孫疃煤礦復(fù)合破碎軟巖大斷面巷道破壞機(jī)理與支護(hù)對策

劉 偉

(淮北礦業(yè)集團(tuán)公司孫疃煤礦，安徽 淮北 235121)

1 概述

孫疃煤礦南翼軌道大巷及南總回風(fēng)巷(F10斷層至F28斷層段，長約1500m)，因地質(zhì)勘探資料的不準(zhǔn)確及四條大斷層：F10( ∠60～70° H=0～90m)、DF81( ∠60° H=0～25m)、DF114( ∠70° H=0～30m)、F28( ∠50～70° H=0～28m)的影響，造成南翼軌道大巷及南總回風(fēng)巷多次穿7、8煤層組。該段兩條大巷基本上布置在7煤層頂板以上10m至8煤底板以下20m。

因兩條大斷層以及諸多小斷層的切割、張拉、牽引影響，巷道圍巖裂隙、滑面發(fā)育，圍巖非常破碎，強(qiáng)度低，極易風(fēng)化、泥化。7、8煤層均由多層煤及數(shù)層泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸組成。7煤層頂板以泥巖、粉砂巖為主，7、8煤層組之間雖然以粉、細(xì)砂巖為主，但膠結(jié)性差，8煤層底板以下30m范圍內(nèi)，主要為泥巖、鋁質(zhì)泥巖，且7、8煤層頂板砂巖有較弱的含水性。

南翼軌道大巷原采用錨架噴聯(lián)合支護(hù)，局部軟底段采用馬蹄形全封閉U型鋼支護(hù)。支護(hù)工藝如下：放炮→掛網(wǎng)并施工頂板錨桿、錨索、打上部炮眼→初噴頂部→上頂梁、側(cè)梁并過頂→出矸并清底→掛網(wǎng)并施工幫部錨桿、下部炮眼→初噴幫部→栽腿子并腰幫→噴漿封閉棚子→滯后注漿

巷道出現(xiàn)嚴(yán)重的受壓破壞，主要表現(xiàn)為：兩幫嚴(yán)重內(nèi)擠(最大兩幫移進(jìn)量1450mm)、棚腿內(nèi)扎、底臌(多次挖底，最大底臌量2m以上)、底拱翻起、棚子尖頂、平頂、卡纜崩斷，巷道破壞。情況如圖1所示。

2 巷道破壞機(jī)理分析

2.1 破壞機(jī)理

孫疃煤礦南翼軌道大巷因斷層影響及巷道所穿過圍巖特征，決定著南翼軌道大巷變形、破壞和失穩(wěn)定原因是多方面的。物化膨脹類、應(yīng)力擴(kuò)容類、結(jié)構(gòu)變形類三類軟巖變形力學(xué)機(jī)制同時存在，是復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制。

錨噴支護(hù)與套架U型棚支護(hù)的不耦合性。因U型棚壁后沒有得到有效充填，使錨噴支護(hù)與U型棚支護(hù)不能同步承載，U型棚的能效承載能力得不到有效發(fā)揮，在巷道內(nèi)來壓變形、關(guān)鍵部位(如底板、幫角等)破壞后，造成支架不均勻承載而破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整個支護(hù)系統(tǒng)的大變形、破壞。

因斷層構(gòu)造的影響，巷道圍巖裂隙、滑面發(fā)育，圍巖破碎、強(qiáng)度低，巖層在巷道開挖后，應(yīng)力狀態(tài)從三維向二維轉(zhuǎn)變，在構(gòu)造應(yīng)力的作用下，發(fā)生破壞而產(chǎn)生非線性彈塑性變形。而由于支護(hù)的不耦合性，造成臨空的塑性區(qū)隨變形加大而出現(xiàn)松動破壞，隨著圍巖松動圈的進(jìn)一步擴(kuò)大，圍巖的自承能力越來越低。

