中深部軟巖斷層影響下硐室群聯(lián)合加固技術(shù)研究

馬志強(qiáng)

(霍州煤電集團(tuán) 李雅莊煤礦， 山西 霍州 031400)

我國(guó)礦井多數(shù)為井工煤礦，對(duì)于開(kāi)采深度較深、圍巖情況較差的礦井，長(zhǎng)期存在巷道變形嚴(yán)重的情況，部分永久硐室在服務(wù)年限內(nèi)需要多次返修，以保證基本的巷道規(guī)格與圍巖安全需求。目前大多數(shù)礦井巷道變形采取反復(fù)擴(kuò)刷、錨桿索支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)、圍巖注漿等單一的方法進(jìn)行處理，無(wú)法徹底解決圍巖變形的問(wèn)題。為此李雅莊煤礦開(kāi)展了中深部軟巖構(gòu)造影響下大型硐室群聯(lián)合加固技術(shù)研究。

1 工程背景

李雅莊煤礦八采區(qū)水泵房與變電所硐室群屬于永久性大型硐室群，該硐室群包括水泵房主體泵房、壁龕、吸水井、配水巷、水倉(cāng)、變電所等，縱橫交錯(cuò)，主體寬5.6 m，高6.3 m，斷面積為29.9 m2，屬于超大斷面巷道。該硐室群埋深為598～610 m，在掘進(jìn)施工過(guò)程中揭露了H=4 m的正斷層，造成圍巖破碎,原巖應(yīng)力較大，硐室群在施工完成后出現(xiàn)了“巷道普遍底鼓，底鼓量最大達(dá)到1.6 m”“靠近進(jìn)風(fēng)通道附近的硐室兩幫具有整體外移的現(xiàn)象，兩幫整體變形達(dá)0.8～1.2 m”“錨桿、錨索破斷”等圍巖破壞現(xiàn)象。同時(shí)該硐室群布置在2號(hào)煤底板巖層中，巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖、鋁質(zhì)泥巖，泥巖自身強(qiáng)度低，其礦物成分中高嶺石、伊利石等含量普遍較高，頂板伴有淋水現(xiàn)象，使得圍巖遇水后軟化破壞嚴(yán)重，加劇了巷道圍巖的變形破壞程度。水泵房與變電所硐室群平面布置見(jiàn)圖1.

圖1 水泵房與變電所硐室群平面布置圖

2 硐室群二次圍巖加固技術(shù)原則

目前礦井普遍采用錨網(wǎng)梁索的支護(hù)形式[1-2]，軟巖巷道中圍巖在錨網(wǎng)索等支護(hù)的作用下，組成一個(gè)原巖應(yīng)力承載體，并且是最主要的承載體；此承載體的作用是抵抗在原巖應(yīng)力的作用下，保持自身承載體基本結(jié)構(gòu)的完整，保證安全生產(chǎn)的基本條件。 該硐室群已經(jīng)采用錨網(wǎng)梁索加噴漿的方法完成了一次支護(hù)，本次二次加固的技術(shù)原則是維護(hù)和提高松動(dòng)圍巖的殘余強(qiáng)度，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力。因而在巷道圍巖加固中，以下幾個(gè)方面是必須要考慮的。

2.1 底板支護(hù)原則

中深部軟巖巷道圍巖承載體所承受的載荷來(lái)自巷道的四周，包括底板。目前絕大部分巷道底板不進(jìn)行支護(hù)，造成圍巖承載體沒(méi)有閉環(huán)，在圍巖承載體上形成一個(gè)薄弱點(diǎn)，出現(xiàn)木桶效應(yīng)，降低了整個(gè)巷道圍巖承載體的承載能力[3].所以深部軟巖巷道底板必須進(jìn)行支護(hù)。

