斷層帶巷道圍巖加固技術(shù)應(yīng)用研究

盧 強(qiáng)，和勝利，趙曉紅，袁士杰

(1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000;2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司九礦，河南 平頂山 467000)

煤炭是我國能源的基石，在我國能源工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，在可預(yù)見的未來，煤炭仍是我國主要的能源和重要的戰(zhàn)略物資，具有不可替代性。但斷層帶膨脹性圍巖問題一直是困擾我國煤炭安全生產(chǎn)的重大難題之一［1－5］，為探索在斷層帶膨脹性圍巖地質(zhì)條件下的支護(hù)技術(shù)，加強(qiáng)巷道支護(hù)、降低巷道失修率，本文擬對斷層帶巷道圍巖進(jìn)行加固技術(shù)研究。

1 工程概況

平頂山煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司十一礦是一座大型國有礦井，位于平頂山市西郊香山腳下。礦井主采丁5－6煤、戊9－10煤和己16－17煤(二1煤)。隨著產(chǎn)量的不斷提升，礦井開采深度也不斷增加，最深處已經(jīng)達(dá)到1100多m。其中，－593北石門處于斷層破碎帶中，巷道穿過張莊逆斷層(張莊逆斷層:N:170°～155°，H:27 ～30 m，∠22°～ ∠26°)，同時在斷層附近派生構(gòu)造多，層理發(fā)育。主要存在的問題:1)圍巖自身穩(wěn)定時間短，來壓快。2)圍巖變形量大、速度快、時間長。3)圍巖四周來壓，底鼓明顯。4)圍巖遇水膨脹，變形加劇。5)現(xiàn)有的支護(hù)形式已不能滿足安全生產(chǎn)需要。－593北石門自掘進(jìn)以來，就出現(xiàn)劇烈變形和破壞，雖經(jīng)多次翻修也無法保證該回風(fēng)石門的正常使用，更無法達(dá)到二水平丁六采區(qū)接替后的安全生產(chǎn)要求。

2 工程實踐

－593北石門處于斷層帶附近，頂板巖性為砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖和煤，底板為細(xì)－中粒砂巖和細(xì)砂巖。由于巷道壓力大，巷道收斂變形嚴(yán)重，底鼓量大，已多次維修，效果均不理想，維修后2～3個月，出現(xiàn)巷道失修現(xiàn)象，影響通風(fēng)及行人安全。

為了避免修復(fù)方案和支護(hù)參數(shù)選取的盲目性，對－593北石門處于斷層帶附近圍巖進(jìn)行了圍巖松動圈測定。掌握松動圈的范圍，為修復(fù)方案和支護(hù)參數(shù)選取提供一定的參考依據(jù)。采用的巖層探測儀器為YTJ20型巖層鉆孔探測儀，見圖1。

圖1 YTJ20型巖層探測儀示意圖

其工作原理為:將直徑為25 mm的鉆孔探測儀送入鉆孔中，其輸出的圖像可用于孔壁巖性識別及鉆孔表面觀察，具體觀測結(jié)果以圖片的方式反映。

現(xiàn)場在每個位置左幫和頂板各打了1個探測孔，分別為幫探測孔、頂探測孔，探測深度為3.0 m。通過對6個位置進(jìn)行探測，分析－593北石門斷層帶附近圍巖松動圈見表1。

表1 圍巖松動圈特征

綜合分析幫探測孔和頂探測孔所反映的情況可知，頂板的圍巖松動圈較幫部松動圈大，由于巷道圍巖松動圈較大，接近甚至超過了錨固體的控制范圍，使得原支護(hù)方式下錨桿不能充分發(fā)揮其主動支護(hù)作用，因而，不能積極且有效地控制巷道圍巖的破壞與變形。

3 原支護(hù)方式破壞原因及改進(jìn)思路

3.1 原支護(hù)方式破壞原因

巷道破壞特點為:巷道變形破壞較為嚴(yán)重，所揭露的主要巷道巖體性脆、易風(fēng)化。在巷道的肩頂處噴層很快出現(xiàn)開裂剝落，并逐步發(fā)展為沿巷道走向的連續(xù)破壞。局部錨桿與巖體出現(xiàn)整體不均衡位移，巷道出現(xiàn)嚴(yán)重收斂變形，噴層與錨桿尾部墊板脫離(噴層外突，錨桿墊板內(nèi)陷)。原錨噴支護(hù)大多都已垮落失效，后臨時采用U型棚支護(hù)，但依然被壓彎壓平，底鼓極為突出，通常超過1.0 m，巷道已不能滿足正常使用。

初始支護(hù)采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，由于噴射混凝土支護(hù)剛度大，不能適應(yīng)巷道開掘初期及應(yīng)力峰值期變形速度快、變形量大的特點;較低的圍壓降低了錨桿的錨固作用，隨著圍巖的變形，圍巖應(yīng)力不斷向深部轉(zhuǎn)移，錨固力不斷散失。被錨桿加固的圍巖比較松軟，當(dāng)抗壓強(qiáng)度低于地壓應(yīng)力值時，圍巖就會產(chǎn)生流動性變形，造成噴層脫落，繼而片幫冒頂，不能保持噴層及圍巖表層的完整。圍巖較松軟破碎，無法實現(xiàn)錨桿的主動支護(hù)，造成了巷道圍巖的嚴(yán)重破壞。

