復(fù)合軟巖巷道錨注一體化支護(hù)技術(shù)研究

張躍豐，郭江紅

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)侯甲煤礦，山西晉城 048105）

晉能控股煤礦一公司煤礦回采巷道支護(hù)時，出現(xiàn)了頂板部分噴水，造成淋水段巷道破壞，底鼓量大，底角破壞，錨索支護(hù)體系在施工中的應(yīng)用效果較差。軟巖巷道采用錨索支護(hù)、錨網(wǎng)帶噴支護(hù)、錨注支護(hù)等；錨桿錨固結(jié)合噴混支護(hù)和錨噴支架組合支護(hù)。在頂板淋水巷道施工中，錨索與錨索結(jié)合，并應(yīng)用了防水錨固液、馬麗散注漿、錨索注漿、鉆眼疏水和封堵止水的綜合防治。針對煤層底鼓的治理，目前有灌漿法、挖底法、加固法和卸壓法等幾種技術(shù)。由于該回采巷中既有復(fù)合軟巖，又有頂板淋水、大變形及底鼓等復(fù)雜的圍巖控制，至今尚無相關(guān)的研究。通過對回采巷道的問題和原有的支護(hù)設(shè)計方案進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并結(jié)合已有的支護(hù)經(jīng)驗，給出了最優(yōu)的支護(hù)方案，并根據(jù)底鼓巷的復(fù)雜軟巖頂板大變形和底鼓巷道錨注一體化支護(hù)技術(shù)[1]。在此基礎(chǔ)上，提出了施工中關(guān)鍵工序銜接的支護(hù)方法，對同類軟巖巷的治理具有一定的參考價值。

1 工程概況

1.1 巷道概況

110207 工作面2 煤層位于11 采區(qū)北翼，東為二煤層實(shí)體煤，南起二煤層一號回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷，西段110205工作面皮帶運(yùn)輸機(jī)間巷內(nèi)預(yù)留19～25m的隔離煤柱，向北到F9斷層南側(cè)69m 處。工程總推進(jìn)深度為496～551m，工程推進(jìn)長度2658m。

1.2 頂?shù)装鍡l件

二煤層和頂?shù)装宓膸r石性質(zhì)見表1。厚度為0.63m的薄層粘土巖石，其上部為粗粒度砂土，厚度為13.94m左右。在頂部的粗顆粒砂體中，有一部分是含水層，泥漿粘合，當(dāng)錨（索）孔與粗砂相接觸時，水流會沿著錨桿或錨索的孔洞排出，從而使泥漿的強(qiáng)度大大下降，從而造成嚴(yán)重的坑洞損壞。

表1 二煤層及頂?shù)装鍘r性

1.3 構(gòu)造特征及水文地質(zhì)

110207 工作面是一個傾斜度為4°～12°的單斜井，不會對巷道的開挖產(chǎn)生任何影響。在掘進(jìn)區(qū)域，沒有發(fā)生斷裂，也沒有巖漿侵入，也沒有塌方。通過鉆井抽水實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)直羅組砂巖（Ⅲ）的涌水量q為0.0099L/(s·m)，滲透率為0.0096m/d，富水性較差。在掘進(jìn)過程中，頂板厚砂巖含水層水沿巷道頂板的裂縫和錨桿、錨索眼進(jìn)入工作面，是工作面的主要淋水來源，給施工帶來了一定的影響。

1.4 巷道支護(hù)特點(diǎn)及存在問題

隧道具有較高埋深。頂?shù)字饕悄鄮r、粉砂巖和粗砂巖，泥質(zhì)粘合，遇水膨脹泥化，煤巷沿煤層頂部設(shè)置。在下肩窩處預(yù)留500～800mm 的頂煤，左邊幫的下段是1m厚的粉砂，底面是5m厚的細(xì)砂，在已經(jīng)開挖的巷道中，發(fā)現(xiàn)了左邊底角處的軟面滑移和整體底鼓。在開挖到1100m 的時候，已經(jīng)重新進(jìn)行兩次起底施工。在頂板錨索孔進(jìn)入蓄水層后，經(jīng)常發(fā)生淋水事故，導(dǎo)致了大量的淋水頂板破裂。由于頂板巖體整體剛度不夠，導(dǎo)致了頂板整體穩(wěn)定性較低，且有一定的安全風(fēng)險。在掘進(jìn)過程中，隧道的整體變形比較大，維修費(fèi)用高，對礦井的安全生產(chǎn)也有一定的不利作用。

