林南倉礦斷層破碎帶巷道注漿-錨噴支護技術及應用

王哲豪，渾寶炬

(華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009)

林南倉礦斷層破碎帶巷道注漿-錨噴支護技術及應用

王哲豪，渾寶炬

(華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009)

在全面分析研究林南倉礦-650回風巷道斷層破碎帶變形機理及破壞原因的基礎上，采取“注漿-錨噴”支護措施，應用數(shù)值模擬進行論證，鉆孔窺視觀察巷道圍巖內部結構，并對支護效果進行巷道位移監(jiān)測。實踐表明：該種支護方式改善了巷道圍巖受力結構，有效控制了巷道變形破壞，確保礦井安全生產。

破碎帶；巷道修復；注漿技術；鉆孔窺視

巷道穿越多煤層開挖后，不僅原巖應力遭到破壞，而且由于巷道圍巖巖性的不同，導致局部應力集中，巷道的穩(wěn)定性難以控制，變形進一步加劇。不少學者對其進行研究，取得顯著成果，但沒能全面考慮該類巷道中的裂隙、斷層等復雜地質構造以及周圍巷道擾動的影響?，F(xiàn)有的支護理論都是建立在連續(xù)介質的基礎上，很少考慮到巷道圍巖存在的斷層引起的內部結構破碎，導致局部破壞，進而整體失穩(wěn)。以林南倉-650m回風大巷為背景，通過深入分析了該段巷道的變形機理，設計出適用于該類巷道注漿-錨噴、局部補強的支護方式，并通過鉆孔窺視和FLAC3D數(shù)值模擬進行論證，取得了很好的效果[1]。

1 工程背景

林南倉礦-650回風石門總長2511m，石門由煤12底圍巖段的-650m暗立井口處向東南方向撥門施工，由底至頂穿越多煤層。-650m回風石門作為該水平的主要回風大巷，服務于多個采區(qū)。由于回風石門穿越層位多、裂隙發(fā)育、斷層較多，且受到鄰近巷道開挖擾動影響，圍巖內部連續(xù)性結構遭到進一步，采用一般的支護手段并不能滿足要求，巷道的變形不能從根本上得到控制，嚴重影響礦井的安全生產。

2 巷道支護變形機理分析

深部軟巖巷道應依據(jù)圍巖的變形力學機制選擇合理的支護方式[2]。圍巖地質條件的不同，其內部結構也千差萬別，造成巷道變形破壞的方式不同，采用的支護方式也不盡相同。巷道開挖后，原巖的穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞，出現(xiàn)不同深度的松動圈，加之臨近巷道擾動的影響，圍巖受力不均，會出現(xiàn)裂隙結構，若沒能采取合理的支護方式，圍巖變形嚴重，導致支護難度加大。因此，采用鉆孔窺視儀對圍巖內部結構進行觀測，能夠直觀準確的確定松動圈和內部裂隙的發(fā)育規(guī)模和范圍，對于巷道的合理支護具有十分重要的意義。

在回風石門巷道選取4個點進行鉆孔窺視，1#孔：撥門距離57m；2#孔：撥門距離136m；3#孔：撥門距離205m；4#孔：撥門距離267m。鉆孔設計由正對迎頭方向，左起拱線、左肩角、右肩角、右起拱線，鉆孔深度7～8m。

通過鉆孔窺視分析圍巖內部裂隙結構，確定圍巖松動圈范圍，各巖層松動圈厚度為：1#孔圍巖2522mm；2#孔圍巖1660mm；3#孔圍巖2609mm；4#孔圍巖1770mm。1#孔圍巖松動圈厚度較大，一方面由于套修，開挖范圍加大，擾動作用疊加，一方面是裂隙發(fā)育引水的泥化膨脹。2#孔分別在900mm、1660mm和3960處發(fā)現(xiàn)裂隙，推斷該處裂隙是由于開挖擾動影響造成。3#孔圍巖為受傾向340°、傾角84°、落差0.4～4m斷層影響，該處原巖裂隙發(fā)育，后又經(jīng)歷初次開掘和二次修復的擾動影響，圍巖內部破裂，是巷道變形嚴重的重要原因。4#孔分別在700mm、1180mm、1470mm、1740mm發(fā)現(xiàn)裂隙，且有涌水現(xiàn)象出現(xiàn)?？梢?，對該巷道采用注漿支護的方式，加強圍巖結構的完整性，使其能更好的發(fā)揮承載能力。

