深部礦井破碎松軟圍巖支護(hù)加固技術(shù)應(yīng)用

米文川MI Wen-chuan

（中煤第一建設(shè)有限公司第四十九工程處，邯鄲 056003）

0 引言

隨著井巷技術(shù)的成熟發(fā)展，錨桿支護(hù)技術(shù)在日趨成熟，在各礦井施工中得到了普遍推廣和應(yīng)用，取得了一定的成效。但由于該技術(shù)的局限性，如施工巷道遇到巖石破碎、淋水增大、地質(zhì)構(gòu)造、裂隙發(fā)育等特殊地質(zhì)條件時(shí)，光使用錨桿支護(hù)達(dá)不到相應(yīng)的支護(hù)效果，通過(guò)改變支護(hù)形式，采取復(fù)合加固措施對(duì)松散破碎圍巖產(chǎn)生良好的整體支護(hù)效果。

1 項(xiàng)目概述

趙樓煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3.0Mt/a，采用豎井單水平開(kāi)拓方式。巷道的特點(diǎn)是分布深，巖層不穩(wěn)定，節(jié)理發(fā)育，局部有淋水，對(duì)后期安全生產(chǎn)有很大的安全隱患，影響趙樓礦井建設(shè)中的一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題就是深部極復(fù)雜松軟底層巷道與大斷面硐室圍巖的穩(wěn)定性控制。隨著礦井工程的不斷延伸，巷道支護(hù)難度將逐漸加大，影響了施工效率，制約了礦井建設(shè)工程的可持續(xù)發(fā)展。

在第一采區(qū)帶式輸送機(jī)下山巷道正常施工至-902m標(biāo)高時(shí)，1304給煤機(jī)硐室中心前15-36m范圍內(nèi)，巷道兩墻和拱部出現(xiàn)縱向裂縫，并伴有涌水，涌水量約6～8m3/h；通過(guò)對(duì)安設(shè)的巷道變形觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)，其中靠北側(cè)的膠帶大巷頂板出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，下沉量為300～500mm，硐室靠近邊緣處最大裂縫有150mm寬。

2 地質(zhì)巖性分析

在1304給煤機(jī)硐室中心前15-36m段揭露3號(hào)煤層，平均厚度3.2m。根據(jù)地質(zhì)預(yù)測(cè)，3#煤層頂板巖性主要為砂巖，在實(shí)際施工中煤層的頂板主要為泥巖，厚度約為3.5m，并伴有淋水。中下部含約1.3m煤夾矸，實(shí)際揭露與預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的巖性相差較大。巷道圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜，頂板泥巖松散破碎，遇水易膨脹，礦壓顯現(xiàn)非常明顯，給支護(hù)帶來(lái)很大困難。

附圖1：實(shí)際揭露地質(zhì)柱狀圖。

圖1 實(shí)際揭露地質(zhì)柱狀圖

3 初始支護(hù)參數(shù)及分析

第一采區(qū)1304給煤機(jī)硐室原支護(hù)方案設(shè)計(jì)支護(hù)形式為采用錨網(wǎng)噴+錨索。

①錨桿支護(hù)參數(shù)為：錨桿采用直徑22×2400mm螺紋鋼錨桿。預(yù)緊力大于120N·m，錨固力大于150kN，間排距為0.8×0.8m。金屬網(wǎng)規(guī)格：用Φ6.5mm圓鋼焊接而成，網(wǎng)孔0.1×0.1m，長(zhǎng)×寬=2.1×1.1m。托盤(pán)規(guī)格：采用厚度14mm，Q235A鋼板制作的鐘形托盤(pán)，規(guī)格：0.15×0.15m。錨桿托盤(pán)必須將網(wǎng)片壓緊、壓平，螺帽擰緊，嚴(yán)禁松動(dòng)。錨桿鉆孔方向與井巷輪廓線角度應(yīng)不小于75°或與層理面、節(jié)理面、裂隙面夾角不小于75°；錨桿間排距：允許偏差±50mm；錨桿外露長(zhǎng)度：露絲長(zhǎng)度為螺母以外10～50mm。