2 110207工作面帶式輸送機(jī)巷優(yōu)化設(shè)計方案

2.1 優(yōu)化設(shè)計思路

（1）采用錨索支撐的巷道頂板抗彎性差，為提升頂板抗彎性，采用限位抗剪錨以增加錨桿的抗剪強(qiáng)度，增加護(hù)表面積，以錨索為支護(hù)方式進(jìn)一步提升支護(hù)能力。極限抗剪錨桿的技術(shù)特征：錨桿材料選用HRB500型螺紋鋼，桿體的抗剪切和抗扭能力得到大幅度的提升，同時，最大的能量吸收能力從34J 增加到100J。托盤的設(shè)計需要錨桿（索）的承載力和錨索斷裂強(qiáng)度，以保證在錨桿（索）斷裂之前不會發(fā)生故障。

（2）“梯度支護(hù)”技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合軟巖頂板，實(shí)現(xiàn)了對薄弱層的目標(biāo)控制，從而有效地克服了復(fù)雜軟巖層的沉降問題。長錨索對錨桿錨固區(qū)段難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制，容易導(dǎo)致錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)與錨桿支護(hù)之間的不協(xié)調(diào)。采用短錨索加固，控制軟弱結(jié)構(gòu)層離層變形，形成錨桿+短錨索+長錨索的“梯度支護(hù)”技術(shù)方案，其支護(hù)方案更具針對性。圖1 為支護(hù)作用范圍內(nèi)的拉應(yīng)力作用圖。

圖1 錨桿錨固段及一定范圍內(nèi)拉應(yīng)力作用圖

（3）在原有的支護(hù)方案中，沒有對底板進(jìn)行反底拱處理，而底板底鼓是該段最重要的變形破壞形式。軟巖巷道的圍巖存在著遇水、遇濕空氣易膨脹崩解、強(qiáng)度急劇下降的問題，對應(yīng)力變化敏感，掘進(jìn)初期易產(chǎn)生較大的變形，從而產(chǎn)生底鼓變形，因此必須采用反向底拱，同時對支座及底板錨桿既便于施入預(yù)緊力又能維持較好的機(jī)械性能。適用于巷道成形不良、坑壁破裂，在幫部和底板上應(yīng)用等強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索，可在變形后將兩幫、底板反復(fù)固定，從而提高了錨桿的支護(hù)效果。

（4）針對巷道左幫底角因底鼓變形而產(chǎn)生的破壞，采取了短錨索+W鋼帶+W型錨索托的方法控制底角的變形。采用底角錨固加固措施，對張拉裂縫的形成和蔓延進(jìn)行了有效的抑制。表面張拉主要是為了保持其表面的穩(wěn)定性，而內(nèi)部懸吊和表面張拉是其長期穩(wěn)定性的重要因素。表面張拉主要是為了保證錨桿的長期穩(wěn)定性，而內(nèi)部懸吊和表面張拉是其長期穩(wěn)定的重要因素。

（5）錨網(wǎng)索在支護(hù)后，依據(jù)裂縫的發(fā)展規(guī)律，采用滯后注漿法對基坑進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。采用注漿法對圍巖進(jìn)行整體加固，防止圍巖錯動的發(fā)生，并使錨桿（索）的長度達(dá)到全長錨固，增強(qiáng)了圍巖的抗剪承載力，保持系統(tǒng)維持長期穩(wěn)定。

