動壓影響近距離巷道群內水倉加固技術

王 濤 毛仲敏

（1.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇省徐州市，221116）

巷道群穩(wěn)定性一直是國內外學者研究的課題。成莊礦水倉布置在3＃煤層底板泥巖軟弱巖層中，圍巖地質條件差，水倉巖體屬松軟破碎巖體，自身承載能力低。區(qū)域內巷道布置密集，巷道圍巖應力分布復雜，應力疊加導致礦壓顯現(xiàn)較強烈，受相鄰工作面回采動壓影響進一步加劇巷道圍巖變形。如何在該圍巖地質條件下，解決對巷道群進行加固支護的難題，維持礦井的持續(xù)發(fā)展迫在眉睫。本文以二盤區(qū)水倉為研究對象，分析了圍巖破壞的原因及圍巖加固的作用原理，通過現(xiàn)場實測對加固方案進行監(jiān)測，力求解決這個支護難題。

1 試驗點調查及地質力學評估

成莊礦二盤區(qū)原水倉因采動壓力的影響，破壞嚴重而報廢。為保證礦井正常生產(chǎn)，在二盤區(qū)下部重新布置盤區(qū)水倉及水泵房等硐室，巷道及硐室布置見圖1。該區(qū)域北側分別布置有泵房、變電所、2102、2103和2104 3條盤區(qū)大巷，甲、乙水倉緊鄰變電所布置，兩水倉布置在同一個水平，甲水倉設計為主水倉，乙水倉設計為副水倉，乙水倉位于甲水倉與變電所之間，兩水倉間距 （中-中）13～30m，水倉與泵房以及大巷相互之間凈煤柱寬度均不超過20m，區(qū)域巷道布置密度高，保護煤柱寬度較小，形成了近距離巷道群，二盤區(qū)下部甲、乙水倉均為直墻半圓拱形狀，斷面凈寬2700mm，凈高2350mm，兩幫、頂板均采用錨網(wǎng)索噴支護，底板采用混凝土C10澆筑，硬化厚度100mm。

圖1 水倉布置圖

由于布置水倉的3＃煤層底板巖體為軟弱泥巖，強度較低，且遇水易軟化，又受相鄰巷道掘進動壓影響，導致圍巖整體穩(wěn)定性差。通過觀測目前底板變形嚴重處底臌量已達1000 mm 以上，巷幫、頂板變形導致噴層開裂、掉落，兩幫收縮達600mm；而且與水倉相鄰布置的2321綜放工作面的停采線與水倉之間煤柱寬度不到100m，根據(jù)成莊礦已有二盤區(qū)回采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，受2321工作面回采動壓擾動影響勢必會導致水倉變形加劇。

2 圍巖破壞原因分析

2.1 破碎圍巖結構分析

圍巖體內不連續(xù)面以及許多掘進初期是閉合的微裂隙隨著巷道圍巖的變形逐漸張開，嚴重影響了巷道圍巖的穩(wěn)定性。為詳細了解水倉變形后圍巖內裂隙的分布狀況，采用先進的鉆孔窺視儀器對甲水倉圍巖的結構進行仔細調查和分析。

由圍巖窺視結果可知，甲水倉巷道幫部破壞比較嚴重，1000 mm 范圍內連續(xù)破壞，存在大量裂隙，孔壁極破碎，孔深1500～7000 mm 發(fā)育有3組以上破碎段，圍巖沿水倉軸向劈裂，裂隙附近圍巖破碎，孔深7200 mm 處煤渣堵孔。頂板相對較完整，距孔口1500 mm 范圍內，破壞較嚴重，存在裂隙和離層；孔深大于2200 mm 的頂板內部結構較完整，孔深8000 mm 以上區(qū)域，頂板分層面輕微開裂。

