小回溝煤業(yè)構(gòu)造帶大變形巷道圍巖加固技術(shù)

武星文

（山西小回溝煤業(yè)有限公司，山西 太原 030400）

1 概況

小回溝煤業(yè)目前主采的2#煤層平均厚度2.7 m（2.58～2.75 m）、傾角0°～8°，上覆03#煤平均厚度0.6 m，為不可采煤層，2#煤與上覆03#煤平均間距5.3 m。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

目前正在掘進(jìn)2204 回采工作面運(yùn)輸巷，在設(shè)備安裝、運(yùn)輸、通風(fēng)、行人等方面滿足服務(wù)回采期間的需要。2204 運(yùn)輸巷位于二采區(qū)北翼中部，西鄰2301 回風(fēng)巷（已施工完成），平行相距135 m，東側(cè)為2301 運(yùn)輸巷（已施工完成），平行相距40 m，南側(cè)為四條大巷保護(hù)煤柱，北側(cè)為G339 國道保護(hù)煤柱。巷道斷面設(shè)計(jì)為矩形，掘?qū)?.0 m，掘高3.4 m，設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度為1222 m。2204 運(yùn)輸巷向北施工過程中存在多處背斜及向斜構(gòu)造，褶皺構(gòu)造在軸部時(shí)對(duì)巷道掘進(jìn)影響較大。

2204 運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)每排布置13 根Φ22 mm×2400 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂板錨桿間排距800 mm×900 mm，幫部錨桿間排距1200 mm×900 mm；頂板布置3 根Φ21.8 mm×8300 mm 的錨索，錨索間排距為2000 mm×1800 mm。頂部錨桿垂直于巷道頂板布置（頂部?jī)蓚?cè)錨桿與頂板夾角為80°），幫部錨桿垂直于幫部煤體（肩窩、底角錨桿分別與水平方向夾角為10°）。在該支護(hù)方式下，巷道掘進(jìn)過構(gòu)造帶時(shí)圍巖變形量較大，主要表現(xiàn)為底鼓和兩幫變形，其中底鼓量達(dá)到了1500 mm，兩幫變形量達(dá)到了1000 mm 左右。

2 巷道圍巖破壞原因分析

1）構(gòu)造帶影響。2204 工作面回風(fēng)巷沿煤層掘進(jìn)，煤層整體呈南高北低，自開口向南構(gòu)造形態(tài)依次為寬緩的背斜-向斜-背斜。其中，背斜軸部在擠壓作用下，應(yīng)力集中程度較高，巷道開挖后，高應(yīng)力釋放，巷道底板受垂直向上的應(yīng)力作用，底板圍巖裂隙發(fā)育并貫通，巖體體積膨脹，進(jìn)而造成底鼓量大。另外，構(gòu)造帶附近的水平應(yīng)力較大，導(dǎo)致巷道兩幫出現(xiàn)張拉破壞，造成巷幫移進(jìn)量較大。

2）圍巖破碎。2204 運(yùn)輸巷沿2#煤層底板布置，巷道兩幫均為實(shí)體煤，由于煤體強(qiáng)度較低、裂隙發(fā)育程度高，導(dǎo)致巷幫承載力較差，加劇了巷道的變形。另外，巷道底板為砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度較低。對(duì)巷道底板的變形情況進(jìn)行了鉆孔窺視，得出底板下方3 m 內(nèi)的巖層破壞嚴(yán)重，離層情況明顯。

3）原支護(hù)方案不合理。原支護(hù)方案未對(duì)巷道底板進(jìn)行有效的加固，導(dǎo)致底板圍巖無約束破壞，并影響加劇了巷道兩幫的變形破壞。

3 巷道加固技術(shù)[1-5]

3.1 底板加固方案

巷道底板采用注漿錨索的形式進(jìn)行加固。注漿錨索具有強(qiáng)度高、預(yù)應(yīng)力高、延伸率大等特點(diǎn)，可有效控制底板巖層的變形離層。另外，注漿錨索二次注漿時(shí)為帶壓注漿，漿液能夠充填密實(shí)底板圍巖中的裂隙，提高巖層的完整性及承壓能力，進(jìn)而提升加固支護(hù)的效果。

3.1.1 底板加固參數(shù)

注漿材料為硅酸鹽水泥及添加劑的混合料，漿液水灰比為0.8:1。底板注漿錨索鉆孔直徑為56 mm，鉆孔深度5000 mm，鉆孔間距為1500 mm，鉆孔排距為2000 mm，每排布置3 個(gè)鉆孔，最外側(cè)鉆孔距巷幫370 mm。底板加固方案如圖1。

圖1 底板加固方案示意圖（mm）

底板注漿錨索直徑為21.6 mm，長(zhǎng)5300 mm，外露端長(zhǎng)度為300 mm，錨索拉斷載荷大于520 kN，延伸率高于6%。錨索配合高強(qiáng)度拱形托盤，保證預(yù)緊力不低于200 kN。支護(hù)完成后，在底板鋪設(shè)300 mm 的硬化層，強(qiáng)度為C30，如圖2。