2.2 吸能、讓壓、可縮性支護(hù)原則

軟巖巷道最大的特點(diǎn)就是圍巖自身承載能力差，圍巖受力后變形大[4]. 普通的錨網(wǎng)索等支護(hù)在大的變形壓力作用下會(huì)出現(xiàn)錨桿、錨索破斷等問(wèn)題，造成圍巖承載體的破壞，使巷道處于事實(shí)上的支護(hù)弱化狀態(tài)，經(jīng)過(guò)時(shí)間的累計(jì)，支護(hù)會(huì)更加弱化，直至造成事實(shí)狀態(tài)下的支護(hù)失效。所以軟巖巷道支護(hù)的主體結(jié)構(gòu)必須是吸能可縮性支護(hù)，當(dāng)原巖應(yīng)力超過(guò)圍巖的承載能力后，支護(hù)體適當(dāng)變形讓壓，減少支護(hù)體受力，保證支護(hù)體的完好，從而保證圍巖承載體的完整，讓圍巖自身發(fā)揮更大的承載能力。吸能可縮性支護(hù)體有恒阻錨索等。

2.3 二次加固原則

實(shí)踐表明，在礦壓大的情況下，通過(guò)采用高強(qiáng)阻力的一次支護(hù)，無(wú)法滿足軟巖巷道初期形變大、變形速度快的特征，必須采取一次讓壓二次加固支護(hù)成巷的方法。一次支護(hù)的主要目的是通過(guò)加固圍巖，使圍巖的殘余強(qiáng)度提高，防止巷道圍巖出現(xiàn)過(guò)度變形膨脹。在一次支護(hù)完成，巷道圍巖產(chǎn)生合理形變釋放一定的原巖應(yīng)力后，結(jié)合巷道的服務(wù)年限，進(jìn)行二次圍巖加固，給巷道提供較高的支護(hù)強(qiáng)度、剛度、韌度，且使三者達(dá)到平衡，保持巷道在服務(wù)年限內(nèi)的穩(wěn)定。

2.4 提高圍巖自身殘余強(qiáng)度的原則

錨網(wǎng)索等主動(dòng)支護(hù)的前提是巷道圍巖必須有一定的自身承載能力，且圍巖自身承載能力越高，支護(hù)效果越好。因此對(duì)于自身承載能力較差的軟巖巷道必須提高圍巖自身殘余強(qiáng)度。

軟巖巷道開(kāi)挖后，圍巖會(huì)受風(fēng)化與淋水的影響，強(qiáng)度降低，因此必須及時(shí)噴射混凝土封閉圍巖，杜絕圍巖被風(fēng)化潮解層層剝皮，造成圍巖殘余強(qiáng)度的降低。同時(shí)在施工過(guò)程中需要注意采取光面爆破、綜掘施工等技術(shù)盡量降低對(duì)圍巖強(qiáng)度的破壞。此外還可以考慮多種主動(dòng)加固圍巖的方法，以提高圍巖自身殘余強(qiáng)度，加強(qiáng)圍巖承載能力。采用高承載能力、高密度、深孔錨注錨索的方法，將圍巖承載圈加大、加厚可以部分恢復(fù)和提高破裂圍巖的殘余強(qiáng)度；錨索錨固力越大、錨固深度越深、密度越高，形成的圍巖承載圈就越強(qiáng)，加固作用就越明顯。進(jìn)行高壓注漿可以通過(guò)填充裂隙、改善圍巖內(nèi)部膠結(jié)狀態(tài)等改善圍巖自身的特性，提高圍巖自身強(qiáng)度，保證支護(hù)效果。

3 硐室群二次加固思路

在硐室群二次圍巖加固技術(shù)原則上提出對(duì)巷道采用非連續(xù)“雙殼”支護(hù)模型，即采用“淺部注漿+淺部錨索束加固+深部注漿+底板深部錨索束加固”的模式實(shí)現(xiàn)深部巷道非連續(xù)“雙殼”加固。

其具體的思路為：在硐室群圍巖中形成兩層的殼結(jié)構(gòu)，淺部殼體由一次支護(hù)的錨桿索、淺部注漿體、淺部補(bǔ)強(qiáng)錨索構(gòu)成，深部殼體由二次深部補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的錨索及深部注漿體構(gòu)成，深淺兩個(gè)“殼結(jié)構(gòu)”之間由未注漿的含有裂隙的原巖組成，兩個(gè)殼體結(jié)構(gòu)通過(guò)二次深部補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的錨索互相作用，共同形成可吸能的殼承載結(jié)構(gòu)，形成了時(shí)序上由外向里的遞進(jìn)式承載，并能夠有效釋放無(wú)法控制的額外能量。

