砌碹巷道變形破壞機(jī)理及修復(fù)技術(shù)研究

【摘 要】基于巷道圍巖軟弱破碎、壁后充填不實(shí)、砌碹被動(dòng)支護(hù)等不利條件，分析了伯方煤礦二盤區(qū)變電所變形破壞機(jī)理及原因，提出“壁后充填+深部注漿+錨桿、錨索加固”的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，成功解決了變電所的修復(fù)難題，取得了良好的支護(hù)效果。工程應(yīng)用表明，該技術(shù)能夠有效控制巷道的變形，保證了巷道繼續(xù)服務(wù)，是解決軟弱破碎圍巖砌碹巷道支護(hù)的有效途徑。

【關(guān)鍵詞】砌碹巷道；注漿加固；壁后充填；錨網(wǎng)索支護(hù)

1、引言

伯方煤礦3#煤層厚度5.82m，煤層傾角2-6°，內(nèi)生裂隙，呈條帶狀結(jié)構(gòu)，煤層節(jié)理中等發(fā)育，硬度f<1.5。二盤區(qū)變電所布置在3#煤層中，沿煤層頂板掘進(jìn)，斷面為扇形拱，直墻高2.0m，扇形拱高1.5m，采用料石砌碹支護(hù)，砌碹厚度500mm。受3202工作面采動(dòng)影響及3204工作面聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)影響，導(dǎo)致變電所圍巖破碎，變形嚴(yán)重，拱角及拱頂碹體被擠壓破碎、掉渣，靠近大巷側(cè)底鼓現(xiàn)象突出，造成諸多安全隱患。

2、砌碹巷道變形破壞機(jī)理研究

導(dǎo)致砌碹巷道變形破壞的力學(xué)機(jī)制較為復(fù)雜，影響因素較多，不僅與巖石本身的物理力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)造的分布等有關(guān)，而且與巷道的力學(xué)環(huán)境與支護(hù)方式有關(guān)。根據(jù)變電所變形破壞情況，經(jīng)過巖層窺視儀探測和理論分析認(rèn)為，導(dǎo)致變電所變形破壞的主要因素以下幾個(gè)方面[1-2]。

（1）變電所本身支護(hù)方式的影響。變電所采用的砌碹支護(hù)屬于被動(dòng)支護(hù)，除支撐周圍松散巖層的重量，對松動(dòng)圈以外的巖層無法提供有效的主動(dòng)支護(hù)作用。

（2）變電所掘進(jìn)方式和施工工藝的影響。二盤區(qū)變電所采用炮掘，掘進(jìn)期間超挖現(xiàn)象嚴(yán)重，根據(jù)施工要求超挖的部分需要回填密實(shí)，但實(shí)際操作過程中沒有進(jìn)行有效回填。采用砌碹支護(hù)時(shí)，由于碹體壁后未充填嚴(yán)實(shí)，碹體提供的初撐力很小，變電所圍巖得不到及時(shí)支護(hù)，松散破碎的煤巖持續(xù)發(fā)生松動(dòng)、垮落。隨著時(shí)間的推移，垮落巖石越來越多，碹體支撐的巖石量也越來越多。當(dāng)巖石量達(dá)到一定程度時(shí)，碹體不能承受上部松散巖石及自身重量而屈服破壞，變電所頂板隨之下沉，甚至垮落。同時(shí)，由于變電所頂部圍巖松動(dòng)范圍加大，作用在變電所頂部圍巖的一部分應(yīng)力轉(zhuǎn)移到變電所兩側(cè)圍巖，提高了圍巖蠕變的水平應(yīng)力，兩側(cè)巖體不穩(wěn)定蠕變率增大，造成變電所兩側(cè)碹體的破壞。另外，炮掘?qū)ψ冸娝鶉鷰r的震動(dòng)破壞大，造成圍巖裂隙發(fā)展和松動(dòng)范圍加大，降低了圍巖的強(qiáng)度和自承能力，加速了碹體的破壞。

