馬蘭礦南翼大巷注漿加固返修控制技術研究

梁吉曾

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 工程背景

馬蘭礦井底車場水平南翼大巷的主要變形區(qū)域集中在兩幫、頂板。同時，巷道在壓力作用下受損嚴重，尤其是碹體巷道的收縮變形，導致巷道正常的運輸工作無法正常進行。該巷道于2005年對其采用29U型棚整修并加固，但由于該支護方案的缺陷性較為明顯。通過錨索等支護對巷道的補強、加固作用并不明顯。11年后該巷道的U型棚支護段受壓彎曲段達到了50%。兩幫的收縮非常明顯，其值由4.2m逐漸減小至3.4m，無法通過雙軌進行運輸，現(xiàn)變?yōu)閱诬夁\輸。另一方面，如果加之過去的巷道修理技術進行擴巷整修的話，會產(chǎn)生一定的離層和松動巖體的冒落現(xiàn)象，范圍逐漸增大，危害極深，最終有可能導致巷道的永久性損傷，無法整修。這樣的方案極大的影響了該礦的年產(chǎn)量，使得效率降低，形成技術上的瓶頸。通過研究受動壓及構造影響的碎裂圍巖巷道破壞的原因和機理，從而提出適合其破壞特點的修復技術，不僅可以克服巷道反復破壞維修影響安全和生產(chǎn)的局面，而且巷道破壞冒頂及底鼓的安全狀況也將得到根本改善。

2 巷道變形破壞特點及原因分析

2.1 巷道圍巖變形破壞觀測

圍巖的破壞失穩(wěn)變形斷裂的狀態(tài)嚴重影響著后續(xù)巷道深部的巖體裂隙發(fā)育狀態(tài)。通過裂隙狀態(tài)的測定初步提供計算支護參數(shù)的計算參照及其方法。對巷道頂部的巷道通過鉆孔窺視儀進行現(xiàn)場試驗。通過推桿的傳遞使得鉆孔攝像探頭圍繞圍巖鉆孔開展探測。本方法可被廣泛運用于現(xiàn)場測試當中，全景的圖像存儲方式為靜止捕獲的方法處理和快速存儲全景圖像，對于研究塑性區(qū)范圍和圍巖破斷情況存在重要的意義。同時探頭的移動始終處于動態(tài)當中，直到觸及鉆孔底部為止。在南翼大巷圍巖變形最嚴重處設置原位測試孔，對頂板巖層變形進行窺視，窺視結果如圖1所示。

圖1 頂板巖層破壞窺視結果圖

由圖1可知，大巷在長期高應力影響作用下，在圍巖內部產(chǎn)生大量的裂隙，而巷道原來采用砌碹支護方式，該支護方式屬于被動支護，無法為巷道提供足夠的支護阻力而導致巷道圍巖變形嚴重。巷道淺部圍巖已發(fā)基本處于破碎狀態(tài)，隨著鉆孔深度的增加，圍巖破壞程度有所減弱，但在2.0m～3.5m范圍內，孔周邊圍巖仍有大量的裂隙存在，當孔內深度達到4.0m時，圍巖完整性相對較好，由上述分析可知，該巷道圍巖松動圈范圍為3.5m。

2.2 巷道變形破壞特點

1）原來的錨以及拱的組合在一個層面上支持巷道在靜水壓力下，保持基本不變的狀態(tài)。但反過來在動態(tài)壓力下，甚至有使可伸縮的U型鋼架和錨索加固巷道穩(wěn)定性變差和嚴重破壞變形。

2）以U-29型號的鋼架對巷道的變形破斷進行修復，鋼筋混凝土和支架后部背坑木的影響使得其受力作用較弱，存在并伴隨著嚴重的空幫、空頂現(xiàn)象。一定程度上使得支架的支護承載作用削弱，無法完全達到規(guī)定的要求范圍之內。靜態(tài)水壓力的條件下卻能保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)特征，隨著時間的推移其無法避免出現(xiàn)變形情況。動態(tài)壓力下是一個嚴重的變形破壞，導致嚴重的變形支架，彎折，扭轉，縮成一團，插入底板下，如變形破壞模式，形成尖頂顯示巷道嚴重收縮段。如上推斷，修復后的支護結構仍然無法保持巷道的穩(wěn)定性。

3）主要的破壞形式為兩幫由外向內擠，特別是擁擠在底角的數(shù)量大。支架不斷受到尖頂形態(tài)的沖擊作用。頂板及底板的變形量加大。最終導致了其支護結構的整體破壞。

4）巷道圍巖變形和破壞后，其主要特征是柔軟、破碎、松散，其承載的性能極低。修復巷道時的圍巖破碎以及頂板垮落，一大批空頂、空幫現(xiàn)象出現(xiàn)后，若修復不及時，則無法進行有效的加固手段，會導致加劇后期巷道變形與破壞。

2.3 巷道變形破壞原因

1）巷道周邊圍巖強度較低，部分屬于軟巖成分，在長期的高應力作用下，圍巖變形破壞現(xiàn)象愈發(fā)嚴重，進而導致穩(wěn)定性降低，頂?shù)装寮皟蓭鸵平砍掷m(xù)增加。

