軟巖大變形破壞巷道修復(fù)治理研究

馬壟翔，朱師波，柳 霖，武文越

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010;2.中國(guó)平煤神馬集團(tuán)平煤股份一礦，河南 平頂山 467000)

當(dāng)前我國(guó)煤礦巷道支護(hù)中，以軟巖為主的巷道比例占到總數(shù)的10%以上。在軟巖內(nèi)布置巷道，巷道開(kāi)挖后圍巖變形速度快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、變形量大、巷道易產(chǎn)生底鼓、穩(wěn)定性差、極難維護(hù)［1］。因此，軟巖巷道支護(hù)問(wèn)題成為煤礦安全生產(chǎn)亟待解決的難題［2］。

1 工程概況

1.1 巷道工程地質(zhì)概況

郁山煤礦－220 m水平軌道大巷為該礦北翼主要運(yùn)輸巷道，擔(dān)負(fù)著郁山井田北翼采區(qū)煤炭回采時(shí)的通風(fēng)、煤炭運(yùn)輸、行人運(yùn)料的任務(wù)。該區(qū)揭露的含煤地層自上而下依次為二疊系上統(tǒng)上石盒子組，厚146.40 ～218.55 m，平均厚 193.95 m;二疊系下統(tǒng)下石盒子組，厚 271.45 ～292.27 m，平均厚 277.92 m;二疊系下統(tǒng)山西組，厚 73.14～102.84 m，平均厚85.66 m;石炭系上統(tǒng)太原組，厚 24.46 ～35.74 m，平均厚28.04 m;石炭系上統(tǒng)本溪組，厚 4.69 ～16.61 m，平均厚8.46 m。

該軌道大巷為穿層巷道，穿過(guò)的巖層主要有泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等，巖石強(qiáng)度低，遇水易軟化，地層構(gòu)造復(fù)雜。巷道原支護(hù)技術(shù)為錨桿+金屬網(wǎng)+U型鋼可縮性金屬支架等聯(lián)合支護(hù)的方式，斷面形狀為直墻半圓拱形，斷面尺寸為3.4 m×3.3 m，凈斷面積12.8 m2，錨桿間排距700 mm ×700 mm，巷段部分地段采用錨索加強(qiáng)支護(hù)。

1.2 巷道圍巖組分分析

根據(jù)研究需要，在東翼運(yùn)輸大巷進(jìn)行取樣，采用日本理學(xué)(Rigaku)公司生產(chǎn)的D/Max－3B型Х射線衍射儀進(jìn)行X射線衍射實(shí)驗(yàn)，衍射圖譜見(jiàn)圖1。

圖1 樣品X－射線衍射圖譜

X射線衍射結(jié)果分析:郁山煤礦巖樣為一般常見(jiàn)礦物，樣品主要成分是高嶺石，有中等含量的石英、伊利石或伊蒙混層等礦物，含少量蒙脫石，具有一定的膨脹性。從以上分析結(jié)果可以得出，該巷道圍巖巖性具有明顯的軟巖物理特征。

2 巷道圍巖變形破壞機(jī)理分析

1)巷道圍巖巖性差。

巷道圍巖強(qiáng)度低且層理發(fā)育，該軌道大巷為穿層巷道，穿過(guò)的巖層主要有泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等，巖石強(qiáng)度低，遇水易軟化，地層構(gòu)造復(fù)雜。根據(jù)圍巖礦物組分實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果可知，圍巖中礦物具有一定的膨脹性。由于圍巖中主要礦物成分為高嶺石，因此，圍巖遇水易泥化崩解，使得圍巖強(qiáng)度顯著降低。尤其在巷道圍巖為泥巖和炭質(zhì)泥巖中，巷道變形最為嚴(yán)重。

2)巷道圍巖受水理作用影響明顯。

由于東大巷涌水量較大，巷道圍巖層理裂隙較發(fā)育而形成導(dǎo)水通道，同時(shí)圍巖中含有大量親水性礦物，使得巷道圍巖受水的侵蝕泥化、崩解、膨脹現(xiàn)象嚴(yán)重，從而進(jìn)一步加劇了巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)的惡化。