（3）變電所的圍巖組成與性質(zhì)的影響。變電所沿煤層頂板掘進(jìn)，煤層較軟，內(nèi)生條帶裂隙，煤層節(jié)理中等發(fā)育。頂板為灰黑色泥巖，強(qiáng)度較低。受掘進(jìn)擾動(dòng)和回采影響后，圍巖裂隙進(jìn)一步發(fā)育。變電所采用料石砌碹支護(hù)，碹體與變電所圍巖之間存在剛度和變形的不耦合。當(dāng)某些部位出現(xiàn)不耦合時(shí)，碹體不能抵御巷道圍巖變形與破壞時(shí)，碹體和圍巖將在其不耦合的部位發(fā)生變形和破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整條巷道失穩(wěn)。

（4）變電所碹體后的空隙作用。變電所碹體背后出現(xiàn)空隙的概率極高，而且位置分布不規(guī)律，導(dǎo)致碹體背后容易形成空隙。松動(dòng)圈內(nèi)破碎圍巖冒落后在自重的作用下會(huì)向兩邊流動(dòng)，使得碹體背后產(chǎn)生空隙，實(shí)際檢測過程中也發(fā)現(xiàn)，變電所拱頂附近區(qū)域的空隙最為常見，而且拱頂附近區(qū)域的砌碹厚度也常常達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。而碹體后空隙會(huì)使砌碹結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)發(fā)生變化，在局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，會(huì)使砌碹結(jié)構(gòu)受到偏心力，從而在局部會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力增長，間接降低了砌碹結(jié)構(gòu)的承載能力，造成砌碹結(jié)構(gòu)的破壞。并且由于空隙的存在，砌碹與變電所圍巖喪失了面接觸，圍巖內(nèi)部也會(huì)發(fā)生應(yīng)力的重新分布，部分圍巖也可能由于超過自身的承載能力而發(fā)生破壞，跌落到砌碹結(jié)構(gòu)上，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。

空隙的位置不同對圍巖應(yīng)力分布和砌碹結(jié)構(gòu)破壞程度的影響是不一樣的。依據(jù)現(xiàn)場觀測，我們發(fā)現(xiàn)空隙的分布大體可以歸納為以下5種情況：拱頂處空隙、兩肩部對稱空隙、一側(cè)肩部偏載空隙、頂部空隙和肩部對稱空隙、頂部空隙和一側(cè)肩部偏載空隙。其分布形態(tài)如下圖1所示。

（5）采動(dòng)應(yīng)力作用。鄰近的3202工作面停采線離變電所較近，受3202工作面超前采動(dòng)支承應(yīng)力作用，以及頂部泥巖和煤層的軟弱破碎，變電所頂部更容易出現(xiàn)不同的空隙。同時(shí)，受3204工作面聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)擾動(dòng)影響，變電所圍巖破壞程度進(jìn)一步加劇。

3、砌碹巷道修復(fù)技術(shù)與機(jī)理研究

二盤區(qū)變電所在地應(yīng)力、鄰近工作面回采擾動(dòng)以及附近聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)擾動(dòng)影響下，圍巖裂隙發(fā)育，變電所壁后空洞持續(xù)襯衫擴(kuò)大，變電所產(chǎn)生較大的破壞變形。針對以上情況，根據(jù)近年來我國各地煤礦砌碹巷道修復(fù)經(jīng)驗(yàn)[6-8]，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際以及巖層窺視情況，提出壁后充填、深部注漿和錨網(wǎng)所支護(hù)聯(lián)合修復(fù)方案，即第一步是對變電所壁后空隙進(jìn)行充填密實(shí)，第二步是對深部圍巖進(jìn)行注漿，第三步是補(bǔ)打錨桿錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。其主要作用機(jī)理包括以下幾個(gè)方面。

（1）壁后充填消除了壁后的偏載荷和點(diǎn)載荷作用，提高了圍巖以及碹體的整體作用，從而提高了圍巖的穩(wěn)定性。同時(shí)，壁后充填的滲透加固作用也顯著提高了圍巖的自承能力。

（2）圍巖深部注漿的主要作用有：注漿可以改變破碎煤巖體力學(xué)性能，提高破碎煤巖體的粘聚力和內(nèi)摩擦角，大大提高煤巖體的強(qiáng)度；充填壓密裂隙，降低煤巖體的孔隙率，裂隙內(nèi)充滿加固材料或壓密后，將變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，可大幅度提高煤巖體的強(qiáng)度；注漿封閉水源、隔絕空氣，可以有效地封堵水流通道，隔離孔隙水及防止或者降低水對圍巖的軟化程度，避免圍巖強(qiáng)度因水軟化的影響而大幅度降低。

