深部矿井破碎松软围岩支护加固技术应用

米文川MI Wen-chuan

（中煤第一建设有限公司第四十九工程处，邯郸 056003）

0 引言

随着井巷技术的成熟发展，锚杆支护技术在日趋成熟，在各矿井施工中得到了普遍推广和应用，取得了一定的成效。但由于该技术的局限性，如施工巷道遇到岩石破碎、淋水增大、地质构造、裂隙发育等特殊地质条件时，光使用锚杆支护达不到相应的支护效果，通过改变支护形式，采取复合加固措施对松散破碎围岩产生良好的整体支护效果。

1 项目概述

赵楼煤矿设计生产能力为3.0Mt/a，采用竖井单水平开拓方式。巷道的特点是分布深，岩层不稳定，节理发育，局部有淋水，对后期安全生产有很大的安全隐患，影响赵楼矿井建设中的一个复杂问题就是深部极复杂松软底层巷道与大断面硐室围岩的稳定性控制。随着矿井工程的不断延伸，巷道支护难度将逐渐加大，影响了施工效率，制约了矿井建设工程的可持续发展。

在第一采区带式输送机下山巷道正常施工至-902m标高时，1304给煤机硐室中心前15-36m范围内，巷道两墙和拱部出现纵向裂缝，并伴有涌水，涌水量约6～8m3/h；通过对安设的巷道变形观测点观测，其中靠北侧的胶带大巷顶板出现下沉现象，下沉量为300～500mm，硐室靠近边缘处最大裂缝有150mm宽。

2 地质岩性分析

在1304给煤机硐室中心前15-36m段揭露3号煤层，平均厚度3.2m。根据地质预测，3#煤层顶板岩性主要为砂岩，在实际施工中煤层的顶板主要为泥岩，厚度约为3.5m，并伴有淋水。中下部含约1.3m煤夹矸，实际揭露与预测预报的岩性相差较大。巷道围岩地质条件复杂，顶板泥岩松散破碎，遇水易膨胀，矿压显现非常明显，给支护带来很大困难。

附图1：实际揭露地质柱状图。

图1 实际揭露地质柱状图

3 初始支护参数及分析

第一采区1304给煤机硐室原支护方案设计支护形式为采用锚网喷+锚索。

①锚杆支护参数为：锚杆采用直径22×2400mm螺纹钢锚杆。预紧力大于120N·m，锚固力大于150kN，间排距为0.8×0.8m。金属网规格：用Φ6.5mm圆钢焊接而成，网孔0.1×0.1m，长×宽=2.1×1.1m。托盘规格：采用厚度14mm，Q235A钢板制作的钟形托盘，规格：0.15×0.15m。锚杆托盘必须将网片压紧、压平，螺帽拧紧，严禁松动。锚杆钻孔方向与井巷轮廓线角度应不小于75°或与层理面、节理面、裂隙面夹角不小于75°；锚杆间排距：允许偏差±50mm；锚杆外露长度：露丝长度为螺母以外10～50mm。

②锚索支护参数为：锚索采用直径17.8×6200mm高强度钢绞线及配套锁具。锚索预紧力100kN，锚固力：大于180kN，锚索间排距为1.6×1.6m。托盘规格：采用厚度20mm，Q235A钢板制作的钟形托盘，规格0.3×0.3m。锚索设计预紧力不低于100kN。锚索间排距：允许偏差±100mm；锚索外露长度：露出长度为锁具以外150～250mm。

③原支护效果分析：巷道施工时间不长就出现了巷道来压顶板下沉底板底鼓，巷道局部地方出现裂隙，网兜现象比较严重，直接影响到巷道的支护质量及施工效率，甚至威胁到了作业人员的生命安全，也无法为满足日后的交付使用，必须采取相应的措施加以解决。

4 确定加固方案

经过现场分析，此处巷道顶部岩石已离层，巷道围岩塑性区大，尤其是破碎区大部分围岩处于破碎状态，整体性和稳定性较差，与锚杆的及时结合不能形成有效的支护[1]。既有支护体系难以维持现有巷道支护的安全性，必须对其进行加固，形成承载力高、抗变型能力强的复合支护结构，以有效控制巷道围岩，实现巷道支护结构与深部围岩的联合作用，从而保证围岩和支护结构的整体稳定性，达到控制围岩稳定性的目的[2]。巷道上部泥岩层局部离层，必须采取有效的措施后方可施工。为保证后期1304工作面施工期间巷道的稳定性和安全性，决定在顶板下沉部分先采用密集液压支柱和木垛临时支护顶板，防止顶板冒落；再对巷道顶部含水层进行集中治理，周围的泥岩破碎层进行注浆加固，使之围岩有效地成为一个整体。在密集液压支柱和道木垛临时支护及顶板破碎围岩注浆完毕后，采用锚网索梁加固巷道。