3.2 支護(hù)方案改進(jìn)思路

1)適當(dāng)刷大斷面，預(yù)留變形量。

斷層構(gòu)造帶軟巖受高應(yīng)力作用，會持續(xù)產(chǎn)生大變形，巖體的碎脹擴(kuò)容變形是無法完全消除的。因此，必須適當(dāng)刷大斷面，預(yù)留變形量，給巷道圍巖變形控制留出一定儲備空間。

2)主被動聯(lián)合支護(hù)。

針對－593北石門地處斷層構(gòu)造帶且多次修復(fù)松動破壞范圍大的現(xiàn)實特點，特采取錨架注聯(lián)合修復(fù)加固技術(shù)，在長錨桿(索)支護(hù)的基礎(chǔ)上，架設(shè)U型可縮性鋼棚支護(hù)，這樣既發(fā)揮了錨桿(索)從內(nèi)部調(diào)動圍巖承載能力的特點，又可以使巷道在發(fā)生一定的讓壓變形之后發(fā)揮鋼棚的徑向約束作用，并隨圍巖收縮而繼續(xù)讓壓收縮，始終保持軟巖巷道承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。進(jìn)行圍巖(U型棚)壁后充填注漿，可以促使鋼棚及早均勻承載，并能長期維護(hù)巷道的穩(wěn)定性。

4 工業(yè)性試驗

4.1 巷道支護(hù)方案

在－593北石門巷道選取100 m進(jìn)行工業(yè)性試驗，試驗段巷道大部分位于斷層帶內(nèi)，支護(hù)方案見圖2。

圖2 巷道支護(hù)斷面圖

樹脂錨桿長度2400 mm，直徑22 mm，間排距700 mm×700 mm，網(wǎng)采用d6 mm鋼筋焊接網(wǎng)，錨索每排7根，兩幫各兩根幫錨索d17.8 mm×4500 mm，正頂3根錨索 d17.8 mm×7500 mm，間排距1000 mm×1400 mm;36U支規(guī)格為4800 mm×3700 mm，棚距500 mm;噴漿厚度不低于100 mm;注漿材料采用德國巴斯夫公司的產(chǎn)品美固364(美固364是一種雙組分不含溶劑的注漿樹脂)。注漿采用d20 mm鋼管，長度2500 mm，每排5個孔，排距4 m，分布在兩幫距底板0.6 m處各布置1個向下30°的孔，兩幫距底板2500 mm處垂直于兩幫布置2個孔，頂板中心1個孔，垂直于頂板。

4.2 巷道移近量觀測

巷道表面位移測量利用“十”字布點法對巷道表面位移進(jìn)行礦壓觀測，在頂?shù)装逯胁看怪狈较蚝蛢蓭退椒较蜚@d40 mm，深度300 mm的孔，將d28 mm、長400 mm的木樁或炮棍打入孔中，見圖3。頂板和上幫安設(shè)彎形測釘，底板和下幫木樁端安設(shè)平頭測釘。

圖3 巷道表面位移監(jiān)測示意圖

巷道圍巖相對位移曲線圖見圖4。由圖4可知，巷道變形量在可以承受的范圍以內(nèi)且逐漸減小。巷道圍巖相對移近速率曲線圖見圖5。由圖5可見，曲線在前兩個月變化較大，3個月后基本趨于平穩(wěn)，達(dá)到了巷道維修的預(yù)期效果。

5 結(jié)論

圖4 巷道圍巖相對位移曲線圖

圖5 巷道圍巖相對移近速率曲線圖

1)通過對巷道圍巖破壞機(jī)理及圍巖松動圈的分研究，科學(xué)合理的確定了通過使用錨架注的方法加固巷道，有效地控制了巷道的收斂變形，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定性，減少了巷道的維修量，為礦井安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

2)礦壓觀測顯示，巷道的收斂變形得到了不同程度的控制，巷道表面無裂縫和明顯脫噴，U型鋼支架沒有明顯變形。證明巷道圍巖通過錨噴(包括錨索)、架設(shè)U型鋼支架、注漿，巷道圍巖得到了有效地加固，從而使圍巖的承載能力得到了提高，具有廣泛的應(yīng)用和推廣價值。

［1］李大偉.深井與軟巖巷道二次支護(hù)原理及控制技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2008:1－2.

［2］周宏偉，謝和平.深部高地應(yīng)力下巖石力學(xué)行為研究進(jìn)展［J］.力學(xué)進(jìn)展，2005，35(1):91－97.

［3］董方庭.巷道圍巖松動圈支護(hù)理論及應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000:131－133.

［4］李 剛，梁 冰，張國華.高應(yīng)力軟巖巷道變形特征及其支護(hù)參數(shù)設(shè)計［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2009，26(2):183－186.

［5］柏建彪，王襄禹.深部軟巖巷道支護(hù)原理及應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報，2008，30(5):632－635.