（3）錨桿、錨索加強(qiáng)支護(hù)進(jìn)一步提高錨固區(qū)內(nèi)圍巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，抑制塑性區(qū)的發(fā)展，提高圍巖的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，錨索支護(hù)控制深部圍巖的變形。

4、砌碹巷道修復(fù)技術(shù)應(yīng)用

4.1壁后充填和深部注漿材料的選擇

根據(jù)壁后充填和注漿的材料需求，選擇高水充填材料，高水充填材料是由甲料、乙料兩種材料組成。高水充填材料的優(yōu)點(diǎn)是速凝且可調(diào)、水灰比高、流動(dòng)滲透性好、在高水灰比條件下100%結(jié)石且不淅水、固結(jié)體塑性好、能適應(yīng)圍巖變形、具有微膨脹性、充填程度高和成本較低。

4.2充填和注漿系統(tǒng)

充填和注漿采用2ZBSB8～1.1/6-22型煤礦用雙液注漿泵，同時(shí)配備JB-1000攪拌桶四臺(tái)。甲料、乙料分別在一臺(tái)攪拌桶攪拌混合后通過直徑19mm的高壓膠管泵送至充填注漿點(diǎn)，經(jīng)混合器混合后通過異型接頭與直徑充填注漿管連接。

4.3壁后充填參數(shù)

根據(jù)材料特性、變電所上覆巖層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及井下施工條件，選用袋裝材料，水灰比確定為1.8：1進(jìn)行充填。沿變電所砌碹體頂部布設(shè)充填管，根據(jù)變電所尺寸，為保證充填效果，研究確定充填管間排距為1000mm×4000mm。采用?42mm鉆頭打充填孔，成孔孔徑不得超過?45mm，并保持圓度，充填孔的深度為1500mm，充填孔與垂直方向呈15°夾角。具體布置見圖2。充填管采用?20mm鋼管制作，管長1m，內(nèi)徑15mm。

4.4深部注漿參數(shù)

根據(jù)材料的強(qiáng)度特性，確定水灰比為1.5：1進(jìn)行注漿。沿變電所的整個(gè)斷面（除底板）打注漿孔，預(yù)埋注漿管。充填完成后布置注漿孔，頂部每排布置3個(gè)注漿孔，兩幫各1個(gè)，孔徑為43mm，排距2m，注漿管的長度為2.5m。注漿管采用?20mm鋼管制作，注漿管長2.5m，內(nèi)徑15mm，距注漿管口1.35m、1.6m、1.85m、2.1m、2.35m位置處分別打直徑6mm的圓孔。注漿孔的布置如圖3所示。

針對變電所的變形以及注漿系統(tǒng)的布設(shè)狀況，確定變電所的注漿壓力為2～3MPa?，F(xiàn)場注漿時(shí)，要通過注漿壓力與實(shí)際的注漿滲透性進(jìn)行調(diào)整每孔的注漿量，當(dāng)出現(xiàn)鄰近注漿孔漏漿或者注漿壓力超過3MPa時(shí)即可，停止該孔注漿。

4.5錨網(wǎng)索加固支護(hù)

待變電所注漿完成并清理表面之后，對原有變電所進(jìn)行錨網(wǎng)索加固支護(hù)。變電所的錨網(wǎng)索支護(hù)具體參數(shù)為：

（1）錨桿參數(shù)。頂錨桿間排距為900×900mm；幫錨桿間排距850mm×900mm，兩幫各打3根。拱角錨桿與水平方向成20°，其余錨桿均垂直于拱壁。頂幫錨桿均為直徑20mm、長3.0m的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿。鋪設(shè)金屬網(wǎng)和直徑14mm圓鋼焊接的鋼筋梯子梁。金屬網(wǎng)采用12#鐵絲編制而成，網(wǎng)孔為50×50mm。

（2）錨索參數(shù)。每2排錨桿即1.8m打一排5根錨索。拱頂中央一根錨索，拱頂兩側(cè)錨索距拱頂1400mm，垂直于拱壁，與豎直方向成35°角；兩幫錨索距巷道底板1000mm。頂板錨索采用直徑15.24mm的鋼絞線，長度為7.3m；幫錨索采用直徑15.24mm的鋼絞線，長度為5.2m。

