大跨度變形巷道復(fù)合注漿與錨固聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

常海雷，郭相平

(1.山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

隨著煤炭開采深度的增加，頂板受力條件變得越來越復(fù)雜，巷道圍巖壓力不斷增大，巷道維護(hù)更加困難。特別是當(dāng)巷道跨度較大時(shí)，極易出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)變形，導(dǎo)致巷道控制困難。大跨度易變形巷道的支護(hù)是目前亟待解決的一個(gè)重要問題。

近年來，我國煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)日趨成熟，但在大跨度、大斷面和“三軟”煤巷等復(fù)雜困難條件下的巷道支護(hù)與加固問題仍不能很好解決。為了實(shí)現(xiàn)對此類巷道的有效控制，大量科研院所的專家學(xué)者和煤礦企業(yè)的工程技術(shù)人員進(jìn)行了很多理論的探索和實(shí)踐，也解決了此類巷道的一些實(shí)際問題，取得了很多成功有效的案例[1-4]。本文針對天地王坡煤礦大跨度集中軌道巷的大變形巷道控制難題，提出并采用了復(fù)合注漿與錨固聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，通過聯(lián)合注漿加固，充填裂隙巖體，并進(jìn)一步采用注漿錨索實(shí)現(xiàn)全長錨固補(bǔ)強(qiáng)巷道的支護(hù)體系，實(shí)現(xiàn)了巷道的有效加固和控制。

1 試驗(yàn)巷道概況

王坡煤礦位于山西省晉城市，主采3號煤層，地層位于二疊系下統(tǒng)山西組下部，平均采深為450m。3號煤層平均厚度為5.97m，煤體黑色，具金屬-玻璃光澤，堅(jiān)硬，性脆，內(nèi)生節(jié)理裂隙發(fā)育，局部煤質(zhì)松軟破碎，局部含有2層夾矸[5]。該煤層的物理力學(xué)性質(zhì)比較特殊，雖然單軸抗壓強(qiáng)度較大，但煤體內(nèi)部弱面極其發(fā)育，煤體性脆，導(dǎo)致整體穩(wěn)定性差。當(dāng)下位煤體開掘后，上位煤體失去支撐，其自身無法保持平衡，容易導(dǎo)致煤體垮落。王坡煤礦二采區(qū)煤層及其頂?shù)装宓刭|(zhì)和力學(xué)條件見表1所示。

表1 王坡煤礦二采區(qū)3號煤及其頂?shù)装鍘r性

二采區(qū)集中軌道巷、集中回風(fēng)巷和集中膠帶巷為二采區(qū)的主要準(zhǔn)備巷道，二采區(qū)變電所、水泵房等永久硐室，分別布置在上述主要準(zhǔn)備巷道之間，造成局部巷道布置密度高、距離近，形成了近距離高密度巷道群，如圖1所示。

圖1 集中軌道巷附近巷道硐室布置

二采區(qū)集中軌道巷斷面尺寸為寬×高=4500mm×3100mm，寬度達(dá)到4500mm，形成大跨度巷道。集中軌道巷與集中膠帶巷間煤柱為50m(中-中)，集中軌道巷與變電所間煤柱為20m(中-中)，變電所與集中回風(fēng)巷間煤柱為20m(中-中)，各主要巷道與硐室間煤柱尺寸較小。二采區(qū)集中軌道巷沿煤層底板掘進(jìn)，其頂板為2.9m的煤層、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖和中砂巖等。原巷道支護(hù)設(shè)計(jì)采用錨桿索、噴漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，頂板采用φ20mm，長度為2.4m螺紋鋼錨桿，每排4根，間排距為1000mm×900mm，錨索規(guī)格為SKP15.24-1/1860-7300，居中布置，每排2根，間排距為2000mm×1800mm；兩幫采用φ20mm，長度為2.0m螺紋鋼錨桿，每排3根，間排距1200mm×900mm；巷道表面噴漿處理。但在采區(qū)準(zhǔn)備初期，集中軌道巷就出現(xiàn)兩幫內(nèi)擠、底板鼓出，幫頂噴層開裂的大變形現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道無法正常使用，必須進(jìn)行修復(fù)處理。