2.2 原支護(hù)方案存在的問題

(1)因圍巖非常松軟破碎、圍巖裂隙、滑面發(fā)育，以及反復(fù)穿煤層施工，放炮成型不好，加上錨桿、錨索施工過程中的圍巖的片落，放炮后緊跟迎頭施工錨桿、錨索，錨桿、錨索的施工質(zhì)量難以得到保證，頻繁發(fā)生錨桿外露長，蓋板及鋼筋網(wǎng)不貼巖面，錨桿、錨索初錨力、錨固力達(dá)不到要求的現(xiàn)象；且錨桿、錨索、初噴漿等工程在棚子后面，均為隱蔽工程，不便對工程質(zhì)量的監(jiān)督和管理。錨桿、錨索主動支護(hù)的作用得不到有效的實現(xiàn)，不能通過錨桿、網(wǎng)、索的相互作用，防止圍巖的進(jìn)一步松動破壞，充分發(fā)揮圍巖自身的穩(wěn)定性和支撐作用。

(2)錨桿、錨索與棚子相互獨(dú)立，棚后沒有得到有效的充填，棚后空，錨桿(索)與U型棚不能夠共同整體承載。

(3)圍巖注漿補(bǔ)強(qiáng)不及時，圍巖裂隙沒有得到充填，松散、破碎圍巖沒有得到有效的固結(jié)，沒有充分發(fā)揮圍巖自身的穩(wěn)定性和支撐作用。

(4)錨桿、錨索施工在迎頭無支護(hù)的條件下進(jìn)行，容易片幫、掉頂傷人。施工安全環(huán)境不好，施工工藝均集中在迎頭進(jìn)行，施工人員、機(jī)具集中，不利安全管理和平行作業(yè)。

3 支護(hù)對策

3.1 支護(hù)對策

針對巷道破壞機(jī)理及原支護(hù)方案存在的問題，提出如下支護(hù)對策：

(1)最大限度的利用和調(diào)動圍巖的自承能力，實現(xiàn)圍巖穩(wěn)定。通過錨桿、錨索支護(hù)和圍巖注漿的作用，改善圍巖的力學(xué)性能，強(qiáng)化支護(hù)圍巖結(jié)構(gòu)。通過對巷道圍巖及時噴漿封閉和圍巖注漿，防止巷道圍巖風(fēng)化、泥化，實現(xiàn)錨桿為主的主動支護(hù)。

(2)允許巷道圍巖在開挖初期的彈、塑性能的釋放，但同時又限制的塑性變形，防止松動破壞。合理確定最佳支護(hù)時段，在巷道塑性變形增加速度變緩而又沒有松動破壞前，及時支護(hù)。

(3)在圍巖與支護(hù)體共同作用過程中，實現(xiàn)支護(hù)體與圍巖的一體化、荷載的均勻化。

(4)加強(qiáng)關(guān)鍵部位的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，防止因關(guān)鍵部位的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整個支護(hù)系統(tǒng)的失穩(wěn)。

(5)采用動態(tài)分步加固、過程控制技術(shù)，對支護(hù)參數(shù)及時進(jìn)行調(diào)整，決定采用架噴注錨注動態(tài)聯(lián)合加固支護(hù)技術(shù)。

3.2 支護(hù)參數(shù)

(1)支架采用五節(jié)直墻半圓拱U36型鋼棚支護(hù)，凈寬×凈高=5200mm×4100mm，側(cè)腿外扎角為87°；棚距600mm，梁腿搭接長度500mm，每個搭接處用3副限位卡纜緊固連接；柱鞋規(guī)格：長×寬×厚=200mm×200mm×10mm；腰幫背頂采用鋼筋笆，鋼筋直徑10mm，網(wǎng)孔規(guī)格：100mm×90mm。

(2) 錨桿采用GM20/2800-570mm高強(qiáng)錨桿，錨桿間距為800mm、排距600mm；在巷道頂板布置3套YMS17.8/6.3-1860錨索，錨索間距2000mm、排距1800mm；每根錨桿采用兩卷Z2550型樹脂藥卷加長錨固，錨索使用一卷K2550和三卷Z2550型樹脂藥卷加長錨固。

(3)淺孔注漿錨桿只布置在巷道拱基線以上，在迎頭頂部噴漿前預(yù)埋，長度為1.2m，間1500mm、排距1200mm，注漿滯后掘進(jìn)迎頭5～8m施工(緊跟前探梁后)，注漿壓力1.0MPa，注漿采用P.O.425硅酸鹽水泥，水灰比0.85～1.0。注漿順序：從拱基線眼孔開始注漿，依次向上把棚后空隙充填實。

