玉溪煤礦井底車場系列巷道圍巖加固技術(shù)實(shí)踐

李軍亮

(晉城市煤炭煤層氣工業(yè)局，山西晉城048000)

玉溪煤礦是2.4Mt/a的建設(shè)礦井，位于沁水縣胡底鄉(xiāng)，主要開采煤層為3號煤。該礦3號煤開拓巷道埋深在500～600m之間，現(xiàn)在正在進(jìn)行井底車場等開拓巷道的掘進(jìn)，井底車場巷道布置在距3號煤層約20m的底板巖層中。巷道主要采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)，巷道支護(hù)成型后，隨巷道掘進(jìn)，不長時間內(nèi)井底車場系列巷道 (+320m水平井底車場中清理撒煤巷道、進(jìn)風(fēng)井東部車場巷道、架空乘人器硐室、無軌膠輪車庫、馬頭門)均有不同程度的變形，主要表現(xiàn)為巷道幫部和拱頂噴層開裂現(xiàn)象多，噴層成片掉落，掉落噴層的地方，可以看到裸露鋼筋網(wǎng)片和圍巖體，嚴(yán)重威脅了現(xiàn)場正常施工行人的安全。進(jìn)風(fēng)井水窩位于進(jìn)風(fēng)排矸立井井底，水窩井壁變形后，澆筑的鋼筋混凝土嚴(yán)重開裂，部分脫落，由于井壁變形導(dǎo)致井筒內(nèi)罐道鋼梁產(chǎn)生彎曲，嚴(yán)重影響了罐籠運(yùn)行安全和井底巷道開拓的排矸。且從現(xiàn)場井下調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分巷道變形仍未穩(wěn)定，巷道幫、拱噴層仍不斷產(chǎn)生新的裂縫。因此必須對玉溪煤礦井底車場產(chǎn)生變形的巷道圍巖加固技術(shù)進(jìn)行研究，提出科學(xué)合理的加固支護(hù)技術(shù)，解決此類一次支護(hù)后的開拓巷道圍巖變形控制難題，保證巷道為整個礦井服務(wù)期間的安全以及礦井的正常開拓。

1 掘進(jìn)時支護(hù)狀況

進(jìn)風(fēng)排矸立井馬頭門部分巷道段采用鋼筋混凝土澆筑支護(hù)，井壁混凝土強(qiáng)度不得小于C40;其余井底車場巷道采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)，施工時如果圍巖條件較差，采取增加錨索等加強(qiáng)支護(hù)方式。錨桿采用高強(qiáng)樹脂錨桿，桿體材質(zhì)為左旋無縱筋螺紋鋼，托板規(guī)格150mm×150mm×10mm，錨桿錨固力不小于50kN，錨索的預(yù)緊力不小于100kN，錨桿間排距800mm×800mm;錨索索體采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，托板規(guī)格300mm×300mm×12mm，錨固力15t;噴射混凝土強(qiáng)度等級為C20，鋪底混凝土強(qiáng)度等級為C30;金屬網(wǎng)采用φ6mm鋼筋加工而成，網(wǎng)孔規(guī)格為150mm×150mm，考慮10%的搭接量。

2 圍巖結(jié)構(gòu)調(diào)查

為了更加詳細(xì)了解巷道圍巖破壞情況以確保加固方案設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確，對井底車場系列巷道圍巖內(nèi)部進(jìn)行了鉆孔窺視，調(diào)查巷道圍巖破壞的深度和裂隙發(fā)育程度。根據(jù)井下巷道圍巖的變形程度共布置了5組測站，分別為井底車場中清理撒煤巷道、無軌膠輪車車庫、東線聯(lián)絡(luò)巷、架空乘人器硐室、進(jìn)風(fēng)井水窩及馬頭門，每組布置3個鉆孔，兩幫各1個，頂板1個，鉆孔深度8～10mm。以馬頭門處鉆孔為例窺視結(jié)果如圖1所示。

從圖1(a)看出:馬頭門南幫距孔口1600mm范圍內(nèi)，有7條開度非常大的橫向裂隙發(fā)育，孔壁十分破碎，圍巖完整性非常差;距孔口2000mm和2500mm處有2條橫向裂隙，裂隙開度較大，孔壁圍巖完整性較差;距孔口2800mm處有1條開度非常大的橫向裂隙，孔壁破碎;圍巖完整性差;距孔口4300mm處有1條開度較大的橫向裂隙，孔壁較破碎;距孔口5300mm和5500mm處有2條橫向裂隙，裂隙開度較大，孔壁圍巖完整性較差，距孔口6100mm和7300mm處有2條橫向裂隙，裂隙開度大，其他位置圍巖整體性較好。