錨網(wǎng)索加固支護(hù)的斷面圖如圖4所示。

4.6施工工藝

（1）檢修、準(zhǔn)備。開始施工前，檢查當(dāng)班用材料與機(jī)器。包括充填注漿用的高水材料，封孔材料（麻絲與錨固劑），注漿泵與攪拌桶、混合器、鉆機(jī)、鉆桿、快速接頭（含異型接頭）等。

（2）打孔與封孔。首先按照設(shè)計(jì)方案打設(shè)充填孔或注漿孔，埋設(shè)充填管或注漿管，后用錨固劑和麻絲進(jìn)行封孔。鉆打充填孔或注漿孔采用42mm鉆頭，孔徑不大于45mm，符合規(guī)定深度（充填孔1500mm，注漿孔3000mm）。封孔時(shí)，首先采用麻絲纏繞在充填管或注漿管，混合超快錨固劑和中速錨固劑，快速攪拌均勻后塞入充填管或注漿管與孔間隙，封孔長度不小于200mm。后將出漿管與充填管或注漿管聯(lián)接好。

（3）制漿。待封孔結(jié)束后，施工人員開始向攪拌桶加水，然后開動(dòng)攪拌桶電機(jī)，再在其中一攪拌桶加入甲料，另一攪拌桶加入乙料。待桶內(nèi)高水速凝材料攪拌10min后，將兩吸漿管放入攪拌桶內(nèi)的吸漿槽，開動(dòng)注漿泵開始注漿。

（4）充填、注漿。開動(dòng)注漿泵開始充填、注漿，充填點(diǎn)保證有2人時(shí)刻觀測注意充填、注漿情況。當(dāng)注漿壓力達(dá)到3Mpa停止注漿泵，關(guān)閉截止閥，待混合漿液流速變緩后，卸下出漿管與充填管或注漿管之間的異型接頭。然后準(zhǔn)備開始下一個(gè)充填孔或注漿孔的充填注漿工作。

（5）清洗。每班充填、注漿結(jié)束后，抽清水清洗管路和充填泵。

5、變電所修復(fù)效果監(jiān)測

從圖5和圖6可以看出，變電所加固期間礦壓顯現(xiàn)有如下規(guī)律：

（1）根據(jù)現(xiàn)場，變電所未充填注漿加固前，頂?shù)装搴蛢蓭妥冃蝿×?，注漿加固之后，巷道變形速率明顯收斂。

（2）巷道穩(wěn)定過程

巷道的穩(wěn)定過程是動(dòng)態(tài)平衡過程。在充填、注漿、打設(shè)錨桿錨索過程中，圍巖變形速度呈現(xiàn)波動(dòng)特性，變形總量一直增加直至穩(wěn)定。

（3）充填注漿影響期

巷道頂?shù)着c兩幫在充填后14d之內(nèi)的位移量達(dá)到了總位移量的40%左右，期間打眼充填，是圍巖活動(dòng)劇烈期；待充填體凝固且達(dá)到最終強(qiáng)度后進(jìn)行注漿，24d～28d之內(nèi)位移量為總位移量的40%左右。

（4）施工錨桿影響期

注漿結(jié)束7d后施工錨桿錨索，受此影響圍巖有少量收斂，且頂?shù)滓平渴苠^桿錨索影響小于兩幫，此后圍巖趨于穩(wěn)定，表明圍巖控制達(dá)到了預(yù)期效果。

（5）變形量

充填注漿、施工錨桿錨索至穩(wěn)定期間，兩幫最大移近量為33mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?5mm，圍巖變形比較小，支護(hù)效果比較好。

6、結(jié)論

（1）頂板破碎、兩幫充填不實(shí)、木支架臨時(shí)支護(hù)等復(fù)雜條件的料石砌碹支護(hù)巷道，結(jié)構(gòu)松散，變形量大，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。運(yùn)用壁后充填、深部注漿和錨網(wǎng)所支護(hù)聯(lián)合技術(shù)，保證了變電所結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，變電所維護(hù)狀況顯著改善。

（2）通過壁后充填、深部注漿和錨網(wǎng)所支護(hù)聯(lián)合修復(fù)，改變了圍巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，提高了變電所圍巖的強(qiáng)度，充分發(fā)揮了圍巖自身的承載能力，變電所表面變形量較小，取得了良好的修復(fù)加固效果，為類似巷道提供了參考。