深部高應(yīng)力軟巖巷道底板聯(lián)合加固施工技術(shù)

郝明月，宋 道

(河南龍宇能源股份有限公司，河南 永城 476600)

隨著礦井開(kāi)采深度的不斷增加，巷道的支護(hù)難度也越來(lái)越大。特別是高應(yīng)力的軟巖巷道常常表現(xiàn)出強(qiáng)流變的特性，圍巖變形控制難度較大[1，2]。而人們?cè)谶M(jìn)行高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)時(shí)，往往只注重兩幫及頂板的支護(hù)，很少對(duì)底板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，從而造成高應(yīng)力軟巖巷道底板成為了整個(gè)巷道支護(hù)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。巷道在高應(yīng)力的作用下，底板巖石首先發(fā)生底鼓變形，繼而引發(fā)巷幫及頂板變形破壞，最終導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的破壞失穩(wěn)[3-5]。陳四樓煤礦九采區(qū)泵房及變電所所在巖層為高應(yīng)力軟巖巷道，巷道支護(hù)后礦壓顯現(xiàn)較明顯，尤其是底鼓變形較大，為此陳四樓煤礦開(kāi)始嘗試在高應(yīng)力軟巖巷道底板采用聯(lián)合加固技術(shù)，提高底板的支護(hù)強(qiáng)度，控制巷道的底鼓及變形，從而提高巷道整體的支護(hù)效果。

1 工程概況

陳四樓煤礦九采區(qū)泵房及變電所工程量總設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為186.92m，其中，九采區(qū)泵房通道11.5m、變電所40.6m、變電所回風(fēng)道26.76m、配電室11.9m、泵房44.7m、管子道39.16m、配水井硐室9.3m、吸水井硐室3m，服務(wù)年限預(yù)計(jì)為20a。九采區(qū)泵房及變電所開(kāi)口位置位于九采區(qū)回風(fēng)下山底車(chē)場(chǎng)，開(kāi)口處巷道底板標(biāo)高為-853m，巷道平面布置圖如圖1所示。

圖1 巷道平面布置示意圖

九采區(qū)泵房及變電所所處區(qū)域位于陳四樓向斜軸部及東翼鋁質(zhì)泥巖層位，整體上為一單斜構(gòu)造，無(wú)巖漿侵入體、陷落柱等構(gòu)造發(fā)育，煤巖層走向北北西向，傾向南西西向，該巷道掘進(jìn)范圍內(nèi)煤巖層形態(tài)較為穩(wěn)定，掘進(jìn)范圍內(nèi)煤巖層傾角變化較小，預(yù)計(jì)褶曲對(duì)巷道掘進(jìn)影響較小。根據(jù)三維地震勘探資料、臨近巷道實(shí)際揭露地質(zhì)情況、周?chē)锏赖刭|(zhì)超前探測(cè)資料分析，預(yù)計(jì)在該巷道施工過(guò)程中將一次揭露一條落差為0～5m的正斷層X(jué)F2和一條落差為0～7m的正斷層X(jué)F15。巷道底板距二2煤層法向距離約在15.7～45.3m之間，巷道不會(huì)揭露二2煤層。

2 底鼓變形機(jī)理及聯(lián)合加固技術(shù)

2.1 九采區(qū)底鼓變形機(jī)理

九采區(qū)泵房及變電所所處巷道埋深較深，構(gòu)造應(yīng)力較大，同時(shí)由于受到XF2和XF15兩條正斷層的影響，巷道圍巖破碎，圍巖強(qiáng)度較低，孔隙率較大，加上九采區(qū)泵房及變電所所處區(qū)域位于陳四樓向斜軸部，應(yīng)力較為集中，多項(xiàng)因素共同作用下，巷道圍巖表現(xiàn)出顯著的塑性和流變性。而且巷道掘進(jìn)期間已對(duì)頂板及兩幫進(jìn)行了加強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度較大，而底板未進(jìn)行有效支護(hù)，是整個(gè)巷道支護(hù)系統(tǒng)最薄弱的地方，最終導(dǎo)致底板巖層在水平應(yīng)力作用下與形成褶曲構(gòu)造相類(lèi)似，向巷道空間鼓起[6-9]。同時(shí)由于施工過(guò)程及頂?shù)装宄鏊惹闆r產(chǎn)生的水源流入巷道底板巖石，減少了巖石層理、節(jié)理和裂隙間的摩擦力，使巖石的整體抗壓、抗剪強(qiáng)度降低，且九采區(qū)泵房及變電所位于鋁質(zhì)泥巖層位，巖石中存在遇水產(chǎn)生膨脹的礦物成分，由于礦物成分吸水體積增大，巖石發(fā)生破裂，底板巖石甚至?xí)耆珕适?qiáng)度，從而加劇底板鼓起破壞。