②錨索支護(hù)參數(shù)為：錨索采用直徑17.8×6200mm高強(qiáng)度鋼絞線及配套鎖具。錨索預(yù)緊力100kN，錨固力：大于180kN，錨索間排距為1.6×1.6m。托盤(pán)規(guī)格：采用厚度20mm，Q235A鋼板制作的鐘形托盤(pán)，規(guī)格0.3×0.3m。錨索設(shè)計(jì)預(yù)緊力不低于100kN。錨索間排距：允許偏差±100mm；錨索外露長(zhǎng)度：露出長(zhǎng)度為鎖具以外150～250mm。

③原支護(hù)效果分析：巷道施工時(shí)間不長(zhǎng)就出現(xiàn)了巷道來(lái)壓頂板下沉底板底鼓，巷道局部地方出現(xiàn)裂隙，網(wǎng)兜現(xiàn)象比較嚴(yán)重，直接影響到巷道的支護(hù)質(zhì)量及施工效率，甚至威脅到了作業(yè)人員的生命安全，也無(wú)法為滿足日后的交付使用，必須采取相應(yīng)的措施加以解決。

4 確定加固方案

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，此處巷道頂部巖石已離層，巷道圍巖塑性區(qū)大，尤其是破碎區(qū)大部分圍巖處于破碎狀態(tài)，整體性和穩(wěn)定性較差，與錨桿的及時(shí)結(jié)合不能形成有效的支護(hù)[1]。既有支護(hù)體系難以維持現(xiàn)有巷道支護(hù)的安全性，必須對(duì)其進(jìn)行加固，形成承載力高、抗變型能力強(qiáng)的復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，以有效控制巷道圍巖，實(shí)現(xiàn)巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)與深部圍巖的聯(lián)合作用，從而保證圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，達(dá)到控制圍巖穩(wěn)定性的目的[2]。巷道上部泥巖層局部離層，必須采取有效的措施后方可施工。為保證后期1304工作面施工期間巷道的穩(wěn)定性和安全性，決定在頂板下沉部分先采用密集液壓支柱和木垛臨時(shí)支護(hù)頂板，防止頂板冒落；再對(duì)巷道頂部含水層進(jìn)行集中治理，周?chē)哪鄮r破碎層進(jìn)行注漿加固，使之圍巖有效地成為一個(gè)整體。在密集液壓支柱和道木垛臨時(shí)支護(hù)及頂板破碎圍巖注漿完畢后，采用錨網(wǎng)索梁加固巷道。

5 方案實(shí)施

5.1 支撐式臨時(shí)支護(hù)

為防止在加固施工中巷道頂板發(fā)生大面積冒落，先在1304機(jī)頭硐室的刷大區(qū)域用道木搭設(shè)了三個(gè)“井”字形木垛。巷道按0.7m的間排距支設(shè)液壓?jiǎn)误w支柱，單體支柱采用“穿鞋戴帽”的方式進(jìn)行。

木垛下方與底板接實(shí)，每層采用兩根道木“井”字?jǐn)[放，上下接觸點(diǎn)一致，上部用大木楔背緊接實(shí)，上下相鄰兩層道木用耙勾固定牢固。單體支柱采用“穿鞋戴帽”的方式進(jìn)行，支撐有力，頂板接實(shí)，打好的單體支柱要上好保險(xiǎn)繩，防止倒柱傷人。

5.2 埋管及集中放水孔

加工使用長(zhǎng)度為1m直徑1.2寸注漿管，用麻繩包裹的魚(yú)鱗扣進(jìn)行加固，埋入提前打好的注漿孔內(nèi)，然后在注漿管里鉆孔。當(dāng)孔深達(dá)到砂層時(shí)，通過(guò)高壓球閥連接注漿管開(kāi)始注漿，隔斷注漿孔周?chē)目p隙達(dá)到加固效果，注漿時(shí)注漿壓力控制在3MPa，再進(jìn)行封孔。拆除高壓球閥后，再施工注漿鉆孔，并穿入砂層集中泄壓放水。這種放水方式可以防止砂巖水通過(guò)排水孔進(jìn)入泥巖層，消除大面積浸泡泥巖層。共設(shè)置四個(gè)集中放水孔，放水流量約10m3/h。