2）在回采動壓及地質構造的雙重影響下，圍巖應力發(fā)生重新分布，當支護系統(tǒng)所承受的載荷超過其極限承載能力時，則可導致其發(fā)生結構性扭曲，應力集中位置出現(xiàn)偏移。

3）支護方式不合理，在該地質條件下，U型鋼棚支護對改善圍巖應力環(huán)境及加強圍巖支護強度的作用并不明顯，無法有效控制圍巖變形。圍巖松動圈范圍的擴大更加劇了U型鋼棚的收縮變形。

3 巷道圍巖控制方案及參數(shù)確定

基于圍巖松動圈范圍觀測、巷道變形破壞特點及原因分析，提出了采用“錨注+U型鋼可縮性金屬支架聯(lián)合支護及關鍵部位錨桿加強支護”的巷道整修方案，其關鍵技術參數(shù)如下：

1）U型鋼架+錨桿補強支護。在對巷道進行返修時，通過采取擴幫、刷頂工作來實現(xiàn)巷道合理的斷面積，然而巷道某些區(qū)域圍巖破碎嚴重，需另進行補強支護。若圍巖的可錨性能較好，則可先進行錨桿支護，或進行U型鋼架支護；若圍巖的可錨性能相對較差，則先進行U型鋼架支護，后進行錨桿支護，鋼架采用29U型，排距選取為800mm。

2）長短管壁后注漿充填。壁后充填采用直徑為26mm、長度為500mm的短管和直徑為26mm、長度為1500mm的長管相配合來進行，注漿管間距為1.2m、排距為1.6m。注漿材料選用質量比為1：1的美固364混合液體，注漿壓力按3～6MPa選取。

3）巷道全斷面注漿加固。在長短管壁后注漿加固完成后，滯后其20m距離，在注漿孔間布置注漿錨桿，另外隔排布置螺紋加強錨桿，注漿錨桿和加強錨桿其間距均為1.2m，排距均為1.6m。

圖2 巷道返修支護示意圖

4）底角注漿錨桿。在與底板相距0.3m處，由巷幫處與水平面成30°夾角斜向下布置底角注漿錨桿。巷道返修支護示意圖如圖2所示。

4 巷道返修支護施工工藝流程

首先進行的是：擴幫、刷頂完成之后開始進行U型棚的架設、打眼。打眼完成后將注漿管進行埋設，接著安裝封口器。注射泵以及注射槍用高壓膠管相互連接后。通過插入裝有美固364樹脂桶的兩根吸管得以工作完成。后期開始注漿，待注漿完成后沖洗相應的機具同時，停止泵站工作并且進行注射槍的移除。

具體施工過程：將原來已經(jīng)變形的U型鋼棚拆除，對巷道斷面進行整修后，重新架設U型棚；在巷道壁開鑿淺部鉆孔后插入注漿短管，進行淺部注漿加固；淺部注漿完成后，在兩淺孔間鉆直徑為42mm、長度為3200mm的深孔，進行深孔注漿加固。同時為控制巷道底鼓變形，在巷道底角處布置直徑為25mm、長度為3000mm的底角錨桿；滯后20m距離，選用螺紋加強錨桿進行補強支護。巷道加固治理效果分析。

巷道在未進行返修處理時，圍巖變形嚴重，無法滿足正常使用的要求，對工作人員的人生安全產(chǎn)生很大的威脅。返修處理后，巷道成形良好，斷面得到保障，圍巖穩(wěn)定性得到提高，返修前后巷道圍巖變形對照圖如圖3所示。

圖3巷道整修前后對照圖

圖4 表示的是注漿前及后的巷道頂板鉆孔窺視圖。根據(jù)圖中所示可知，注漿前的頂板離層使得其發(fā)生破碎。巷道在承載過程中的安全系數(shù)同時也較低。架棚法支護不足以滿足其強度條件。注漿之后，漿液的粘結固化使得其強度明顯增加，殘余強度達到安全值，較易得到相應的較大承載力。

圖4 注漿前后對照圖

在巷道整修區(qū)域建立礦壓觀測站，對巷道兩幫及頂板位移量進行120d的持續(xù)觀測，繪制如圖5所示曲線。由圖可知，巷道圍巖變形主要集中在返修施工完成前20d內，頂板下沉量及兩幫移近量可達到60mm和40mm，變形速度分別為3mm/d和2mm/d，此后變形速度及變形量趨于平緩，最終頂板下沉量為75mm，兩幫移近量為55mm，該支護方案針對巷道變形破壞優(yōu)化作用顯著。

圖5 巷道圍巖變形曲線

5 結 論

對南翼大巷采用“錨注+U型鋼可縮性金屬支架聯(lián)合支護及關鍵部位錨桿加強支護”的巷道整修方案，經(jīng)現(xiàn)場工業(yè)性試驗結果表明，該方案可改善圍巖性質，提高圍巖的自承載能力，充分發(fā)揮支護系統(tǒng)的支護性能，最終實現(xiàn)圍巖變形控制，該研究為該類的巷道的支護設計以及支護施工均提供了有力的指導。