2.2 聯(lián)合加固技術(shù)

巷道底鼓量大是深部軟巖巷道礦壓顯現(xiàn)的一個(gè)顯著特征，也是治理的難題之一。多年來(lái)，在煤礦淺部巷道中由于支護(hù)存在“強(qiáng)頂、強(qiáng)幫、弱底”的現(xiàn)狀，進(jìn)入深部后受淺部支護(hù)理念影響及深部巷道高應(yīng)力的影響，巷道表現(xiàn)出強(qiáng)烈的底鼓。為了解決這個(gè)問(wèn)題，陳四樓煤礦開(kāi)始采用“錨網(wǎng)帶+錨索梁+注漿”聯(lián)合加固技術(shù)，對(duì)深部軟巖巷道底板進(jìn)行加固。

錨桿對(duì)圍巖起到加固作用。鋼帶對(duì)錨桿間的圍巖施以徑向約束，阻止其擴(kuò)容和離層，從而增加次生關(guān)鍵承載圈的厚度和承載能力，使圍巖的關(guān)鍵承載圈受力趨于均勻和內(nèi)移。網(wǎng)的作用主要是通過(guò)金屬網(wǎng)對(duì)巷道底板進(jìn)行封閉支護(hù)；同時(shí)也擴(kuò)大了錨桿的有效承載面積，有利于保持巷道圍巖的完整與穩(wěn)定。托盤(pán)則是產(chǎn)生托錨力的必不可少的構(gòu)件。通過(guò)鋼帶、網(wǎng)和托盤(pán)的共同作用，使錨桿的作用力能夠均勻地分布在圍巖表面，改變了巷道表面圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，提高了次生關(guān)鍵承載圈的承載能力，從而有效約束圍巖變形，同時(shí)促使關(guān)鍵承載圈穩(wěn)定。注漿錨索以加固圍巖的作用為主，同時(shí)提高深部巖石的注漿效果。注漿加固是利用漿液把圍巖的各種弱面充實(shí)，并把弱面充填體和四周巖體重新膠結(jié)起來(lái)，從而提高圍巖的整體穩(wěn)定性及其力學(xué)性能，改善圍巖的物理力學(xué)性能。實(shí)踐證明，圍巖注漿加固可以有效地改善圍巖結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性質(zhì)、提高圍巖自承能力、降低支護(hù)成本，并且改善巷道支護(hù)效果。

3 底板聯(lián)合加固技術(shù)施工

九采區(qū)泵房及變電所進(jìn)行底板聯(lián)合加固時(shí)，先按要求對(duì)巷道底板進(jìn)行拉底，再對(duì)巷道底板進(jìn)行加固，待注漿加固結(jié)束后再回填矸石至設(shè)計(jì)深度，最后再統(tǒng)一打設(shè)100mm厚地坪。

3.1 淺層預(yù)注漿

九采區(qū)泵房及變電所底板巖石破碎，直接進(jìn)行錨桿及錨索加固，施工眼孔后碎石較多，安設(shè)錨桿及錨索較困難，所以考慮拉底后對(duì)巷道底板松散層進(jìn)行淺層注漿，然后再進(jìn)行錨桿及錨索加固?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，底板每排埋設(shè)2根注漿管，對(duì)稱(chēng)布置在巷道兩側(cè)，注漿管間排距為2000mm×3000mm。注漿管采用Φ20mm鍍鋅鋼管加工而成，長(zhǎng)1500mm，注漿管埋設(shè)后外露不得超過(guò)100mm。埋設(shè)注漿管時(shí)采用YTP-26型風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)，配合使用Φ28mm風(fēng)鉆頭、長(zhǎng)1.6m的風(fēng)鉆桿。埋設(shè)注漿管時(shí)根據(jù)需要可外露80～100mm，可使用水泥對(duì)注漿管進(jìn)行固定和封閉。

3.2 底板加固

3.2.1 錨網(wǎng)帶支護(hù)