2 巷道破壞程度及機(jī)理分析

2.1 巷道破壞程度調(diào)查

煤礦巷道圍巖鉆孔窺視技術(shù)作為一種對圍巖內(nèi)部變形和裂隙發(fā)育特征的直觀觀測儀器，可以清楚地觀測并記錄各類巷道在掘進(jìn)和維護(hù)期間的巷道內(nèi)部變形和裂隙的擴(kuò)展情況，對于分析巷道圍巖內(nèi)部的破壞規(guī)律和預(yù)測圍巖變形都有較好的參考價(jià)值[6]。為準(zhǔn)確了解巷道圍巖的破壞情況，對二采區(qū)集中軌道巷進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)鉆孔窺視，對圍巖中的破碎及裂隙發(fā)育地段進(jìn)行拍照，如圖2、圖3所示。

圖2 巷道頂板內(nèi)部圍巖結(jié)構(gòu)

圖3 巷道兩幫內(nèi)部圍巖結(jié)構(gòu)

從窺視結(jié)果中可以看出，集中軌道巷頂板從開口處往頂板深部圍巖破碎程度逐漸降低，裂隙開始表現(xiàn)為多而無序，說明圍巖破碎嚴(yán)重，隨著深度增加，裂隙多表現(xiàn)為水平橫向裂隙，裂隙多沿巖層的層理面擴(kuò)展，破碎范圍達(dá)到2400mm。隨著鉆孔深度繼續(xù)增加，在鉆孔深度4000mm以上，橫向裂隙逐漸減少，鉆孔完整性保持較好，只有少量的豎向小裂隙出現(xiàn)，說明巷道頂板4m深部處圍巖基本完好。巷道兩幫破壞程度較大，從孔口至鉆孔內(nèi)2800mm圍巖呈現(xiàn)松軟破碎的狀態(tài)，說明煤幫0～2800mm范圍內(nèi)已被壓酥，圍巖自承能力下降。

2.2 巷道破壞機(jī)理分析

結(jié)合二采區(qū)的地質(zhì)條件和開采技術(shù)現(xiàn)狀，分析集中軌道巷變形破壞的影響因素：

(1)近距離巷道群相互采動(dòng)影響 由于采區(qū)集中軌道巷周圍巷道和硐室分布密集，巷道群間煤柱尺寸小，由巷道掘進(jìn)導(dǎo)致的動(dòng)壓對巷道群造成相互影響，巷道變形增大。

(2)采動(dòng)影響 集中軌道巷處于集中大密度巷道群之中，對于采動(dòng)的影響比較敏感，特別是在臨近的3212綜采面開采過程中，劇烈的采動(dòng)影響導(dǎo)致集中軌道巷變形更加嚴(yán)重。

(3)地應(yīng)力影響 本巷道埋深為450m，埋深較大。根據(jù)實(shí)測，該區(qū)最大主應(yīng)力為13.86MPa，方向?yàn)镹67.5E；最小主應(yīng)力為7.74MPa，方向?yàn)镹22.5W；中間主應(yīng)力為垂直應(yīng)力，大小為11.95MPa。

(4)原有支護(hù)不合理 原支護(hù)強(qiáng)度和剛度低，支護(hù)參數(shù)選擇不合理，原支護(hù)中錨索長度為7.0m，而巷道頂板上部煤層和直接頂厚度大于7.0m，因此錨索并沒有錨固到穩(wěn)定的巖層中，錨固點(diǎn)不可靠，易于發(fā)生下沉變形。

3 大跨度變形巷道圍巖加固方案與應(yīng)用

集中軌道巷頂板和兩幫破壞深度大，破壞呈現(xiàn)松散破碎狀的大尺寸裂隙發(fā)育，且巷道服務(wù)年限長，后期會受到動(dòng)壓的影響，因此必須恢復(fù)圍巖的完整性，并通過高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)，達(dá)到圍巖自承的目的。由此確定采用水泥注漿填充圍巖裂隙、孔洞，增加圍巖強(qiáng)度，并結(jié)合化學(xué)漿粘結(jié)性好、滲透范圍大的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行化學(xué)漿補(bǔ)充注漿，達(dá)到粘結(jié)圍巖顆粒，充填更小裂隙的目的，最后通過高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)，達(dá)到圍巖自承的目的[7-8]。

3.1 集中軌道巷幫頂圍巖水泥注漿加固

集中軌道巷幫頂圍巖水泥注漿鉆孔，沿巷道斷面成排、五花布置，排距1800mm，布置在兩排錨桿之間，間距1200～1600mm，集中軌道巷幫頂注漿孔布置如圖4所示。

圖4 集中軌道巷幫頂水泥注漿鉆孔布置

兩幫鉆孔直徑44mm；兩幫底腳鉆孔直徑56mm；頂板鉆孔直徑42mm。兩幫靠近頂?shù)装宓淖{孔上仰或下扎15°，其余鉆孔垂直于兩幫；頂板靠近兩幫的注漿孔，外扎15°和45°，其余鉆孔垂直于頂板。集中軌道巷兩幫水泥注漿鉆孔深度6000mm；頂板水泥注漿鉆孔深度4000mm。埋孔口注漿管，孔內(nèi)下射漿管，全長一次注漿。注漿壓力為孔口注漿壓力3～5MPa，可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整。