圖2 底板注漿錨索（mm）

3.1.2 底板加固施工工藝

底板注漿錨索分兩次注漿，初次為錨索端頭2000 mm 注漿，進(jìn)行錨索的錨固，二次為全段注漿。具體施工工藝如下：打孔→清渣→置入錨索→插入注漿管→無壓力注漿10 L →水玻璃+水泥漿封孔→7 d 后進(jìn)行二次注漿，注漿壓力為2～3 MPa。底板注漿錨索施工如圖3。

圖3 底板注漿錨索施工圖

3.2 巷幫加固方案

3.2.1 巷幫加固參數(shù)

巷幫同樣采用注漿的方式進(jìn)行加固，巷幫注漿材料與底板注漿材料相同，注漿方式分為兩次，初次為淺部無壓力注漿，二次注漿為深部高壓注漿。鉆孔布置參數(shù)如下：淺孔深度為2500 mm，深孔深度為8000 mm，兩種類型鉆孔沿巷道走向在巷幫呈交錯(cuò)布置，鉆孔排距均為2000 mm；淺孔間距為1500 mm，鉆孔直徑為36 mm，一排布置3 個(gè)，上下兩個(gè)鉆孔距頂?shù)装?10 mm，中間鉆孔垂直于巷幫施工，上下兩個(gè)鉆孔分別向頂?shù)装鍍A斜15°施工；深孔間距為2000 mm，鉆孔直徑為56 mm，一排布置2 個(gè)，上下兩個(gè)鉆孔距頂?shù)装?10 mm，并分別向頂?shù)装鍍A斜15°和5°施工，如圖4。

圖4 巷幫注漿鉆孔布置圖（mm）

巷幫注漿施工完成7 d 后，采用注漿錨索進(jìn)行進(jìn)一步加固，錨索長(zhǎng)度為6300 mm，外露長(zhǎng)度為300 mm，排距為2000 mm，間距為900 mm，一排布置4 個(gè)錨索。錨索先采用2 節(jié)樹脂藥卷進(jìn)行端錨，隨后采用注漿材料進(jìn)行全長(zhǎng)錨固，并配備高強(qiáng)度拱形托盤，保證其預(yù)應(yīng)力不低于250kN，如圖5。

圖5 巷幫錨索布置圖（mm）

待注漿及錨索加固施工結(jié)束后，在巷道兩幫及頂板噴射一層厚度為120 mm 的混凝土，強(qiáng)度為C20，加強(qiáng)對(duì)圍巖表面變形的控制。

3.2.2 巷幫加固施工工藝

巷幫鉆孔注漿工藝流程為：布置鉆孔→調(diào)節(jié)鉆機(jī)鉆進(jìn)方位→鉆孔→排渣→插入注漿管及孔口管（外露長(zhǎng)度在150～200 mm）→水泥漿封孔→24 h后在孔口安裝截止閥→連接注漿系統(tǒng)→進(jìn)行注漿→達(dá)到終壓后穩(wěn)壓10 min →關(guān)閉注漿系統(tǒng)→拆除管路，開始下一鉆孔作業(yè)。注漿時(shí)先完成淺部注漿，再進(jìn)行深部注漿，施工工藝相同。

巷幫注漿錨索工藝流程：采用Φ30 mm 鉆頭打孔→鉆進(jìn)至6000 mm →退鉆并排渣→置入樹脂錨固劑→置入錨索→連接攪拌器并旋轉(zhuǎn)錨索進(jìn)行端錨→在孔內(nèi)安設(shè)注漿管及止?jié){塞→注漿至終壓→安裝托盤等護(hù)表構(gòu)件→張拉錨索，如圖6。

圖6 巷幫注漿錨索現(xiàn)場(chǎng)施工圖

4 工程實(shí)踐效果分析

為分析巷道注漿、錨索加固技術(shù)對(duì)圍巖的控制效果，在2204 運(yùn)輸巷過構(gòu)造帶處布置測(cè)點(diǎn)，采用十字布點(diǎn)法對(duì)圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖7。

圖7 圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖7 可知，巷道掘進(jìn)過背斜構(gòu)造軸部后，圍巖初期變形速度較快，30 d 后逐漸趨于穩(wěn)定，其中頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為140 mm，兩幫最大移進(jìn)量為160 mm，整體變形量較小，表明“底板施工注漿錨索+巷幫分次注漿+巷幫預(yù)應(yīng)力錨索”聯(lián)合支護(hù)方案的控制效果較好，能夠保證構(gòu)造處巷道的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

1）根據(jù)2204 運(yùn)輸巷的實(shí)際賦存條件及破壞特征，分析了引起巷道破壞的原因主要為：構(gòu)造處應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜、圍巖較破碎及原支護(hù)方案不能有效控制底板變形。

2）根據(jù)巷道破壞原因，提出了“底板施工注漿錨索+巷幫分次注漿+巷幫預(yù)應(yīng)力錨索”的聯(lián)合支護(hù)方案，并確定出錨索支護(hù)及注漿加固的具體參數(shù)。

3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明：在聯(lián)合支護(hù)方案下，巷道掘進(jìn)通過背斜構(gòu)造軸部后，構(gòu)造處圍巖變形在30 d后趨于穩(wěn)定，頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量140 mm，兩幫最大移進(jìn)量160 mm，整體變形量較小，控制效果顯著。