底板采用錨網(wǎng)帶加固時(shí)，M鋼帶沿垂直巷道縱向布置。錨桿采用Φ22mm×2500mm的左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿(屈服強(qiáng)度500MPa)，變電所回風(fēng)道及管子道使用2.8m長(zhǎng)的M鋼帶(錨桿間距800mm，共4根錨桿)、變電所及泵房使用4m長(zhǎng)的M鋼帶(錨桿間距750mm，共6根錨桿)、配電室使用3.4m長(zhǎng)的M鋼帶(錨桿間距800mm，共5根錨桿)、通道使用3.2m長(zhǎng)的M鋼帶(錨桿間距750mm，共5根錨桿)，錨桿排距為800mm，錨桿間排距誤差范圍±100mm。每根錨桿配2卷MSM2350樹(shù)脂錨固劑，錨桿預(yù)緊力矩為250～300N·m，外露長(zhǎng)度為10～50mm，底板不平整導(dǎo)致錨桿托盤(pán)無(wú)法緊貼巖面時(shí)可加墊木塊。網(wǎng)片搭接100～200mm，連網(wǎng)間距不超過(guò)300mm。九采區(qū)泵房底板加固示意圖如圖2所示。

圖2 九采區(qū)泵房底板加固示意圖(mm)

3.2.2 注漿錨索支護(hù)

底板采用錨索梁加固時(shí)，錨索梁沿巷道方向布置在錨網(wǎng)帶上方(其中回風(fēng)道及管子道布置2排、變電所及泵房布置3排、配電室布置2排、通道布置3排)，錨索梁使用3m長(zhǎng)的12#槽鋼，錨索采用Φ21.6mm×6300mm的注漿錨索，錨索間距1300mm，每根錨索使用2卷MSM2350樹(shù)脂錨固劑。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)采用ZQJC-360/7.1型氣動(dòng)架柱式鉆機(jī)進(jìn)行注漿錨索加固施工。

3.2.3 注漿加固

注漿錨索施工結(jié)束后，再依次從巷道開(kāi)口位置向里對(duì)巷道底板錨索進(jìn)行注漿，注漿前可以使用水泥對(duì)注漿錨索孔口封閉，待凝固后再進(jìn)行注漿，防止跑漿。注漿時(shí)，采用2ZBQ-11.5/3型煤礦用氣動(dòng)注漿泵配合攪拌機(jī)進(jìn)行注漿加固，制漿配比：水灰比0.8～1，即每桶(Φ0.7m×0.75m)漿使用5～6袋425#普通硅酸鹽水泥，壓力控制在0.8～1MPa[10，11]。待注漿結(jié)束后，至少等待2d后再安裝錨索梁并配備90mm×90mm的錨索托盤(pán)，對(duì)注漿錨索進(jìn)行張緊，張緊力不小于36MPa，截?cái)嗪笸饴堕L(zhǎng)度為150～200mm。

4 礦壓觀(guān)測(cè)

九采區(qū)泵房及變電所底板加固施工結(jié)束后，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中揭露兩條斷層位置處分別安設(shè)一組檢測(cè)點(diǎn)觀(guān)測(cè)巷道底板表面位移情況，1#觀(guān)測(cè)點(diǎn)分別安設(shè)在泵房向里18m處(XF15正斷層位置)，2#觀(guān)測(cè)點(diǎn)分別安設(shè)在變電所內(nèi)向里32m處(XF2正斷層位置)，底鼓量變化曲線(xiàn)如圖3所示。分析圖3可知，巷道進(jìn)行底板聯(lián)合加固后，底鼓很小，底板變形得到了很好的控制。

圖3 底鼓量變化曲線(xiàn)

5 結(jié) 語(yǔ)

九采區(qū)泵房及變電所通過(guò)采用底板聯(lián)合加固技術(shù)，取得了良好的效果。施工結(jié)束后分別對(duì)巷道兩條斷層影響區(qū)段進(jìn)行底板變形測(cè)量觀(guān)測(cè)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析，底板聯(lián)合加固后，巷道底板在加固30d之后就趨于穩(wěn)定，變形量很小，而且現(xiàn)場(chǎng)巷道無(wú)明顯漿皮開(kāi)裂、底鼓現(xiàn)象。這表明底板聯(lián)合加固技術(shù)在深部高應(yīng)力軟巖巷道底板治理中達(dá)到了支護(hù)效果，值得在相似工程中推廣使用。