(4)深孔強(qiáng)化注漿。根據(jù)礦壓觀測決定是否進(jìn)行深孔強(qiáng)化注漿；每斷面7孔布置，排距1800mm，間距1800mm，均勻布置，兩幫最下一根注漿錨桿開孔至巷道底不大于300mm，并向下扎30°，注漿壓力為3MPa；注漿錨桿長度2600 mm，4分鋼管制成，鋼管底端砸扁并擰成麻花狀(長度200mm)，錨桿底部采用一卷Z2550型樹脂藥卷錨固；注漿滯后耙矸機(jī)，距迎頭80m左右實施。

(5)鎖腿卡纜及鎖腿錨桿。每一架U型棚底板以上400mm位置進(jìn)行鎖腿(鎖腿錨桿與幫部最下一根支護(hù)錨桿二合一)。并在兩幫底角底板以上100mm，按間距600mm增加護(hù)底錨桿，錨桿規(guī)格同上，錨桿下扎角25°。

(6)巷道底板、幫部圍巖松軟破碎、易膨脹時，在兩幫底板以上800mm處，按間距1800mm增加一根幫部錨索，錨索規(guī)格為YMS17.8/4.5-1860，每根錨索使用一卷K2550和三卷Z2550型樹脂藥卷。

(7)架棚后初噴120mm厚C20砼，要求封閉U型棚襠且棚后不少于90mm的噴厚墊層。復(fù)噴80mm。

3.3 支護(hù)工藝

從2008年四季度開始，南翼軌道大巷改用架噴注錨注動態(tài)聯(lián)合加固支護(hù)技術(shù)。支護(hù)工藝如下：放炮→上頂梁、側(cè)梁并過頂→預(yù)埋淺孔注漿錨桿→噴頂部并對棚后進(jìn)行充填→施工上部炮眼→出矸并清底→栽腿子、腰幫→噴幫部，并對棚后進(jìn)行充填→施工下部炮眼，滯后迎頭三棚施工幫部錨桿及鎖腿錨桿，淺孔注漿滯后掘進(jìn)迎頭5～8m施工(緊跟前探梁后)。淺孔注漿一個圓班后，兩個圓班內(nèi)施工頂部錨桿、錨索、預(yù)埋頂部深孔注漿錨桿(滯后迎頭8～12m施工)，耙矸機(jī)后補(bǔ)打幫部深孔注漿錨桿及鎖底錨桿、復(fù)噴漿、深孔高壓注漿補(bǔ)強(qiáng)。

3.4 支護(hù)時段

相關(guān)文獻(xiàn)表明，在掘進(jìn)工作面到其后方5m范圍內(nèi)，頂?shù)装遄冃窝杆侔l(fā)展，相對移近量較大；在掘進(jìn)后方5～10m范圍內(nèi)，相對移近量增加速度變緩；在掘進(jìn)工作面后方10～15m范圍內(nèi)，相對移近量增加緩慢，圍巖變形逐漸趨于相對穩(wěn)定?；诖耍⒖紤]到施工的方便，爆破后架棚噴漿充填幫頂，滯后迎頭三棚施工幫部錨桿及鎖腿錨桿，滯后迎頭8～12m施工頂部錨桿、錨索，滯后迎頭約80m進(jìn)行深孔高壓注漿補(bǔ)強(qiáng)。

4 支護(hù)原理分析

(1)初噴及時并對U型棚后進(jìn)行噴漿充填，封閉、粘結(jié)了破碎圍巖，保持了圍巖的相對完整性，防止了圍巖進(jìn)一步風(fēng)化、泥化。

(2)架噴錨注聯(lián)合支護(hù)因棚后的噴漿充填并配合淺孔注漿進(jìn)一步充填棚后及淺表裂隙，實現(xiàn)支護(hù)體與圍巖的一體化、荷載的均勻化，充分發(fā)揮了U型棚的承載性能，實現(xiàn)了圍巖在錨桿、錨索、U型棚聯(lián)合支護(hù)下的共同高阻讓壓。