2.2 110207工作面帶式輸送機(jī)巷錨網(wǎng)索支護(hù)優(yōu)化方案

（1）錨桿支護(hù)設(shè)計。頂幫錨桿采用限位抗剪蛇型錨桿，采用HRB500高強(qiáng)度螺旋鋼，其強(qiáng)度為190kN，抗拉240kN，底部為等強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿；HRB500 礦用高強(qiáng)度螺紋鋼，采用?22mm×2800mm，棒身具有190kN的屈服強(qiáng)度和240kN 的抗拉強(qiáng)度。預(yù)緊力大于60kN。保護(hù)表層所用的金屬網(wǎng)片為?6.5mm 的金屬網(wǎng)眼，網(wǎng)眼尺寸為100mm×100mm；鋼板防護(hù)罩為450mm×280mm×4.75mm；頂幫錨桿板尺寸為150mm×150mm×10mm。左下角為1200mm×280mm×4.75mm W的鋼條，孔距800mm。錨桿之間的間距為800mm×900mm，其布置形式見圖2和圖3。

圖2 支護(hù)設(shè)計斷面圖（單位：mm）

圖3 支護(hù)設(shè)計展開圖（單位：mm）

（2）輔助支護(hù)設(shè)計。錨索具有防腐蝕的能力。長錨索：2條抗腐蝕的錨纜，最大斷裂強(qiáng)度不低于580kN，規(guī)格為?21.8mm×3300mm，短錨索：1 條抗腐蝕的錨纜，最大斷裂強(qiáng)度不低于530kN，規(guī)格為?21.8mm×3300mm，纜繩面支撐：300mm×300mm×14mm的高強(qiáng)度圓弧支架；左邊弱面的纜繩支撐：1200mm×280mm×4.75mm W 型鋼筋+250mm×250mm×12mm W 型錨桿。頂板錨間距2400mm×1800mm，左幫錨間距800mm×1800mm，錨索布置方式見圖2及圖3。

反底拱的設(shè)計深度為500mm，因底板后期需要噴入混凝土，首次臥底巷底板的中心位置比設(shè)計斷面低600mm。頂板不噴漿，底板和底角處噴漿30mm，混凝土強(qiáng)度C20，噴漿的方向為由下往上。為了避免煤層與煤層的交界面發(fā)生風(fēng)化和泥化，使煤層與煤層的交界面發(fā)生軟面滑動，底板采用全封閉的形式。

2.3 110207工作面帶式輸送機(jī)巷底板注漿加固方案

在底板進(jìn)行反底拱施工和封閉施工后，進(jìn)行灌漿和封堵。存在裂縫和導(dǎo)通是注漿的最佳時間（注漿時間由現(xiàn)場試驗決定）。注漿時，采用空心注漿管，其規(guī)格為?25mm×2000mm×3mm，并準(zhǔn)備一段?25mm×1000mm×3mm 的短注漿管段，用于表面破裂部位的防滲。在打漿管時，空心灌漿管一次打裝完畢，排距為1.8m。注漿時，按由外到里的順序進(jìn)行灌漿，按前先中部后兩側(cè)的順序進(jìn)行，最后的灌漿壓力為3MPa。

因井下有豐富的地下水，隧道采用反底拱洞鉆孔時，出現(xiàn)了明顯的裂縫，表明隧道采用了反底拱法，地基達(dá)到了灌漿補(bǔ)強(qiáng)的要求；本文介紹了一種新型的具有微膨脹性能的礦用親膠性注漿劑，該注漿劑具有更小的半徑，膨脹系數(shù)為1%～5%。本產(chǎn)品具有良好的封水固巖性能和強(qiáng)度，與高泥質(zhì)圍巖的兼容性較好，注漿加固效果明顯。

3 井下試驗效果分析

3.1 現(xiàn)場施工支護(hù)狀態(tài)

按設(shè)計方案實(shí)施54m頂幫支護(hù)，頂板無明顯沉降、錨桿錨索斷裂等問題。通過對兩幫肩窩變形部位的鉆探實(shí)驗，可以看出，實(shí)驗段頂板和兩側(cè)幫部的壓力是可控的，支護(hù)整體剛度增加，局部有輕微下陷，其它地區(qū)沒有發(fā)生離層裂縫，優(yōu)化后的支護(hù)效果顯著。