3 巷道支護方案設計

注漿支護能夠加固圍巖的整體性，加強承載能力和穩(wěn)定性[3]。圍巖注漿后，應力集中的頂板會將壓力分散到兩幫，進而傳遞到底板。由于注漿后整體結構的穩(wěn)定性，組合梁結構加強，因此能減輕底板的載荷，有效的控制底鼓現(xiàn)象的發(fā)生，進而保持了整個巷道的穩(wěn)定性。同時，漿液通過裂隙將破碎的巖塊膠結成整體，巖石的內摩擦角和凝聚力增大，巖體的強度提高，漿液與一般錨桿相互作用，使得錨桿的受力由端錨改為全錨，與圍巖的相互作用增大，錨桿的作用充分發(fā)揮，支護結構的整體性提高[4]。底角錨桿可將一部分力傳遞到穩(wěn)定的底板深部，支護范圍擴大，有效抑制底幫變形，使得錨桿的受力性能得到改善[5]。

巷道支護參數(shù)設計：凈寬×凈高=4000mm×3500mm。采用右旋等強鋼筋錨桿，規(guī)格：Φ20mm×2m，間排距700mm×700mm。鋼網(wǎng)規(guī)格：2m×1m，網(wǎng)格為150mm×150mm，用Φ6mm圓鋼焊接而成。錨索規(guī)格：Φ15.24mm×6m。注漿錨桿規(guī)格：4#或6#黑皮管，Φ22mm×1.8m，間排距1500mm×1500mm，外露80mm。漿液用425號硅酸水泥和陶粒土，配比為1∶3，速凝劑加入5%的水泥，漿液的水灰比為1∶1.6，幫部注漿壓力不大于2.5MPa，底角注漿壓力不大于3MPa。噴層厚度初噴：50～80mm，復噴厚度：80mm，噴射砼重量配比為1∶3。錨桿托盤壓緊貼巖壁，外露長度不大于40mm。錨注支護時，首先要進行50mm的初噴作為臨時支護，在打好錨桿和鋼絲繩后再進行復噴，厚度為80mm。在施工時，注漿口要封閉嚴實，保證漿液的漏出，同時要防止壓強對注漿錨桿的影響，在松動圈比較大的地段，可適當?shù)募娱L注漿錨桿，而后進行錨索的補強[6]。幫角注漿時，錨桿的水平較大不小于45°。

4 數(shù)值模擬

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對支護方案進行模擬，數(shù)值模擬計算以注漿條件下的錨桿(索)排距實況進行建模，錨桿和錨索采用加預應力的Cable結構單元模擬，噴漿采用Shell結構單元模擬，注漿采用漿液擴散范圍內參數(shù)定比強化進行模擬。上面為應力加載，巖體按均勻自重應力大小施加，密度為2.5×103kg/m3，巷道埋深分別為650m，安裝測定地應力進行加載?？紤]模型高度達60m，重力影響級別為0～1.5MPa[7]。本次模擬主要針對注漿—錨噴支護效果進行分析，巖體的力學參數(shù)見表1，錨桿桿(索)的支護參數(shù)見表2。

表1 計算模型巖體力學參數(shù)

表2 計算模型(注漿)錨桿參數(shù)

采取錨注支護后，如圖1(a)，在通過在巷道四周實施壓力注漿及錨桿有效加固，頂板巖層中出現(xiàn)的拉應力區(qū)域明顯消失，地板應力集中現(xiàn)象得到緩解。巷道四周的應力集中降低，尤其是巷道頂?shù)装搴拖锏肋厜?。從圖2(b)可以看出，圍巖變形得到有效控制，淺部圍巖封閉變形圈位移控制在15mm，底鼓和縮幫也得到有效緩解，從數(shù)值可以看出，巷道圍巖位移極值控制在240mm以內。

圖1 垂直應力分布圖比較

圖2 支護前后鉆孔裂隙比較

5 支護效果分析

回風石門巷道圍巖中存在有多條裂隙，注漿后，漿液可有效的填充裂隙，隔絕空氣，封閉出水孔，有效的防止風化和浸蝕對圍巖的破壞作用，配合錨噴支護，關鍵部位錨索補強的手段，多種支護方式共同作用，使巷道形成穩(wěn)定的組合拱結構。