(3)明錨施工，避免了因圍巖破碎、放炮成型不好，或錨桿、錨索施工過程中的松散破碎圍巖的片落而造成的錨桿、錨索蓋板不貼巖面的問題，便于對錨桿、錨索施工質(zhì)量的監(jiān)督和管理，充分發(fā)揮了錨桿、錨索的主動支護(hù)作用，調(diào)動了圍巖自身的穩(wěn)定性和支撐作用。

(4)通過調(diào)整支護(hù)工藝及工序安排，架噴錨注聯(lián)合支護(hù)允許巷道剛開挖時圍巖在U型可縮支架及棚后充填的限制下彈性能施放，給巨大的塑性能釋放時間，使應(yīng)力集中區(qū)從巖壁向縱深適當(dāng)偏移，但同時在變形速度變緩后及時采用錨桿、錨索主動支護(hù)，限制圍巖無限制的塑性變形至松動破壞。

(5)鎖腿錨桿及鎖腿卡纜的使用，使錨桿與U型棚有效的形成一個支護(hù)整體，錨桿(索)與U型棚整體承載。

(6)深孔高壓注漿，充填圍巖松動圈裂隙，改變圍巖的松散結(jié)構(gòu)，提高粘聚力和內(nèi)摩擦角，增加裂隙面的摩擦阻力，提高圍巖的整體性，從而提高圍巖的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和自承能力。注漿后，對于含水裂隙來說還能起到堵水作用，防止圍巖泥化。

5 施工要點(diǎn)

(1)光面爆破是前提，首先要做好光面爆破；棚后的充填是關(guān)鍵，必須加強(qiáng)棚后充填質(zhì)量的監(jiān)督和管理。

(2)注漿錨桿要進(jìn)行編號，嚴(yán)格按編號順序注漿，并做好注漿記錄。注漿要設(shè)專人進(jìn)行監(jiān)督、記錄，并打檢驗孔采用頂板窺視儀進(jìn)檢查，以確保注漿質(zhì)量。

(3)每個施工工序，要按設(shè)計進(jìn)行緊密銜接，不能滯后也不能超前。

(4)細(xì)節(jié)的質(zhì)量控制也非常重要，要加強(qiáng)每個施工環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制。

6 支護(hù)效果

采用架噴注錨注聯(lián)合支護(hù)后，對巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵七M(jìn)量進(jìn)行了觀測。巷道的受壓變形得到了有效的控制，巷道變形量很小，整體支護(hù)狀況良好，兩幫最大移近量170mm，頂?shù)装遄畲笠平?0mm，支護(hù)成本也得到了降低。

7 結(jié) 論

(1)揭示了復(fù)合破碎軟巖大斷面巷道破壞機(jī)理。因?qū)O疃煤礦南翼軌道大巷的復(fù)合破碎大斷面巷道的復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制，因原支護(hù)錨噴支護(hù)與套架U型棚支護(hù)的不耦合性，以及沒有采取有效措施充分發(fā)揮圍巖自身的穩(wěn)定性和支撐作用，導(dǎo)致整個支護(hù)系統(tǒng)的大變形、破壞。

(2)復(fù)合破碎軟巖大斷面巷道的支護(hù)，必須與巷道圍巖力學(xué)特征相適應(yīng)，才能保持巷道圍巖的穩(wěn)定性。本文提出了架噴注錨注動態(tài)聯(lián)合加固支護(hù)技術(shù)對策，通過采取及時支護(hù)封閉圍巖、棚后充填、高阻讓壓、讓支結(jié)合、最佳支護(hù)時段、深孔高壓注漿加固等措施，來適應(yīng)復(fù)合破碎軟巖大斷面巷道圍巖力學(xué)特征。

(3)實踐證明，架噴注錨注支護(hù)技術(shù)，通過架錨的剛?cè)狁詈吓c圍巖的深孔高壓注漿加固的結(jié)合，是控制復(fù)合破碎軟巖大斷面巷道變形破壞的有效方法，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 何滿潮，孫曉明．中國煤礦軟巖巷道工程支護(hù)設(shè)計與施工指南[M]．北京：科學(xué)出版社，2004．