5.3 采用注漿方式對(duì)圍巖加固

注漿孔布置采用深、淺孔相穿插結(jié)合的方式。其中淺鉆孔深度為1.5m，深鉆孔深度為2.5m，孔與孔的間排距為1.6m。注漿孔呈三花形布置，深淺孔均安設(shè)長(zhǎng)度為1m的注漿管。布置出兩排注漿孔，先注入第一排孔，另一排孔作為泄壓孔，及時(shí)觀察泄壓孔情況。若出現(xiàn)水泥漿流出，則關(guān)閉泄壓孔閥門(mén)，避免水泥漿液跑漿。

鉆孔采用錨桿鉆機(jī)和風(fēng)鉆，頂部安裝1寸注漿管鉆孔，幫部安裝1.2寸注漿管。

孔口管選用Φ1.2寸和Φ1寸無(wú)縫鋼管加工成2m和1m兩種規(guī)格。其中一側(cè)旋出與高壓球閥連接的螺紋，另一側(cè)車(chē)出0.4m長(zhǎng)的魚(yú)鱗扣。孔口管埋設(shè)要牢固。必須按設(shè)計(jì)要求鉆進(jìn)到位，下管到位，注漿到位，以確?？卓诠艿目拱瘟Α?/p>

注漿連接裝置由高壓膠管、球閥、法蘭等組成，用于連接孔口管和漿液輸送管。高壓球閥采用不小于25MPa壓力球閥。

攪拌器：混合C和S泥漿，并將其注入巖層中。

注漿泵：注漿機(jī)型號(hào)為2JGZ-60/210兩臺(tái)，一備一用。

附圖2：注漿工藝流程示意圖。

圖2 注漿工藝流程示意圖

巷道漿液材料首先采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿以水泥單液漿為主，水泥、水玻璃雙液漿為輔。水泥選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，雙液漿1:0.3～1:0.6。詳見(jiàn)水泥漿液配制表。水玻璃選用液體硅酸鈉型、濃度為30～45波美度、模數(shù)2.4～3.4的水玻璃。水泥漿與水玻璃的體積比，宜為1:0.3～1:0.6。

水泥漿液配制方法是先向水泥漿攪拌機(jī)內(nèi)加入定量的水，開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)后加入定量的水泥，攪動(dòng)均勻后即可，詳見(jiàn)水泥漿配制表1。

表1 水泥漿配制表

注漿壓力控制在1兆帕，終孔注漿壓力為2～3兆帕。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：最終吸漿量和注漿壓力，并有一定的持續(xù)時(shí)間。正常情況下，每次注漿時(shí)，注漿壓力由小逐漸增大，注漿量由大逐漸減小。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)最終壓力值時(shí)，注漿量：?jiǎn)我簼{50～60L/min；雙液漿為100～200L/min，穩(wěn)定時(shí)間10～20min后即可完成注漿。

5.3.1 鉆孔和注漿施工鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)掌握鉆進(jìn)深度，如果鉆孔過(guò)程中有水且水量大于5m3/h，應(yīng)停止鉆進(jìn)進(jìn)行注漿處理；如果水量不大，鉆孔施工至設(shè)計(jì)深度后再進(jìn)行注漿。注灌漿壓力達(dá)到最終壓力后，繼續(xù)10～20分鐘，關(guān)閉球閥，再施工另一個(gè)孔。用雙液封孔，注漿順序從巷道底板開(kāi)始，從下到上注漿。

5.3.2 注漿壓力的控制從上述各階段的變化來(lái)看，開(kāi)始保壓時(shí)間較長(zhǎng)，最后保壓時(shí)間較短。當(dāng)達(dá)到最終壓力時(shí)，可以保持10-20分鐘。

5.3.3 補(bǔ)孔措施設(shè)計(jì)施工鉆孔注漿完成后，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況，在巷道有淋水及巷道裂隙處進(jìn)行補(bǔ)孔注漿，可更有效地對(duì)破碎圍巖進(jìn)行充實(shí)固化，使之穩(wěn)定形成一個(gè)整體。