3.2 集中軌道巷幫頂圍巖化學(xué)注漿加固

水泥注漿完成后，幫頂進(jìn)行“固瑞特201”化學(xué)注漿，進(jìn)一步改善圍巖結(jié)構(gòu)完整性。幫頂化學(xué)注漿孔沿巷道斷面五花眼布置，排距2700mm，間距2000～2250mm，化學(xué)注漿鉆孔布置如圖5所示。

圖5 集中軌道巷化學(xué)注漿鉆孔布置

兩幫鉆孔直徑44mm；頂板鉆孔直徑42mm。幫、頂化學(xué)注漿孔深度全部3000mm?；瘜W(xué)注漿鉆孔使用封孔器封孔，封孔深度全部800mm。全長一次注漿，注漿終止壓力6～8MPa。注漿量要求正常注漿材料消耗每孔不大于35kg/m，最大材料消耗量每孔100kg/m。

3.3 集中軌道巷幫頂圍巖支護(hù)

化學(xué)注漿施工完成1d后，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力全長注漿錨索支護(hù)施工，錨索布置方式如圖6所示。

圖6 集中軌道巷幫頂錨索布置

巷幫支護(hù)錨索選用直徑22mm的1×19結(jié)構(gòu)錨索，長5300mm，錨索間排距1300mm×1800mm，兩幫底腳錨索下扎5～10°，其余幫錨索垂直巖面布置。使用ZQS-50/1.6錨桿鉆機(jī)打孔，鉆頭直徑30mm，鉆孔深度5000mm。擴(kuò)孔直徑56mm，深度500mm。

頂板支護(hù)錨索選用直徑22mm的1×19股錨索，長度5300mm，巷道每排布置錨索3根，其中中線布置錨索1根，錨索間排距為1500mm×1800mm，頂板錨索采用直徑20mm焊接鋼筋梯梁連接，垂直巖面布置。

錨索錨固方式：采用1支K2335和2支Z2360樹脂端部錨固，其余部分采用水泥漿錨固。錨索外端套裝注漿附件推入鉆孔，安裝托板引出注漿管，加裝球墊張拉預(yù)緊。注漿材料采用水泥漿。錨索孔終止壓力4～6MPa。

3.4 監(jiān)測效果分析

現(xiàn)場施工完成后設(shè)置測站對支護(hù)的錨索受力和巷道表面變形量進(jìn)行了現(xiàn)場測量。

錨索受力監(jiān)測曲線如圖7(a)所示，從錨索受力曲線來看，錨索受力基本穩(wěn)定在210kN，錨索受力平穩(wěn)。表面位移觀測曲線見圖7(b)所示，巷道圍巖變形頂板下沉量小于9mm，兩幫收斂15mm以內(nèi)，巷道圍巖加固后無明顯變形，區(qū)域圍巖穩(wěn)定，圍巖變形得到有效控制。

圖7 集中軌道巷錨索受力與表面位移曲線

4 結(jié)論

通過對王坡煤礦二采區(qū)集中軌道巷的變形破壞原因分析及加固修復(fù)方式的研究得出如下結(jié)論：

(1)集中軌道巷發(fā)生變形和破壞的原因主要為近距離巷道群相互影響、巷道支護(hù)強(qiáng)度弱、應(yīng)力條件復(fù)雜和受到3212綜采面的開采采動(dòng)影響，鉆孔窺視結(jié)果顯示，巷道的離層和變形主要發(fā)生在距離巷道表面4000mm范圍以內(nèi)。

(2)根據(jù)巷道變形破壞的機(jī)理，綜合集中軌道巷的變形與裂隙發(fā)育特點(diǎn)，確定采用初次水泥漿注漿、二次化學(xué)漿注漿和三次強(qiáng)力錨索補(bǔ)強(qiáng)的綜合加固技術(shù)，并詳細(xì)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)。

(3)現(xiàn)場的加固實(shí)踐表明，集中軌道巷在采用修復(fù)加固技術(shù)以后支護(hù)體整體承載能力增強(qiáng)，支護(hù)構(gòu)件受力合理，對巷道的控制效果優(yōu)良。

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