水倉圍巖體裂隙發(fā)育較深，擴容變形程度劇烈，根據(jù)現(xiàn)場觀測水倉圍巖仍在持續(xù)產(chǎn)生變形，說明水倉圍巖十分軟弱。已有的錨網(wǎng)索支護對圍巖強度的強化作用有限，受相鄰巷道掘進動壓影響，水倉圍巖內部應力重新分布，產(chǎn)生的高應力導致現(xiàn)有支護難以控制甲水倉圍巖的有害變形，隨著圍巖持續(xù)變形，裂隙由淺入深不斷擴展，淺部形成的支護承載結構的承載能力持續(xù)降低，今后若再受回采動壓影響，應力集中系數(shù)會進一步增大，水倉圍巖內受力狀況進一步惡化，導致水倉支護失效，整體產(chǎn)生失穩(wěn)、破壞。

2.2 動壓影響水倉圍巖應力分布狀態(tài)

根據(jù)現(xiàn)場條件，建立FLAC3D 數(shù)值模型，分析2321綜放工作面回采時采動壓力將對甲水倉產(chǎn)生的影響。

受工作面回采產(chǎn)生的動壓影響，甲水倉圍巖淺部不斷破碎，內部生成大量裂隙，巖體的應力水平降低，相對應淺部圍巖承載能力急劇降低，水倉圍巖變形、破碎導致錨桿錨固范圍內巖體圍壓較低，使支護體在極低的錨固力下工作，錨固力不斷損失導致淺部圍巖可錨性進一步降低；井底水倉的強烈變形，尤其是巖體深部和淺部的非均勻變形在桿體錨固范圍引起較大的剪力，這要求錨桿提供足夠的錨固力，但裂隙發(fā)育的軟巖錨固性能急劇削弱難以使錨桿提供高錨固力控制水倉變形，致使水倉原有支護失效。

3 破碎圍巖加固作用原理

根據(jù)成莊礦水倉目前采用的支護方式和變形破壞情況，結合水倉圍巖地質力學條件，從提高支護強度和增強支護承載結構的長期穩(wěn)定性出發(fā)，提出水倉加固原則。在已有主動支護的基礎上，采用注漿原位加固方法提高錨桿及其支護構件與圍巖形成的支護承載結構強度，然后采用注漿錨索進行結構補償增強其穩(wěn)定性。動壓影響近距離巷道群內水倉高強穩(wěn)定性加固支護的思路如下：

（1）采用水泥漿液注入已變形破碎圍巖裂隙，將破碎圍巖進行重新組合，提高破碎圍巖的承載能力，同時恢復或構成完整的巖體結構，進而形成連續(xù)的結構體。而且，高強度固結體充填嵌入破碎圍巖內部裂隙，保證錨桿、錨索施加圍巖表面的預應力能夠完整傳遞到錨固范圍的圍巖內，顯著提高支護承載結構的強度。

（2）在采用水泥漿液提高錨網(wǎng)支護承載結構承載能力的基礎上，進一步采用預應力全長錨固的錨索進行補強，提高支護-圍巖承載結構的穩(wěn)定性和圍巖抗剪脹變形的能力。而且進行全長錨固，可有效防止水對錨索產(chǎn)生的銹蝕，提高錨索的使用壽命。

（3）水倉為永久巷道，控制底臌很關鍵。采用預應力全長錨固的強力錨索支護，以保證底板長期穩(wěn)定。

4 現(xiàn)場試驗

4.1 水倉加固方案

在水倉已有錨網(wǎng)支護基礎上，采用注漿鉆孔與錨索安裝孔合二為一的加固方法，即利用注漿鉆孔安裝錨索，并在錨索預緊后對圍巖升壓注漿。采用規(guī)格為?22mm×8300mm 錨索，配套高強度拱形托盤，加裝調心球墊；鋼筋網(wǎng)由?6.5 mm 鋼條焊接而成，網(wǎng)孔100mm×100mm，規(guī)格2000mm×1700mm；注漿管為A1216 鋁塑管；水泥漿液使用42.5級普通硅酸鹽水泥，按照水灰比0.6∶1～1∶1配合水泥注漿添加劑XPM 配制，添加劑用量為水泥重量的8%～10%。先加固底板、后加固幫頂，幫頂加固由低到高。

