松散破碎围岩巷道加固技术应用

苏永

摘 要：本文结合小回沟矿井巷道破坏加固方法，阐述了巷道破坏原因，并分析了大巷修复存在的问题，提出巷道加固方案和巷道围岩治理方案，然后分析了方案的具体实施，最后对巷道加固实施效果进行验证。结果表明，加固效果较好，达到预期目标。

关键词：松散破碎围岩;注浆加固;巷道支护

Abstract： Combined with Xiaohuigou mine roadway damage reinforcement method， this paper expounded the reasons for roadway damage， analyzed the problems existing in roadway repair， put forward roadway reinforcement scheme and roadway surrounding rock treatment scheme， then analyzed the specific implementation of the scheme， and finally verified the implementation effect of roadway reinforcement. The results show that the reinforcement effect is good and achieve the expected goal.

Keywords： loose and broken surrounding rock; grouting reinforcement; roadway support

1 工程概況

山西小回沟矿井位于山西省清徐县，设计年产量300万t。巷道布置在2号和3号可采煤层中，3号煤层平均厚1.09 m，2号煤层平均厚2.63 m，3号煤层下距2号煤层平均间距6.89 m，煤层倾角平缓，一般为5°～15°。煤层埋深从东向西逐步加深，埋深为400～700 m。

矿井一水平辅运巷、运输巷、一号和二号回风大巷、采区变电所等二期工程均采用锚网索支护，巷道沿2号和3号煤层施工，直墙半圆拱断面。施工后出现不同程度的破坏，主要表现为大巷底鼓和帮部开裂、顶板下沉。特别是在大巷西段，局部底鼓1 m以上，两帮片帮0.3～0.5 m，顶板下沉最大处1 m。巷道于2016年9月开始进行修复加固。在修复过程中，巷道刷扩后局部超出设计宽1.2 m，高超出设计0.8 m。巷道平面布置如图1所示。

2 巷道破坏原因

通过现场调查与地质资料对比分析，出现巷道破坏的原因主要有以下几方面。

①巷道埋深变化大，深部区段地层应力明显增大，巷道支护强度不能抵抗围岩应力。已掘大巷埋深集中在400～700 m，巷道西段破坏严重区域主要集中在埋深600～700m的位置，埋深400 m左右的大巷围岩整体控制效果较好，未出现明显破坏。

②地质构造影响区域，围岩结构破碎、承载能力低，造成巷道围岩被破坏严重。巷道西段附近区域揭露陷落柱达5个，落差大于1 m的断层有6条。该段巷道集中在断层、陷落柱、向斜构造轴部影响区域，表现为揭露围岩节理裂隙发育、巷道压力明显增大[1-2]。

③大巷西段设计有采区水仓、泵房、变电所，该段应力比较集中，掘进扰动明显，附近巷道破坏严重。1号回风大巷与西翼辅运大巷间净煤柱宽度34 m，中间设置采区变电所;辅运大巷与西运输大巷间距25 m，中间设置采区水仓和泵房，相邻巷道间净煤柱宽度变窄，应力集中显现明显。

④巷道跨度大，巷帮承载能力低。大巷净宽6 m，且在半煤岩层中，帮部围岩强度较低、承载能力差。巷道掘进后，底板及两帮围岩最先出现显著变形和失稳破坏，进而引起顶板破坏。

3 大巷修复存在的问题

①巷道两帮及顶板扩刷过程中，巷道围岩松动范围大，刷扩垮落严重，锚杆锚索钻注施工困难。围岩松动深度平均达到2 m，多数锚杆失效。锚索孔塌孔严重，安装困难。

②巷道刷扩施工中，断面超宽超高严重，进一步造成巷道围岩不稳定。

③巷道刷扩施工过程对邻近巷道扰动明显，造成邻近巷道破碎围岩的突然垮落和进一步破坏。

4 巷道加固方案选择

4.1 钢支架支护

破碎围岩巷道金属支架配合金属网护帮护顶，可以防止破碎围岩的瞬时突然塌落冒顶，但难以对围岩施加控制变形的预应力。随着围岩变形的发生，所承受的围岩挤压力增加，金属支架自身变形量增大，最终因钢支架受过载应力和重力造成支架破坏、支护失效。

4.2 锚网索二次加强支护

该段巷道已经形成较大围岩松动圈，且围岩结构不完整，采用锚杆锚索补强支护时，施工锚杆（索）孔塌孔严重，锚注困难，锚杆锚索预紧过程所需的锚固不能达到要求。再进行重复锚杆锚索补强支护，不能有效控制围岩变形的发展[3]。