4 硐室群修復(fù)加固工序流程

1) 巷道擴(kuò)修。將硐室群內(nèi)的水泵房、變電所、回風(fēng)通道等擴(kuò)修到原巷道設(shè)計(jì)的尺寸。

2) 頂幫淺部圍巖殼結(jié)構(gòu)加固。頂幫進(jìn)行錨索束二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，新錨索沿巷道軸向布置，相鄰錨索采用槽鋼連接，起到桁架支護(hù)的作用。幫頂淺孔注漿加固：注漿孔深度2 m，注漿管長(zhǎng)度1 m，注漿壓力為3～5 MPa，采用MZY80型無(wú)機(jī)注漿材料，按照水灰比(0.4～1)∶1的比例進(jìn)行注漿。

3) 頂幫深部圍巖殼結(jié)構(gòu)加固。頂幫深部圍巖殼結(jié)構(gòu)采用單一的注漿加固。頂幫注漿孔打6 m深孔，注漿管長(zhǎng)度3.5 m，注漿壓力7～8 MPa，其余注漿參數(shù)同上。

4) 殼結(jié)構(gòu)底板錨索束施工。底板采用10 m錨索束+廢舊鋼軌梁的支護(hù)形式，并在孔中同時(shí)安裝注漿管，注漿管預(yù)留6.5 m深，為底板深部注漿使用。

5) 底板注漿。先實(shí)施淺孔注漿(有可能在底板支護(hù)前就需要淺部先注漿)，注漿孔的深度在2 m，注漿管長(zhǎng)度1 m，注漿壓力為3～5 MPa；后實(shí)施深孔注漿，通過(guò)安裝在底板錨索束中的注漿管實(shí)施深部底板注漿，注漿壓力7～8 MPa，其余注漿參數(shù)同上。

6) 底板錨索張拉。底板深孔注漿完成，待凝固72 h后，對(duì)底板錨索束進(jìn)行張拉。

5 現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)

該次試驗(yàn)巷道在進(jìn)行二次加固后，采用巷道頂板離層監(jiān)測(cè)、錨桿索受力監(jiān)測(cè)、巷道圍巖表面位移監(jiān)測(cè)3種方法，對(duì)加固效果進(jìn)行檢驗(yàn)與驗(yàn)證。巷道圍巖表面位移監(jiān)測(cè)是在巷道布置“十字樁”，記錄巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷南鄬?duì)移近量及變化趨勢(shì)。采用離層儀監(jiān)測(cè)巷道頂板是否離層及變化趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)值見(jiàn)圖2；采用液壓枕監(jiān)測(cè)錨桿索的受力情況與受力變化趨勢(shì),監(jiān)測(cè)值見(jiàn)圖3.

圖2 巷道頂?shù)装逡平勘O(jiān)測(cè)值圖

圖3 錨桿索的受力監(jiān)測(cè)值圖

由礦壓監(jiān)測(cè)與圍巖形變觀測(cè)結(jié)果可知，施工完成后水泵房與變電所的兩幫回縮量不大于25 cm，底鼓量不大于20 cm、未出現(xiàn)頂板離層現(xiàn)象，錨索受力最大為170 kN，錨桿受力最大為62 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于錨桿索的破斷值，巷道支護(hù)可靠有效。

6 施工效果

通過(guò)采用“圍巖淺部錨索束+淺部注漿”+“圍巖深部注漿”+“底板錨索束加固+底板淺深部分次注漿”的方法加固后形成的雙殼圍巖能夠極大地提高巷道圍巖強(qiáng)度，同時(shí)由于非連續(xù)雙殼中有3～4 m柔性層的存在，在圍巖深部與淺部中形成一個(gè)低應(yīng)力裂隙圈，既能吸收裂隙圈外部的位移，又是傳遞應(yīng)力的緩沖帶。圍巖裂隙圈兩側(cè)均為相對(duì)的高應(yīng)力彈性區(qū)，能夠保證發(fā)揮殼體的自承能力，提高圍巖自身的承載力，保證巷道整體的穩(wěn)定性。