3.2 礦壓觀測分析

壓力表在巷道中的實(shí)際位置與編號如圖4 所示。巷道中累計布置9 臺錨桿受力檢測儀，分別編號01、02、04、05、06、07、09、10、11。累計布置3臺錨索受力檢測儀，分別編號03、08、12。

圖4 壓力表測點(diǎn)布置圖

（1）錨索受力分析。錨桿的標(biāo)準(zhǔn)非比例拉伸強(qiáng)度為470kN，極限斷裂強(qiáng)度為530kN，在現(xiàn)場的實(shí)際最大斷裂強(qiáng)度不低于標(biāo)準(zhǔn)值。對頂板、幫部支護(hù)方案的施工、反底拱施工前后的錨索應(yīng)力進(jìn)行了整理和分析，3臺錨索檢測儀分別布置在距離實(shí)驗開始段的0m、25m、50m處的位置，3個錨桿壓力計的前后時段均處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明在試驗區(qū)采用錨索輔助支護(hù)能有效地抑制巖體的松動，頂板的應(yīng)力顯示是在控制的。

（2）錨桿受力分析。根據(jù)設(shè)計規(guī)范，桿體屈服力為190kN，標(biāo)準(zhǔn)破斷力為240kN，在實(shí)際的施工中，實(shí)際的屈服力和標(biāo)準(zhǔn)破斷力都在標(biāo)準(zhǔn)值以上。在現(xiàn)場01、05、11是頂板錨固壓力計，壓力計的數(shù)值都超過了140kN，但搜沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)屈服力，頂壓較大，具有較好的支撐效果；02、06、10是右?guī)偷腻^桿壓力計，右肩15m的位置有巖體的變形，所以06壓力計數(shù)字相對較大，02、10兩塊壓力計壓力比較穩(wěn)定。04、07、09 是左幫錨壓力計，應(yīng)力基本維持在穩(wěn)定狀態(tài)[2]。

3.3 巷道累計移近量分析

圖5 和圖6 分別表示了反底拱灌漿前巷和后巷的位移。從圖5 和圖6 可以看出，在反底拱施工后，頂板離層量、底板移動量，左、右?guī)鸵苿恿慷济黠@減小，表明支護(hù)優(yōu)化方案能有效地控制幫部和頂板的位移，巷道位移量滿足設(shè)計規(guī)范的要求。采用注漿法對110207工作面機(jī)巷底進(jìn)行了施工，“擠出”、“趕走”了底板的水壓，利用了親泥漿類注漿劑的優(yōu)點(diǎn)，填充了基底裂縫，提高了基坑整體穩(wěn)定性；同時，“改性”了軟弱的底板圍巖，注漿工藝基本達(dá)到了擠水、堵泥巖裂隙、加固底板等效果，為清水營煤礦在井下注漿實(shí)踐中取得了良好的效果。

圖5 反底拱注漿前巷道移近量（1#十字布樁觀測點(diǎn)）

圖6 反底拱注漿后巷道移近量（6#十字布樁觀測點(diǎn)）

4 結(jié)語

（1）利用“梯度支護(hù)”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對軟地層的目標(biāo)控制，從而有效地克服了復(fù)雜軟巖層的沉降問題。圍巖一次支護(hù)后，其剛性能確保圍巖形成較好的加固效果，而大范圍的保護(hù)則能有效地降低“鼓包式”的圍巖變形。適當(dāng)?shù)腻^桿錨栓大小可防止剪切、拉斷，并能對頂板淋水進(jìn)行有效的控制。采用“梯度支護(hù)”方法，采用錨桿+短錨+長錨固，可以有效地克服復(fù)式軟巖冒頭頂板的支撐問題。

（2）采用等強(qiáng)預(yù)拉錨栓與反底拱親泥漿注漿，可以有效地克服富水地基底鼓包問題，采用自流注漿料“擠出”或“趕走”基底中的水分，從而改善和加強(qiáng)泥漿層的圍巖，抑制圍巖的惡化。在斜井底部，使用了短錨+W型鋼+W型錨桿，以確保整體圍巖的穩(wěn)定。