根據(jù)回風石門的圍巖構造情況，該巷道優(yōu)化支護90天后，選取4個位置進行鉆孔，對其注漿效果進行觀測，如圖2所示，通過比較可以清楚地看到，注漿后的鉆孔壁都比較完整，且在裂隙處有明顯的漿脈，圍巖中的節(jié)理、裂隙被很好地充填與黏結，一方面起到堵水作用，阻止了上部巖層含水對破碎圍巖的進一步破壞；另一方面，對圍巖起到很好的重新組合作用，將破碎巖體黏結為整體，恢復其連續(xù)性，為強力錨桿、錨索支護施工奠定了基礎。

同時，采用“十字”布點的方法，在該巷道處設置4個巷道收斂觀測點，對其進行觀測，經(jīng)過3個多月的觀測，巷道的兩幫及頂?shù)装宓淖冃吻闆r如圖3所示。50d后巷道兩幫和頂?shù)装宓淖冃位痉€(wěn)定，巷道兩幫的最大變形為220mm，頂?shù)装宓淖畲鬄?00mm，說明錨固區(qū)經(jīng)過注漿強化后，承載的可靠性有了保障，注漿-錨噴聯(lián)合支護及多層次強韌封層能較好的控制巷道變形。

6 結 論

1)林南倉-650m回風石門穿越煤層多，圍巖結構復雜，通過鉆孔窺視，直觀的觀測到內部裂隙發(fā)育狀況，根據(jù)圍松動圈及巖破碎范圍，提出注漿-錨噴聯(lián)合支護的方式，圍巖載荷增長迅速，巷道承載及時。

圖3 巷道表面收斂圖

2)通過FLAC3D數(shù)值模擬對石門實施錨注支護方式后進行的分析比較，巷道支護后，巷道周圍應力集中區(qū)域明顯降低，應力集中的現(xiàn)象得到改善，巷道底鼓和頂板下沉從應力角度也得到有效抑制；從位移的發(fā)展趨勢來看，巷道頂板和幫部變形得到很好的控制，位移量明顯減小。數(shù)值模擬巷道的位移分布與現(xiàn)場結果較為吻合，可信度較強。

3)從支護效果分析，注漿后的鉆孔比較完整，裂隙處有明顯的漿脈，說明巷道圍巖內部結構完整，形成連續(xù)完整的結構。通過巷道位移監(jiān)測，巷道變形得到有效控制，支護效果顯著。

[1] 孫全金.龍家堡201工作面順槽沖擊地壓防治研究[J].現(xiàn)代礦業(yè),2010,31(6):71-74.

[2] 張永將,謝廣祥,楊科,等.深井軟巖巷道峰后特性支護技術研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2006,34(5):28-29，89.

[3] 朱偉,高延法.錨注支護技術在高應力裂隙圍巖巷道控制中的應用[J].煤礦安全,2006,45(4):32-34.

[4] 趙慶彪,劉長武.軟巖巷道錨注加固系統(tǒng)的“網(wǎng)絡”效應[J].金屬礦山,2003,49(12):21-23.

[5] 張剛.清水營煤礦回采巷道支護技術研究[D].西安：西安科技大學,2011.

[6] 梁和平.錨注復合支護技術在巷道施工過大斷層的應用[J].中國煤炭,2012,52(11):34-36.

[7] 陳曉坡,劉建莊,渾寶炬,等.過斷層巷道修復技術研究與實踐[J].煤礦安全,2012,45(11):77-80.

Technology of grouting-shotcrete support in fault fracture zones in Linnancang coal mine and the application

WANG Zhe-hao，HUN Bao-ju

(School of Mining Engineer,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009,China)

On the basis of comprehensive analysis and research deformation mechanism and failure reasons of Fault fracture zone of -650 air return roadway in Linnancang Coal Mine.Take the measure of “Grouting-Shotcrete Support”,it demonstrated used to numerical simulation.Internal structure of roadway surrounding rock of drilling observed,and the supporting effect of roadway displacement be monitor.The results show that it can improve the force structure and effectively control the deformation and failure of roadway ,then ensure the mine safety production.

fracture;roadway repair;grouting technology;borehole imaging

2014-04-05

王哲豪(1989-)，男，山西呂梁人，碩士研究生，主要研究方向為礦山壓力與巖層控制。E-mail：348760387@qq.com。

TD353

A

1004-4051(2015)05-0107-04