3)巷道支護(hù)形式不合理、支護(hù)強(qiáng)度弱。

東大巷原支護(hù)采用錨網(wǎng)棚支護(hù)，圍巖變形破壞后采用U型鋼可縮性支架架棚支護(hù)。由于巷道圍巖軟弱，層理裂隙發(fā)育，受到采動(dòng)影響后，圍巖塑性區(qū)范圍大，錨桿的錨固段受到破壞，錨固力降低，從而導(dǎo)致錨桿支護(hù)失效;受到水的影響后，圍巖變形進(jìn)一步加大。采用U型鋼棚支護(hù)后，不重視壁后充填，使得U型鋼棚受力不均，在局部受到集中載荷作用下，支架承載能力大幅度降低，不能有效控制圍巖的破壞變形。由于未能有效維護(hù)巷道底板，巷道兩幫和兩底角應(yīng)力集中程度大，引起巷道底板鼓起，兩幫角嚴(yán)重內(nèi)移，又進(jìn)一步降低了U型鋼支架的承載能力。

3 修復(fù)方案的確定

根據(jù)上述對(duì)該巷道破壞機(jī)理分析，提出了巷道修復(fù)方案:

1)適當(dāng)刷大巷道斷面，預(yù)留變形量。

2)初噴及時(shí)封閉圍巖，提高圍巖的表面強(qiáng)度并消除環(huán)境效應(yīng)對(duì)圍巖強(qiáng)度的影響。

3)背網(wǎng)架設(shè)馬蹄形U型鋼可縮性支架優(yōu)化巷道斷面，并有控制地釋放圍巖中的變形能。

4)采用錨注技術(shù)實(shí)施金屬支架壁后充填，并對(duì)圍巖內(nèi)部和表面的裂隙進(jìn)行充填，提高圍巖自身承載結(jié)構(gòu)的整體性，改善支架的受力狀態(tài)。

5)實(shí)施錨索梁對(duì)巷道關(guān)鍵部位進(jìn)行加固，從根本上控制巷道的流變變形，維護(hù)巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

4 修復(fù)方案的實(shí)施

4.1 巷道斷面參數(shù)的確定

巷道斷面形狀設(shè)計(jì)為馬蹄形，斷面設(shè)計(jì)凈寬4.6 m，凈高3.8 m，斷面擴(kuò)刷后噴射混凝土密貼封閉圍巖。混凝土強(qiáng)度為C20、漿液配比水泥∶砂∶石子∶水=1∶2∶2∶0.6，噴漿前先清理圍巖表面，然后再進(jìn)行噴漿作業(yè)。馬蹄形棚各段弧首尾連接，受力結(jié)構(gòu)合理，能有效地將圍巖的殘余應(yīng)力分解傳遞到其自身的承載結(jié)構(gòu)中，易于保持棚子均衡受力和巷道穩(wěn)定。

4.2 支護(hù)參數(shù)

4.2.1 馬蹄形全封閉式U型鋼支架參數(shù)

巷道支護(hù)采用29U大剛度馬蹄形全封閉金屬支架，每棚支架由4部分搭接而成，每節(jié)之間搭接500 mm，搭接處用2副卡纜固定?？ɡ|采用雙槽板卡纜，槽板厚23 mm、卡纜螺桿為M27。架設(shè)棚距為650 mm，支架間用6個(gè)拉桿連接，分別位于架頂、架肩、底梁腿連接處、底梁中間。每棚的頂幫用d6 mm鋼筋制成的鋼筋網(wǎng)背嚴(yán)，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為2000 mm×800 mm，網(wǎng)格規(guī)格為70 mm×70 mm。全封閉馬蹄形29U型鋼支架加工圖見(jiàn)圖2。

圖2 馬蹄形29U全封閉金屬支架加工圖

4.2.2 底板反拱混凝土澆注并錨注錨索支護(hù)參數(shù)

對(duì)巷道底板進(jìn)行開(kāi)挖，使其形成反拱結(jié)構(gòu)。反拱半徑為3101 mm，反拱最大深度為1200 mm。底板反拱澆注混凝土，澆注800 mm后，再采用2根錨索進(jìn)行錨注支護(hù)。錨索規(guī)格為鋼絞線規(guī)格d1530 mm×6300 mm，眼深6 m，排距1.5 m。注漿錨桿先注漿，錨桿d15 mm，長(zhǎng)800 mm;封孔可采用空心水泥卷或樹(shù)脂藥卷密實(shí)，封孔深度0.8 m。注漿最大壓力為2.5 MPa。待張拉完畢，混凝土回填400 mm(反拱最大深度)并留設(shè)水溝。

