參數(shù)中巷幫支護(hù)強(qiáng)度低，造成巷幫最先出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，進(jìn)而引起頂板破壞。

2 巷道修復(fù)方案與關(guān)鍵參數(shù)

為確保礦井永久大巷的整體穩(wěn)定性，提高破碎圍巖的抗動壓擾動能力，分別對采區(qū)變電所及相鄰的回風(fēng)大巷、輔運(yùn)大巷進(jìn)行圍巖注漿。注漿的目的是充填圍巖體內(nèi)部裂隙，將破碎巖體進(jìn)行重新組合，盡量恢復(fù)成完整的圍巖承載結(jié)構(gòu)，提高圍巖的承載能力[4-6].同時(shí)，在恢復(fù)破碎圍巖完整性的基礎(chǔ)上進(jìn)行錨桿索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，有利于錨桿錨索主動支護(hù)應(yīng)力在圍巖中的擴(kuò)散[7-9].

步驟如下：

1) 封閉巷道圍巖。圍巖注漿前，對原混凝土噴層開裂位置進(jìn)行水泥漿堵漏或重新噴射混凝土，封閉裸露圍巖。

2) 圍巖注漿加固。打設(shè)注漿孔，進(jìn)行注漿加固。注漿孔布置：間排距2 m×2 m，“五花”布置?？咨钆c孔徑：深度8 m，孔徑56 mm. 注漿壓力：根據(jù)圍巖漿液擴(kuò)散狀況和注漿量調(diào)整注漿壓力，一般控制在2 MPa左右。注漿順序：按照“從下到上，先幫后頂”的順序逐排逐孔注漿。若遇臨近鉆孔漏漿、跑漿嚴(yán)重時(shí)，采取隔排或隔孔注漿的方式，確保注漿效果。注漿材料：水泥漿，添加流動劑。

3) 錨索加強(qiáng)支護(hù)。因?yàn)樵桨敢堰M(jìn)行錨桿支護(hù)，因此在注漿加固的基礎(chǔ)上，將巷道斷面刷擴(kuò)至設(shè)計(jì)尺寸，并采取“局部鋪網(wǎng)、補(bǔ)打錨索”的方式加強(qiáng)支護(hù)。規(guī)格：選用d22 mm，1×19股煤礦專用鋼絞線，長度6 300 mm，鉆孔d 30 mm，300 mm×300 mm×16 mm可調(diào)心托板。布置：全斷面補(bǔ)打錨索，幫部底腳錨索距底板距離不大于500 mm，垂直巷道表面打設(shè)。錨索成排布置，間排距1.0 m×1.2 m. 預(yù)緊力：設(shè)計(jì)張拉力不低于250 kN. 外露長度：200～250 mm. 噴漿成巷：對修復(fù)后的巷道變形進(jìn)行礦壓觀測，待圍巖穩(wěn)定后進(jìn)行噴漿成巷。

3 巷道礦壓觀測與加固效果評價(jià)

礦井大巷修復(fù)完成后，對巷道進(jìn)行了礦壓監(jiān)測，了解巷道圍巖穩(wěn)定狀況，以判斷巷道修復(fù)效果。監(jiān)測內(nèi)容主要包括以下方面：

1) 巷道表面位移監(jiān)測。

采用“十字布點(diǎn)法”安設(shè)表面位移監(jiān)測斷面，分別對變電所頂板下沉、底鼓、左右?guī)鸵平窟M(jìn)行觀測。經(jīng)監(jiān)測，頂板最大下沉量2 mm，兩幫移近量3 mm，底鼓3 mm.

2) 注漿效果觀測。

在巷道圍巖注漿完成后，對圍巖內(nèi)部漿液擴(kuò)散狀況進(jìn)行觀測，采用鉆孔窺視的方式對采區(qū)變電所進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)觀測[2]，巷道內(nèi)部裂隙已充滿漿液，圍巖基本完整，注漿效果良好，加固方案合理。

另外，對局部圍巖節(jié)理裂隙注漿效果差的區(qū)域進(jìn)行了二次注漿加固，確保了巷道破碎圍巖體的加固效果。

4 結(jié) 論

1) 注漿加固是確保大巷修復(fù)工程效果的基礎(chǔ)，也是保證加固工程質(zhì)量和效果的關(guān)鍵。當(dāng)圍巖破碎不利于錨桿支護(hù)時(shí)，漿液注入破碎圍巖后充填圍巖內(nèi)部裂隙，并對開裂破壞的圍巖進(jìn)行膠結(jié)，使圍巖內(nèi)部形成的裂隙消失，圍巖恢復(fù)為具有完整結(jié)構(gòu)的連續(xù)體，使破碎圍巖的可錨性顯著增強(qiáng)，以便于錨桿施加有效的預(yù)應(yīng)力。

2) 單一的圍巖注漿不能有效控制破碎圍巖的長期蠕變及進(jìn)一步破壞。因?yàn)樽{并未改變圍巖的應(yīng)力條件，在高應(yīng)力環(huán)境下，圍巖自身、裂隙面與漿液結(jié)石體間容易發(fā)生二次開裂破壞。因此必須在恢復(fù)破碎圍巖完整性、提高圍巖承載能力的基礎(chǔ)上，進(jìn)行錨網(wǎng)索加強(qiáng)支護(hù)。

3) 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)加固的目的是在破碎圍巖恢復(fù)連續(xù)性后，對其施加足夠的預(yù)應(yīng)力，使注漿后的圍巖具有較強(qiáng)的承載能力，阻止圍巖再次破壞，確保加固后的巷道圍巖長期穩(wěn)定。