劉鵬超

目前，我國(guó)約有40%的煤礦都存在地質(zhì)構(gòu)造和應(yīng)力集中，使得井巷圍巖松散破碎現(xiàn)象顯重，不僅井巷支護(hù)工程施工困難，而且直接制約煤礦安全生產(chǎn)。破碎圍巖巷道的開挖不僅影響施工進(jìn)度，還威脅生命安全，最終導(dǎo)致礦井采掘接替失衡，一旦支護(hù)強(qiáng)度不夠或支護(hù)不及時(shí)，極容易出現(xiàn)漏、冒頂事故[1-4]。因此，破碎圍巖巷道施工技術(shù)研究是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)出最佳支護(hù)方案，才能確保巷道破碎區(qū)域安全、快速通過(guò)。

1 概況

1.1 礦井及巷道概況

山西某礦南一采區(qū)運(yùn)輸大巷施工將穿越F14斷層、DSF62斷層、DSF64斷層。其中F14斷層落差為0～30 m，在該地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域內(nèi)，運(yùn)輸大巷掘進(jìn)期間，圍巖變形破壞嚴(yán)重，反復(fù)維護(hù)難以滿足安全生產(chǎn)需求。經(jīng)實(shí)測(cè)，設(shè)計(jì)巷寬由4.4 m縮小為2.6 m～3.2 m，設(shè)計(jì)高度的3.7 m變?yōu)?.1 m～2.4 m。

1.2 破碎圍巖變形特征

1）巷道圍巖變形表現(xiàn)為全方位來(lái)壓

破碎圍巖頂板下沉量大、易造成冒落，而且巷道底鼓、兩幫移近嚴(yán)重；以含有黏土類膨脹性礦物的軟弱巖層最為突出，滲水后經(jīng)崩解、泥化作用，使得圍巖強(qiáng)度迅速降低，造成圍巖變形更嚴(yán)重。

2）巷道圍巖自穩(wěn)和抗擾動(dòng)能力較差

圍巖自穩(wěn)能力差，頂板短時(shí)間冒落。圍巖自穩(wěn)能力不僅決定于圍巖暴露面形狀和面積，并且與圍巖殘余強(qiáng)度、地應(yīng)力及掘進(jìn)工藝等密切相關(guān)。圍巖變形也受水文地質(zhì)影響，當(dāng)巷道受到淋水影響時(shí)，其變形量急劇增長(zhǎng)，導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)。

3）圍巖變形受到時(shí)間因素制約

圍巖從“碎脹變形”到“蠕變破壞”變化受時(shí)間因素影響明顯，如果沒有及時(shí)采取積極應(yīng)對(duì)措施，則在巷道掘進(jìn)初期，圍巖就會(huì)出現(xiàn)大變形、高應(yīng)力，圍巖很快發(fā)生片幫、冒頂現(xiàn)象。

2 破碎圍巖交互承載支護(hù)技術(shù)原理及施工方法

2.1 技術(shù)原理

針對(duì)上述破壞特征，本文提出了運(yùn)用“預(yù)注漿+U型棚+錨噴”支護(hù)工藝，構(gòu)造一個(gè)破碎圍巖范圍內(nèi)的組合承載殼，實(shí)現(xiàn)“交互承載、動(dòng)態(tài)支護(hù)”的全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)控制效果。在此基礎(chǔ)上獲得了破碎圍巖巷道交互承載支護(hù)技術(shù)的基本思想：

1）破碎圍巖巷道表現(xiàn)為階段性變形和破壞特征，面對(duì)具備“水巖相互作用”的破碎圍巖巷道，①在不受裂隙 水影響的巷道初掘階段，充分利用巷道圍巖強(qiáng)度和承載能力。②巷道成型后進(jìn)入裂隙水影響階段時(shí)，則首先考慮加固和補(bǔ)強(qiáng)動(dòng)態(tài)控制方法。

2）巷道破碎圍巖的應(yīng)力變化狀態(tài)是動(dòng)態(tài)的，導(dǎo)致其賦存狀態(tài)也是動(dòng)態(tài)變化的，也是破碎的圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用達(dá)到平衡的過(guò)程。

3）實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要適當(dāng)優(yōu)化支護(hù)組合方法、選取合理的加固時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)組合支護(hù)系統(tǒng)最大化的發(fā)揮其效用。支護(hù)選型時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇主動(dòng)支護(hù)技術(shù)，充分利用和維持巷道圍巖的自穩(wěn)能力。“注+架+錨”組合承載殼交互承載支護(hù)原理見示意圖1。