4.2.3 注漿及支架加強(qiáng)錨索支護(hù)參數(shù)

1)巷道注漿采用長(zhǎng)短孔交替循環(huán)注漿，注漿孔排距700 mm。長(zhǎng)孔深為3500 mm，短孔深度為1000 mm。注漿順序?yàn)?先注短孔，后注長(zhǎng)孔，先下后上，先底腳、后兩幫、再肩窩、最后注正頂，注漿液為標(biāo)號(hào)525 的硫鋁酸鹽快硬水泥，水灰比 0.85 ～1.0［3］。長(zhǎng)短孔分別采用長(zhǎng)度為3000 mm和800 mm的注漿錨桿進(jìn)行注漿，注漿壓力為1～1.5 MPa，成品巷道堅(jiān)持灑水養(yǎng)護(hù)14 d。

2)漿液凝固達(dá)到錨固力設(shè)計(jì)要求后，巷道采用錨索梁加強(qiáng)支護(hù)，見(jiàn)圖3所示。巷道兩幫分別采用2道(排)走向錨索梁加強(qiáng)支護(hù)，頂部1道(排)。巷道兩側(cè)下幫錨索向下30°～45°布置，上幫錨索向上斜10°～15°布置。兩幫錨索間距1100 mm，最下1根錨索距離底板600 mm布置，排距1000 mm，幫錨索排間用礦用工字鋼連接。11號(hào)礦用工字鋼，長(zhǎng)度2000 mm，眼距1000 mm，每副錨索梁工字鋼壓4副U棚。鋼絞線規(guī)格d17.8 mm×7300 mm，眼深7 m，排距1 m，每孔采用7節(jié)樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固。使用錨桿測(cè)力計(jì)MS15－230/55張拉器測(cè)量每根錨索，讀數(shù)不得小于 22.6 MPa。

圖3 架、注、錨整體施工參數(shù)布置示意圖

5 支護(hù)效果

北翼軌道大巷修復(fù)巷道長(zhǎng)165 m，共布置3個(gè)測(cè)站，測(cè)站間隔50 m。該巷道從2011年12月15日起進(jìn)行礦壓觀測(cè)，共進(jìn)行了5個(gè)月的礦壓觀測(cè)。該巷道3號(hào)測(cè)站的圍巖觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4，圖5。

從圖4，5可知，該巷道在擴(kuò)巷掘進(jìn)后7天內(nèi)變形速度和兩幫移近速度較大，在30天以內(nèi)巷道兩幫相對(duì)移近速度和頂板下沉速度減緩，巷道表面位移表現(xiàn)為緩慢增加;30天以后，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)總體上，巷道頂板下沉量和兩幫移近量都比較小，頂板最大下沉量為260 mm，兩幫最大移近量為300 mm。這說(shuō)明該巷道圍巖已趨于穩(wěn)定，提出的混凝土反拱+錨索錨注+馬蹄形全封閉金屬支架聯(lián)合支護(hù)的修復(fù)方案是可行的、有效的。

6 結(jié)語(yǔ)

在該礦區(qū)－220 m三水平軌道大巷修復(fù)中采用混凝土反拱+錨索錨注+馬蹄形全封閉金屬支架聯(lián)合支護(hù)方式，通過(guò)理論分析，證明該支護(hù)方案能夠明顯改善巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，增加巷道的整體承載能力，有效控制巷道圍巖的變形?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該方案措施得當(dāng)，支護(hù)參數(shù)合理，能夠有效控制北翼軌道大巷圍巖變形，提高了該巷道支護(hù)的有效性和安全性，其支護(hù)效果明顯好于原支護(hù)，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］靖洪文，李元海，趙保太，等.軟巖工程支護(hù)理論與技術(shù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008:1－7.

［2］董方庭，靖洪文，宋宏偉，等.圍巖松動(dòng)圈巷道支護(hù)理論［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2001:4－11.

［3］張 燕.新橋煤礦高應(yīng)力軟巖永久巷道支護(hù)技術(shù)研究［J］.中州煤炭，2011，01(1):17－18.