4.3 破碎围岩注浆加固

注浆加固时，浆液注入破碎围岩后充填围岩内部裂隙，对开裂破坏的围岩进行胶结，围岩裂隙消失，恢复完整结构的围岩结石体。结石体如有足够强度时，可有效阻止在高应力作用下围岩的破坏发展。注浆加固可以在改变破碎围岩内部结构的基础上实现对围岩的加固。单纯的破碎围岩注浆，不能改变围岩的应力，只能承受地层应力，在高地层应力下，围岩与浆液结石体也容易发生二次开裂破坏。实践证明，单一的加固方法不能有效控制此类破碎围岩的长期蠕变及进一步破坏。对于巷道埋深大、围岩破碎的永久巷道，应在恢复围岩内部结构完整性的基础上，加强对巷道围岩的主动支护[4]。

5 巷道围岩治理方案

为确保该煤矿永久大巷的整体稳定性，减少巷道远期维护量，必须在恢复破碎围岩完整性、提高围岩承载能力的基础上，采用围岩注浆加固与锚网索加强支护相结合的加固方案。

注浆加固可有效充填巷道围岩裂隙，使破碎围岩松动圈重新胶结成整体，提高破碎围岩的承载能力，进而形成连续的结构体，有利于锚杆锚索加固时内摩擦力的传递，大幅度提高围岩承载力。

锚网索加固是在破碎围岩恢复连续性和整体性后，对围岩施边界条件，使注浆后的围岩具有较强的承载能力，阻止围岩再次被破坏，确保加固后巷道围岩的稳定性。

注浆材料应以结石体强度相对较高、耐久性好、抗变形能力强的水泥基无机注浆材料为主，在局部裂隙开度较大的部位先采用水泥、水玻璃双液浆进行浅孔注浆，封堵浅部裂隙及破碎围岩;然后再深孔高压注入水泥浆，加固深部围岩。

6 巷道注浆材料及补强参数设计

6.1 巷道注浆加固材料

注浆使用P.O42.5普通硅酸盐水泥配合ACZ-1水泥注浆添加剂的水泥浆;围岩漏浆和浅孔注浆时，使用水泥-水玻璃双液浆。水泥注浆添加剂具有减水、增塑、增强、微膨胀作用，克服水泥浆水灰比高、强度低、硬化收缩、泵送阻力大的缺点。

单水泥浆注浆：水灰比控制在0.6∶1～1∶1。根据围吸浆情况调整，水灰比由大变小，由稀浆变稠浆。ACZ-1水泥注浆添加剂用量为水泥重量的8%～10%。

双液注浆：水泥浆配比不变。水泥浆和水玻璃的体积比1∶0.4～1∶0.6，水玻璃浓度为48～55 Be，模数[M]=2.8～3.2。现场进行试配达到最佳凝固时间，确保及时封堵漏浆充填浅部围岩裂隙。

6.2 巷道补强支护设计

锚索选用直径为22 mm、1?19股高强度低松弛预应力钢绞线。其極限拉断力为560 kN，延伸率为7%。配套锚索托板为拱形可调心托板，并配有调心球垫，托板尺寸为300 mm×300 mm×16 mm。配套锚索锁具承载能力不低于50 t。

7 巷道加固实施

2017年3月15日开始对采区变电所实施维修加固，采区变电所巷道设计断面为直墙半圆拱形，锚网喷联合支护。巷道修复加固为注浆加固+高强锚索支护方案。采区变电所加固区域平面如图2所示。

7.1 注浆施工主要施工工序与关键参数

注浆施工工序：封闭围岩→标记注浆孔位→钻孔施工?注浆管固定→开泵注浆施工?注浆至终压稳定停泵→拆除注浆系统，移至下一个注浆孔，单孔注浆结束。如若拆除孔口球阀，需要待孔内浆液凝固且球阀不承压后拆除，一般在注浆完成12 h后拆除。

①围岩封闭。采用JPS5I-L转子式混凝土喷射机对变电所内原混凝土喷层开裂区域重新喷射混凝土，封闭围岩避免漏浆。喷射混凝土厚度100 mm。喷射混凝土强度C25。

②注浆材料及配比。425#普通硅酸盐水泥、XPM纳米注浆添加剂、水玻璃。XPM添加剂用量为水泥重量的8%～10%。水泥单液浆的水灰比0.6∶1～1∶1。水玻璃浓度48～55 Be，模数[M]=2.8～3.2。水泥浆和水玻璃双液浆的体积比1∶0.4～1∶0.6。

③注浆管设计。注浆管选用直径为42 mm的无缝钢管，长度800 mm。孔口管末端加工麻牙扣，孔口管外露部分加工丝扣不小于70 mm，麻牙扣段缠麻。

④注浆孔设计。全断面注浆，注浆孔成排布置，呈“三花”布置，排距2.0 m，间距2.0 m。除巷道帮部底角注浆孔呈15°扎角外，其余注浆钻孔均垂直于巷道表面。孔径不低于42 mm，钻孔深度7.0 m。变电所注浆孔布置见图3。