5.3.4 效果檢驗(yàn)在注漿加固段每隔5m打設(shè)一組觀測(cè)孔，頂板打設(shè)一個(gè)，幫部各打設(shè)一個(gè)，通過(guò)采用窺視儀進(jìn)行鉆孔內(nèi)窺視，檢查注漿加固效果，發(fā)現(xiàn)孔壁密實(shí)完整，沒(méi)有孔隙，說(shuō)明達(dá)到了預(yù)期效果。通過(guò)對(duì)頂板泥巖層進(jìn)行注漿加固和疏放水，使頂部圍巖形成有效整體，防止頂部巖石冒落。

5.4 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

在第一采區(qū)帶式輸送機(jī)下山1304給煤機(jī)硐室破碎帶鉆孔注漿后，巷道變形得到控制。在拆除點(diǎn)柱和木垛之前，先對(duì)給煤機(jī)硐室破碎帶前后50m范圍內(nèi)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，以確保巷道的穩(wěn)定性[3]，減少巷道來(lái)壓變形量。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析，擬采用錨噴與錨索梁相結(jié)合的加固方案，在破碎帶附近50m范圍內(nèi)采用錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨桿間排距為1m×1m。超前施工3～5m后，再補(bǔ)打錨索梁加強(qiáng)巷道拱頂?shù)闹ёo(hù)，梁采用18#槽鋼加工而成。同時(shí)，將其底板底鼓區(qū)域進(jìn)行臥底至巷道設(shè)計(jì)高度，在巷道底部不超過(guò)0.3m處打設(shè)底角注漿錨桿加強(qiáng)支護(hù)。最后對(duì)該區(qū)域進(jìn)行噴漿封閉。

補(bǔ)強(qiáng)錨索采用直徑17.8×8300mm鋼絞線加工制成。小斷面拱頂布置3根，用一條18#槽鋼將三根錨索連成一個(gè)整體；三岔口斷面跨度較大時(shí)頂板布置4根，每2根用18#槽鋼做曲梁連接。排距為2m，間距為1.5～2m，視斷面大小而定。

附圖3：補(bǔ)強(qiáng)加固后支護(hù)示意圖。

圖3 補(bǔ)強(qiáng)加固后支護(hù)示意圖

5.5 地壓觀測(cè)

加固完成后，在加固區(qū)域安裝錨桿及錨索應(yīng)力感應(yīng)器，對(duì)巷道來(lái)壓支護(hù)監(jiān)測(cè)。在緩慢來(lái)壓一月后，支撐體的周期來(lái)壓從大變小。結(jié)合實(shí)際礦壓理論，巖層基本趨于穩(wěn)定[4]，表明支護(hù)加固穩(wěn)定了圍巖，保證了巷道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

6 優(yōu)化支護(hù)方案后巷道施工

在第一采區(qū)1304硐室周邊區(qū)域加固處理完成后繼續(xù)施工。采用超前錨注法對(duì)頂板進(jìn)行注漿封堵加固，然后采用小循環(huán)掘進(jìn)施工。支護(hù)采用錨網(wǎng)+錨索槽鋼梁法，使頂板形成整體，有效控制了頂板泥巖層的沉降，確保了巷道整體的支護(hù)質(zhì)量，順利通過(guò)剩余三十米多的頂板泥巖層。該技術(shù)應(yīng)用的前提是必須弄清實(shí)際巷道圍巖的特征和變形失穩(wěn)機(jī)理，客觀分析初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)支護(hù)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，從而確定二次支護(hù)或加固方式及最佳時(shí)機(jī)，從而達(dá)到最佳圍巖控制效果[5]。

7 結(jié)論

在今后的施工中如遇到煤層頂板有較厚的泥巖偽頂，且受砂巖水影響時(shí)，就會(huì)造成頂板破碎松軟，容易造成頂板離層，給巷道施工和支護(hù)帶來(lái)很大困難。通過(guò)此種加固方案，有效提高了支護(hù)強(qiáng)度，穩(wěn)定了圍巖，經(jīng)過(guò)近一年的使用，該處巷道整體完整，沒(méi)有再出現(xiàn)頂板離層巷道開(kāi)裂現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期效果不僅縮短了施工工期，同時(shí)降低了成本確保了安全，為類似圍巖的支護(hù)提供了參考。