圖1 破碎圍巖巷道“注+架+錨”交互承載支護(hù)原理示意圖

2.2 施工方法

結(jié)合之前的分析以及考慮支護(hù)方法間的高效組合，采取“注+架+錨”組合承載結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“交互承載、動(dòng)態(tài)支護(hù)”效果，無(wú)疑是此處最優(yōu)的支護(hù)設(shè)計(jì)方案和解決辦法。具體方法如下：

1）首先注漿將松散破碎圍巖膠結(jié)凝固，減小其松散流動(dòng)性；采用U型鋼棚支護(hù)，在此基礎(chǔ)上，采用長(zhǎng)錨桿、錨索主動(dòng)支護(hù)二次加固，通過(guò)高預(yù)緊力充分調(diào)動(dòng)圍巖的自穩(wěn)能力，最后一步更為關(guān)鍵，必須在支護(hù)構(gòu)件中進(jìn)行注漿密閉，最終使破碎圍巖、漿膠結(jié)層、U型鋼棚、錨桿和混凝土噴漿層相互組合，構(gòu)建“注+架+錨”組合承載殼的剛性承載結(jié)構(gòu)，把變形控制在一個(gè)小范圍內(nèi)。

2）“注+架+錨”交互式支護(hù)技術(shù)結(jié)合主動(dòng)、被動(dòng)支護(hù)為一體，錨桿和U形協(xié)同影響，共同作用；錨桿對(duì)U型鋼棚提前提供一個(gè)柔性加固作用，U型鋼棚對(duì)錨桿提供進(jìn)一步的支撐作用，共同構(gòu)成松散破碎圍巖內(nèi)的堅(jiān)固剛性組合承載殼體；主動(dòng)與被動(dòng)支護(hù)共同作用抑制破碎圍巖巷道的初期大變形。

3）采用二次密閉注漿，確保U型鋼棚均勻受力，進(jìn)一步提高組合承載殼的受力性能。使得膠結(jié)巖層、U型鋼棚和錨桿錨索相互配合，充分調(diào)用圍巖本身和各支護(hù)構(gòu)件的支護(hù)性能，實(shí)現(xiàn)巷道圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

試驗(yàn)巷道采用“長(zhǎng)、短孔超前預(yù)注漿+U29伸縮性封閉圓形鋼棚+錨網(wǎng)噴”進(jìn)行支護(hù)。掘進(jìn)前，采用“水泥漿+水玻璃”雙液注漿方式將工作面迎頭待掘2.0 m進(jìn)行超前加固。注漿加固完成后，然后采用正常爆破或松動(dòng)爆破配合風(fēng)鎬開挖的方式進(jìn)行掘進(jìn)。每次掘進(jìn)0.8 m進(jìn)行一次永久支護(hù)，每次掘進(jìn)1.2 m進(jìn)行一次超前注漿加固。

3.1 “注+架+錨”交互承載支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

超前預(yù)注漿主要是為了使破碎圍巖產(chǎn)生膠結(jié)作用，提高其整體性和各種力學(xué)性能，防止裂隙水流竄導(dǎo)致頂板泥化增大巷道掘進(jìn)支護(hù)難度。

1）注漿材料采用硫鋁酸鹽水泥粘結(jié)注漿或化學(xué)漿液超前注漿控頂，適當(dāng)?shù)囟慰膳浜献残ü餐瑢?shí)現(xiàn)超前控頂。

2）注漿孔及錨桿布置方式：預(yù)注漿錨桿的布置形式如圖2所示。

①長(zhǎng)孔：在巷道拱頂布置2個(gè)深8 m～10 m、角度+15°～20°的鉆孔，進(jìn)行注漿膠結(jié)破碎帶煤巖。②短孔：在巷道拱頂布置5個(gè)深1.2 m、角度+20°～30°，進(jìn)行注漿膠結(jié)破碎帶煤巖。③注漿錨桿為φ21×2 600 mm鋼管，十字錯(cuò)開鉆孔布置，孔徑由前端φ8 mm變?yōu)楹蠖甩? mm；封孔長(zhǎng)度1.0 m，樹脂藥卷壓實(shí)，注漿壓力不大于3 MPa。④短孔施工距離應(yīng)超前U29可縮性圓形鋼棚至少1.0 m，長(zhǎng)孔施工距離始終超前U29可縮性圓形鋼棚至少2.0 m。⑤初始注漿排距選取1.0 m，排距在5個(gè)循環(huán)后根據(jù)注漿效果和頂板圍巖破碎程度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

圖2 長(zhǎng)、短孔超前預(yù)注漿錨桿布置示意圖

3）鋼棚半徑為2 350 mm，每架鋼棚分6節(jié)，各節(jié)搭接長(zhǎng)度450 mm，并在搭接處安裝3副卡纜（卡纜間距50 mm），棚距600 mm，每棚設(shè)18副連接板。鋼棚從巷道底板位置開始在鋼棚外沿直至棚頂采用2層鋼筋網(wǎng)背實(shí)。