圖1 馬頭門處鉆孔窺視結(jié)果

從圖1(b)看出:馬頭門頂板距孔口600mm范圍內(nèi)，有多條橫向和縱向裂隙交錯發(fā)育，裂隙開度均非常大，孔壁十分破碎，圍巖完整性非常差;距孔口1300～2500mm之間有多條橫向裂隙，裂隙開度較大，孔壁圍巖完整性較差;距孔口2600～2900mm之間有多條開度較大的橫向和縱向裂隙，孔壁圍巖較破碎，圍巖完整性較差;距孔口4100mm處有1條煤線，煤體較破碎，距孔口6500mm和7600mm處有2條橫向裂隙，裂隙開度較小，孔壁圍巖完整性差，其他位置圍巖整體性較好。

從圖1(c)看出:馬頭門北幫距孔口600mm范圍內(nèi)，有多條橫向和縱向裂隙交錯發(fā)育，裂隙開度均非常大，孔壁十分破碎，圍巖完整性非常差;距孔口800～1100mm之間有多條橫向和縱向裂隙交錯發(fā)育，裂隙開度非常大，孔壁圍巖十分破碎，孔壁圍巖完整性很差;距孔口1400mm，1900mm，2200mm，2600mm和3100mm處有5條開度很大的橫向裂隙，孔壁圍巖較破碎，圍巖完整性很差;距孔口3900mm和4900mm處有2條開度較小的橫向裂隙，孔壁圍巖完整性較差。探頭推至7000mm處，由于有巖塊堵住，探頭無法進(jìn)一步推進(jìn)。

結(jié)合其他窺視情況看:進(jìn)風(fēng)排矸立井水窩幫部圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育，圍巖破碎，導(dǎo)致塌孔，探頭無法進(jìn)一步深入窺視，但從馬頭門窺視結(jié)果可知水窩幫部的破壞深度大于目前窺視的深度;馬頭門破壞深度達(dá)到了8000mm，且局部圍巖裂隙開度較大，圍巖十分破碎，其中幫部圍巖的破壞深度比頂板大，破壞程度比頂板更為嚴(yán)重，巷道圍巖的破壞由淺入深，淺部圍巖的破壞程度比深度更嚴(yán)重;井底車場清理撤煤巷道、東線聯(lián)絡(luò)巷、架空乘人器硐室圍巖變形嚴(yán)重處裂隙發(fā)育深度達(dá)到7000mm，變形輕微處裂隙發(fā)育深度也達(dá)到了5000mm;膠輪車庫由于淺部圍巖十分破碎，孔壁淺部塌孔未能窺視，但由現(xiàn)場同層位的其他巷道圍巖窺視結(jié)果以及巷道圍巖拱頂、幫部圍巖的變形破壞程度，可知圍巖內(nèi)部裂隙較發(fā)育，圍巖裂隙擴(kuò)展的深度大。

3 變形原因分析

結(jié)合現(xiàn)場巷道支護(hù)現(xiàn)狀、圍巖變形破壞調(diào)查和窺視結(jié)果綜合分析表明:井底車場系列巷道雖然作為新掘巷道，但由于對巷道圍巖的支護(hù)強(qiáng)度偏弱，導(dǎo)致現(xiàn)有支護(hù)難以控制井底車場巷道的有害變形，而且由于噴射混凝土為剛性體，巷道圍巖稍有變形噴層容易開裂，進(jìn)一步發(fā)展就會產(chǎn)生脫落，影響噴層的支護(hù)效果，致使巷道原來的支護(hù)部分失效，內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，并且裂隙隨著圍巖變形不斷向深處延伸，進(jìn)一步導(dǎo)致原支護(hù)失去支護(hù)效力，最終巷道破壞，失去使用功能。

4 加固方案的選擇

4.1 加固方案對比

變形巷道的圍巖加固控制通常可采取的方法有如下幾種:

(1)鋼棚加金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù) 金屬網(wǎng)可以防止脫落破碎巖塊掉落傷人，也可防止圍巖受地壓或其他因素影響突然冒頂垮落。但由于鋼棚加金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)為被動支護(hù)，難以對圍巖施加控制變形的預(yù)應(yīng)力，棚式支架隨著圍巖變形的發(fā)生和增加，所承受的圍巖擠壓力增加，實(shí)現(xiàn)對圍巖變形的抵抗與控制，棚式支架發(fā)揮支護(hù)作用的過程也是破碎圍巖變形的發(fā)展過程。棚式支架應(yīng)用于高應(yīng)力環(huán)境下的巷道圍巖控制時，往往隨支架所受圍巖應(yīng)力的增加自身變形量增大，最終因過載造成支架破壞、支護(hù)失效，且高應(yīng)力、大斷面等不利條件將加速棚式支架的變形破壞。

(2)錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù) 錨桿錨索支護(hù)的原理是對圍巖施加足夠的預(yù)緊力，使圍巖形成次生承載結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮圍巖承載能力，進(jìn)而防止圍巖擴(kuò)容破壞的發(fā)生，是根本解決高應(yīng)力、大斷面巷道圍巖變形破壞的可靠方法。但對于圍巖變形的巷道，由于圍巖產(chǎn)生裂隙，內(nèi)部應(yīng)力破壞，這將導(dǎo)致錨桿錨索所需的錨固力不足。且巷道圍巖內(nèi)裂隙或離層部位將阻斷錨桿錨索作用于圍巖的預(yù)應(yīng)力在錨固區(qū)的傳遞，圍巖離層開裂對錨桿預(yù)應(yīng)力的影響見圖2，使變形產(chǎn)生裂隙的圍巖失去約束，從而不能達(dá)到支護(hù)效果。

圖2 圍巖離層開裂對錨桿支護(hù)作用的影響

(3)注漿加固 破碎圍巖注漿加固原理是:漿液注入破碎圍巖后充填圍巖內(nèi)部裂隙，并對開裂破壞的圍巖進(jìn)行膠結(jié)，使遭到破壞的圍巖恢復(fù)為具有較連續(xù)的結(jié)構(gòu)體。當(dāng)形成的膠結(jié)體具有足夠強(qiáng)度時，可有效阻止巷道圍巖內(nèi)部裂隙位置處的破壞擴(kuò)展?？梢?，注漿加固是在改變破碎圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對圍巖的加固過程，高應(yīng)力環(huán)境下，選擇具有高強(qiáng)度結(jié)石體的注漿漿液，在改變圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同時，阻止圍巖內(nèi)部裂隙區(qū)擴(kuò)容破壞的發(fā)展，同時使破碎圍巖的可錨性顯著增強(qiáng)，為錨桿錨索支護(hù)提供足夠的錨固力。但單純的破碎圍巖注漿，并未改變圍巖的應(yīng)力條件，高應(yīng)力環(huán)境下，圍巖自身及圍巖裂隙面與漿液結(jié)石體間，較易再次被高應(yīng)力壓裂，因此單一的圍巖注漿加固難以阻止加固后的再次破壞。由于巷道支護(hù)強(qiáng)度偏弱，掘進(jìn)巷道已產(chǎn)生不同程度的變形，圍巖內(nèi)部裂隙均有不同深度和不同程度的擴(kuò)展，而且部分巷道圍巖變形仍未穩(wěn)定，因此必須針對巷道的變形特點(diǎn)，在恢復(fù)圍巖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提高原有支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的承載能力，控制巷道圍巖的持續(xù)變形。為確保井底車場巷道圍巖穩(wěn)定與安全，有必要對巷道圍巖進(jìn)行注漿加固。

4.2 加固方法的確定

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)、地質(zhì)條件調(diào)查和圍巖結(jié)構(gòu)詳查，玉溪煤礦井底車場巷道由于支護(hù)強(qiáng)度偏弱，導(dǎo)致巷道剛掘進(jìn)不久便產(chǎn)生變形破壞。巷道圍巖壓力大、結(jié)構(gòu)破碎松軟。大量工程實(shí)踐表明，單一的加固方法不能有效控制此類破碎圍巖的長期蠕變及進(jìn)一步破壞，對此類巷道加固工程應(yīng)在恢復(fù)圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對巷道圍巖的主動支護(hù)。針對此巷道特點(diǎn)，參考原有巷道支護(hù)參數(shù)及其他有效工程實(shí)踐，經(jīng)礦方及相關(guān)專家論證保證安全和效果的前提下，決定采用高壓注漿配合強(qiáng)力錨索支護(hù)的綜合加固方案。