⑤注浆孔施工。按照设计位置，预先采用喷漆点好眼位，钻孔采用MQT130/2.8型气动锚杆钻机，可接式钻杆，配42 mm双翼合金钢岩石钻头。施工孔口位置偏差不超过50 mm，孔底位置偏差不超过孔深的1%。钻孔应清洗干净，并做好钻孔检查记录。

⑥注浆管固定。采用充气式止浆塞固定注浆管，使浆液注入指定有效区域。安装时，将止浆塞固定在注浆管上的设计位置，一起放入钻孔，然后用压缩空气或注浆泵注水使其膨胀堵塞注浆管与钻孔之间的间隙，达到固定注浆管的目的。钻孔破碎若采用全孔注浆，则可以用铅丝、麻刀或木楔等材料在注浆孔口堵塞间隙，采用专用工具将注浆管打入孔内，采用ZBY-30/12.0注浆泵注入水泥和水玻璃浆液封闭孔口管四周孔隙，待孔口管凝固后，在孔口管外露丝扣端外接球阀[5]。

⑦注浆顺序。按照“从下到上，先帮后顶”的顺序逐排、逐孔注浆。临近钻孔漏浆、跑浆严重时，及时关闭跑浆孔阀门或采取“隔排或隔孔”注浆的方式控制漏浆。

⑧注浆压力。注浆终止压力2～3 MPa，根据围岩浆液扩散状况和注浆量调整注浆压力。注浆施工过程中，出现局部漏浆时采取棉纱、木楔或水泥水玻璃胶泥堵塞的方式处理，漏浆严重导致停注的区域重新补打注浆孔。

⑨结束条件。注浆压力达到设计终压，浆液注入量已达到计算值的80%以上;所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注。

7.2 强力锚索补强加固方法

在变电所注浆加固完成7 d后，对变电所进行强力锚索补强支护。

第一，锚索规格：直径22 mm、1×19股煤矿专用强力锚索，变电所B-C段与一号回风大巷之间墙部采用长度为9.4 m穿墙锚索，其他锚索长度均为5.3 m。A3钢锚索托盘规格：300 mm×300 mm×16 mm。锚索外露长度200～300 mm。每支锚索配1支K2335和2支Z2360的树脂锚固剂进行锚固，锚固长度1 970 mm。

第二，锚索施工：采用MQT130/2.8型气动锚杆钻机，配直径30 mm双翼合金钢钻头钻孔，B19可接钻杆。钻孔施工完毕，扫净孔内积水和岩粉，1支SMK2335树脂锚固剂在前，2支SMZ2360树脂锚固剂在后，用锚索顶入眼底，用锚杆钻机一边搅拌一边注入。待凝固后安装托盘并涨拉到位。对拉锚索采用ZDY-650型探水钻机钻孔，42 mm钻杆，65 mm钻头。钻孔施工完毕，安装锚索后，对拉到设计预应力，并采用单液水泥浆采取注浆方式充填孔内空间，防止锚索锈蚀。

8 巷道加固实施效果分析

变电所加固完毕后，在变电所C-D段中心断面位置埋设监测点，监测点分别为A点（顶板下沉）、B点（底鼓）、C点（左帮位移）、D点（右帮位移），实施顶底两帮的位移变形监测。4个监测点布置在同一断面内，A点和B点铅垂布置在巷中，C点和D点水平布置，距底板高度1 m（见图4）。监测点每周一进行挂线量测一次，每次采用钢卷尺量测各点到交叉点O的距离。连续观测3个月，变电所内喷浆层没有见明显脱落处，监测点观测数据如表1所示。

从变电所位移记录可以看出，在3个月内，变电所监测点A处相对位移变化在0～-10 mm，B处相对位移变化在+2～-6 mm，C处相对位移变化在+2～-6 mm，D处相对位移变化在+3～-10 mm。除了测量误差为3 mm，巷道围岩相对位移小于7 mm。经加固后，变电所围岩能够支撑该处地压，效果良好。

参考文献：

[1]蒋华，谢冬冬.强采动应力影响下大断面硐室围岩结构变形破坏机理及控制[J].煤矿安全，2018（4）：136-139.

[2]魏海涛，齐炎，张小刚，等.遇水泥化性破碎软岩巷道变形控制[J].有色金属（矿山部分），2017（6）：96-99.

[3]何远富，邱熠华，董军庭，等.岩溶破碎富水大断层巷道支护技术研究[J].采矿技术，2017（1）：13-16.

[4]王晓蕾，秦启荣，熊祖强.破碎围岩注浆加固扩散机理及应用研究[J].科学技术与工程，2017（17）：188-193.

[5]张宇旭.深部破碎软岩巷道失稳破坏机理及支护技术研究[J].中国煤炭，2017（8）：85-88.