4）錨桿為φ20×2 000 mm高強(qiáng)錨桿，間排距800 mm×800 mm，矩形布置，底板以上300 mm，水溝側(cè)200 mm錨固；全斷面掛網(wǎng)，搭接長(zhǎng)度不小于200 mm，噴射混凝土厚120 mm。當(dāng)錨桿不能通過(guò)錨固劑實(shí)現(xiàn)錨固效果時(shí)，可換φ43×1 800 mm管縫式錨桿施工。巷道施工斷面支護(hù)圖如圖3和圖4所示。

圖3 南一采區(qū)運(yùn)輸上山支護(hù)斷面圖

圖4 南一采區(qū)運(yùn)輸上山支護(hù)俯視圖

5）超前支護(hù)方式采用“注漿加固+超前骨架”，注漿加固使用1 500 mm或2 500 mm插管注漿，范圍為迎頭超前2.0 m內(nèi)。超前骨架采用φ25×3 000 mm無(wú)縫鋼管，間距控制在250 mm～300 mm，保證超前支護(hù)。

6）頂板注漿加固、錨桿支護(hù)完成后，采用弧形金屬前探梁臨時(shí)支護(hù)，弧形前探梁弧長(zhǎng)為2 500 mm，寬度為800 mm，弧形前探梁傘柱采用φ40 mm無(wú)縫鋼管加工。

3.2 圍巖變形觀測(cè)

礦壓觀測(cè)是井下科研項(xiàng)目的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，為了檢驗(yàn)巷道的實(shí)際支護(hù)效果，觀察總結(jié)巷道的圍巖變形規(guī)律，施工過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)全程跟蹤監(jiān)測(cè)，根據(jù)所反饋的圍巖變形動(dòng)態(tài)，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，使其達(dá)到科學(xué)合理的目的。

本次觀測(cè)方法采用表面位移法，測(cè)點(diǎn)布置采用十字布點(diǎn)法。南一采區(qū)運(yùn)輸上山試驗(yàn)巷段掘進(jìn)50 m位置處開始設(shè)測(cè)站，共設(shè)兩個(gè)測(cè)站，第一個(gè)測(cè)站設(shè)在沿巷道掘進(jìn)方向?qū)嶒?yàn)巷段開始50 m處，隔100 m設(shè)第2個(gè)測(cè)站，2個(gè)測(cè)站同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)巷道施工周期：2017年8月14日至10月31日，施工長(zhǎng)度160 m，巷道表面位移觀測(cè)主要是觀測(cè)巷道頂板下沉、兩幫移近量，由于巷道底板經(jīng)常清理，底臌量難以給出準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，只能根據(jù)宏觀的觀測(cè)，定性的說(shuō)明情況。

測(cè)站布置完后，開始進(jìn)行礦壓觀測(cè)。①第一階段：連續(xù)觀測(cè)一個(gè)月，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。前10天，每天觀測(cè)一次巷道表面位移；后20天，每隔5天觀測(cè)一次數(shù)據(jù)；②等巷道變形基本穩(wěn)定后，進(jìn)行第二階段：每隔半個(gè)月觀測(cè)一次數(shù)據(jù)。掘進(jìn)期間巷道圍巖變形量和變形速度如圖5和圖6所示。

圖5 掘進(jìn)期間巷道圍巖變形曲線

圖6 巷道圍巖變形速度曲線

表面位移是反映巷道圍巖穩(wěn)定性的綜合指標(biāo)。根據(jù)表面位移測(cè)量結(jié)果，總結(jié)得出以下結(jié)論：

①?gòu)膰鷰r移近速度分析，巷道掘進(jìn)10天內(nèi)，圍巖運(yùn)動(dòng)加劇，兩幫最大變形速度為32 mm/d，頂板最大下沉速度為15 mm/d。11天以后，巷道圍巖運(yùn)動(dòng)速度慢慢減小，并逐漸趨于穩(wěn)定。

②現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量顯示，經(jīng)過(guò)5個(gè)多月，兩幫最大移近量達(dá)到216 mm，頂板最大下沉量達(dá)到120 mm，底鼓量達(dá)到135 mm。

4 結(jié)論

山西某礦提出并利用“注+架+錨”相互作用支護(hù)技術(shù)，使得南一采區(qū)運(yùn)輸大巷成功穿越F14斷層形成的破碎帶。并且通過(guò)5個(gè)月圍巖變形觀測(cè)，巷道兩幫最大移近量為216 mm，頂板最大下沉量為120 mm，地板最大底鼓量約135 mm，表明該技術(shù)的應(yīng)用能保持巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，對(duì)類似的破碎圍巖治理有一定的借鑒意義。