高壓注漿后，破碎圍巖基本上恢復(fù)連續(xù)狀態(tài)，但承載能力仍較弱，尤其是底板破壞深度較大，部分基礎(chǔ)已碎裂或松動。注漿是為了使巷道變形產(chǎn)生裂隙的圍巖粘合在一起，恢復(fù)相對完整的連續(xù)結(jié)構(gòu)圍巖，增加圍巖主動承載能力。

強(qiáng)力錨索加固的目的是在破碎圍巖恢復(fù)連續(xù)性后，對其施加強(qiáng)力的邊界條件，使注漿后的圍巖具有較強(qiáng)的承載能力，阻止圍巖再次破壞，確保加固后的巷道圍巖穩(wěn)定。因此，注漿施工后必須加強(qiáng)對圍巖的支護(hù)

4.3 加固范圍

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件和巷道圍巖變形嚴(yán)重程度調(diào)查，初步確定井底車場巷道需加固的范圍為:井底車場清理撤煤巷道加固長度76m;架空乘人器硐室加固長度43.4m;無軌膠輪車庫加固長度75m;進(jìn)風(fēng)井東部車場巷道加固長度179m;馬頭門硐室加固長度30m;進(jìn)風(fēng)排矸立井水窩加固長度28m。

4.4 注漿材料選擇

注漿一方面要充填圍巖內(nèi)部裂隙，另一方面必須保證圍巖裂隙不再次張開，從保證漿液結(jié)石體強(qiáng)度和黏結(jié)力兩方面考慮，確定本工程圍巖注漿采用水泥漿與高分子化學(xué)漿，進(jìn)行混合注漿 (由于裂隙剛形成，部分區(qū)域未能形成連續(xù)的裂隙，水泥漿為顆粒型注漿材料，可注性差，當(dāng)遇到水泥漿液無法注入的地方進(jìn)行化學(xué)注漿)。

4.5 加固施工順序

整個工程的施工順序?yàn)橄冗M(jìn)行巷道幫頂?shù)淖{施工，巷道幫頂?shù)氖┕ろ樞驗(yàn)?高壓水泥注漿→化學(xué)注漿→注漿錨索支護(hù)。

加固順序:兩幫加固→頂板加固。

注漿加固施工工藝:幫、頂水泥淺孔注漿→幫、頂水泥深孔注漿→化學(xué)注漿→幫、頂預(yù)應(yīng)力注漿錨索支護(hù)。

5 效果檢驗(yàn)

礦壓監(jiān)測的目的是檢驗(yàn)加固質(zhì)量和了解圍巖狀態(tài)。礦壓監(jiān)測的內(nèi)容包括巷道表面位移 (十字布點(diǎn))和支護(hù)體 (錨桿、錨索)受力變化監(jiān)測(GYS－500測力計(jì))。監(jiān)測方法如圖3，圖4所示，典型監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

圖3 巷道表面位移監(jiān)測斷面布置

圖4 錨索 (桿)測力計(jì)安裝示意

表1 井底巷道注漿前后表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過注漿前后的礦壓觀測 (巷道表面位移監(jiān)測、支護(hù)體 (錨桿、錨索)受力變化監(jiān)測和巷道表面觀感質(zhì)量檢查)，各監(jiān)測值及巷道表面觀感效果均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

玉溪煤礦高壓注漿配合強(qiáng)力錨索支護(hù)的綜合加固設(shè)計(jì)方案實(shí)施后，架空乘人器硐室加固前監(jiān)測垂直方向最大位移0.309m，注漿加固初期降至0.016m，加固后期降至0.007m;水平方向從0.334m初期降至0.041m，后期降至0.007m。膠輪車庫加固前監(jiān)測垂直方向最大位移0.161m，注漿加固初期降至0.015m，加固后期降至0.009m;水平方向從0.126m初期降至0.01m，后期為0.014m。從監(jiān)測結(jié)果來看加固方案完全達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)，有效地解決了工程施工過程中遇到的難題，保證了施工質(zhì)量和安全，給煤礦工程解決類似問題提供了思路和方法。在具體的工程實(shí)踐中，根據(jù)地質(zhì)條件和各類支護(hù)參數(shù)再進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，確定合理的支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

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