4.1.1 底板加固

水倉底板加固前清淤并拆除軌道、起底，加固后硬化底板厚度250～300 mm。底板注漿錨索鉆孔沿巷道走向成排、五花眼布置，排距1500mm，間距1100～1300 mm，中線上鉆孔垂直于底板向下，中線兩側的鉆孔外扎角6°～10°，孔深8000 mm±100mm，鉆孔布置見圖2。使用地質鉆機打孔，鉆頭直徑56 mm，成孔后預埋錨索，并將塑料灌漿管插至孔底，灌入水泥漿，然后拔出塑料管，底板注漿孔預埋錨索7d后，鋪設鋼筋網(wǎng)，注漿前張拉預緊，錨索預緊力不小于180kN。

圖2 二盤區(qū)下部水倉注漿鉆孔 （錨索）布置

4.1.2 兩幫及頂板加固

水倉兩幫、頂板注漿錨索鉆孔成排、五花眼布置，排距1600mm，間距1200～1700mm，兩幫底腳鉆孔下扎15°～20°，其余注漿孔垂直巖面，孔深8000mm±100mm，鉆孔布置見圖2。垂直巖面鉆孔使用地質鉆機開孔，鉆頭直徑56mm，鉆孔深度3000mm；鉆孔里段5000mm 采用MQT-120錨索鉆機或MQB50 幫錨桿機成孔，鉆頭直徑30 mm。采用1支規(guī)格為K2335和2支規(guī)格為Z2360樹脂錨固劑端部錨固，樹脂錨固長度1750 mm，鋪設鋼筋網(wǎng)，注漿前張拉預緊，預緊力不小于250 kN。兩幫底腳下扎注漿錨索與底板錨索施工工藝相同，錨索預緊力不小于180kN。

所有注漿錨索孔內注漿管在錨索端部錨固后安裝，并在錨索安裝預緊后壓注水泥漿，注漿終壓4～6 MPa，形成預應力全長注漿錨固錨索。安裝時錨索用棉紗封孔、止退鋼管限位，注漿管為A1216鋁塑管制成，鋁塑管長度3500 mm，由托盤注漿管引出孔引出，外露長度不小于300mm，錨索安裝如圖3所示。

4.2 礦壓監(jiān)測

針對水倉破碎圍巖，以注漿加固為基礎進行錨索強力支護的綜合加固技術，顯著提高了圍巖抗擾動能力。對甲水倉加固后對錨索受力和圍巖表面位移進行了監(jiān)測。礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示，錨索初期受力呈輕微下降趨勢，隨后受力穩(wěn)定；甲水倉圍巖變形最大底臌量為11 mm，頂板最大下沉量為10mm，兩幫位移量60 mm 以內，說明加固支護后有效控制了水倉破碎圍巖變形，加固效果顯著。

圖3 注漿錨索安裝示意圖

圖4 甲水倉錨索受力、圍巖變形曲線

5 結論

（1）高應力作用下的水倉圍巖整體結構完整性降低，支護承載結構穩(wěn)定性降低是水倉產(chǎn)生劇烈變形的主要原因。加強對圍巖的主動支護能力是控制動壓巷道圍巖破壞的根本途徑。

（2）將水泥漿注入水倉破碎圍巖體內，形成的高強度固結體充填嵌入破碎圍巖內部裂隙，可有效傳遞錨桿、錨索等支護體施加于圍巖表面的預應力，注漿后顯著改善錨桿錨索對破碎圍巖的支護作用效果。

（3）采用預應力全長錨固的錨索進行補強，能顯著提高支護-圍巖承載結構的穩(wěn)定性和圍巖抗剪脹變形的能力，延長錨索的使用壽命。

（4）針對動壓影響近距離巷道群內水倉破碎圍巖，以注漿加固為基礎進一步采用錨索補強支護的綜合加固技術，有效控制了水倉圍巖變形。

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