5 方案实施

5.1 支撑式临时支护

为防止在加固施工中巷道顶板发生大面积冒落，先在1304机头硐室的刷大区域用道木搭设了三个“井”字形木垛。巷道按0.7m的间排距支设液压单体支柱，单体支柱采用“穿鞋戴帽”的方式进行。

木垛下方与底板接实，每层采用两根道木“井”字摆放，上下接触点一致，上部用大木楔背紧接实，上下相邻两层道木用耙勾固定牢固。单体支柱采用“穿鞋戴帽”的方式进行，支撑有力，顶板接实，打好的单体支柱要上好保险绳，防止倒柱伤人。

5.2 埋管及集中放水孔

加工使用长度为1m直径1.2寸注浆管，用麻绳包裹的鱼鳞扣进行加固，埋入提前打好的注浆孔内，然后在注浆管里钻孔。当孔深达到砂层时，通过高压球阀连接注浆管开始注浆，隔断注浆孔周围的缝隙达到加固效果，注浆时注浆压力控制在3MPa，再进行封孔。拆除高压球阀后，再施工注浆钻孔，并穿入砂层集中泄压放水。这种放水方式可以防止砂岩水通过排水孔进入泥岩层，消除大面积浸泡泥岩层。共设置四个集中放水孔，放水流量约10m3/h。

5.3 采用注浆方式对围岩加固

注浆孔布置采用深、浅孔相穿插结合的方式。其中浅钻孔深度为1.5m，深钻孔深度为2.5m，孔与孔的间排距为1.6m。注浆孔呈三花形布置，深浅孔均安设长度为1m的注浆管。布置出两排注浆孔，先注入第一排孔，另一排孔作为泄压孔，及时观察泄压孔情况。若出现水泥浆流出，则关闭泄压孔阀门，避免水泥浆液跑浆。

钻孔采用锚杆钻机和风钻，顶部安装1寸注浆管钻孔，帮部安装1.2寸注浆管。

孔口管选用Φ1.2寸和Φ1寸无缝钢管加工成2m和1m两种规格。其中一侧旋出与高压球阀连接的螺纹，另一侧车出0.4m长的鱼鳞扣。孔口管埋设要牢固。必须按设计要求钻进到位，下管到位，注浆到位，以确保孔口管的抗拔力。

注浆连接装置由高压胶管、球阀、法兰等组成，用于连接孔口管和浆液输送管。高压球阀采用不小于25MPa压力球阀。

搅拌器：混合C和S泥浆，并将其注入岩层中。

注浆泵：注浆机型号为2JGZ-60/210两台，一备一用。

附图2：注浆工艺流程示意图。

图2 注浆工艺流程示意图

巷道浆液材料首先采用水泥-水玻璃双液浆，注浆以水泥单液浆为主，水泥、水玻璃双液浆为辅。水泥选用P.O42.5普通硅酸盐水泥，双液浆1:0.3～1:0.6。详见水泥浆液配制表。水玻璃选用液体硅酸钠型、浓度为30～45波美度、模数2.4～3.4的水玻璃。水泥浆与水玻璃的体积比，宜为1:0.3～1:0.6。

水泥浆液配制方法是先向水泥浆搅拌机内加入定量的水，开动搅拌机后加入定量的水泥，搅动均匀后即可，详见水泥浆配制表1。

表1 水泥浆配制表

注浆压力控制在1兆帕，终孔注浆压力为2～3兆帕。注浆结束标准：最终吸浆量和注浆压力，并有一定的持续时间。正常情况下，每次注浆时，注浆压力由小逐渐增大，注浆量由大逐渐减小。当注浆压力达到设计最终压力值时，注浆量：单液浆50～60L/min；双液浆为100～200L/min，稳定时间10～20min后即可完成注浆。

5.3.1 钻孔和注浆施工钻进过程中应掌握钻进深度，如果钻孔过程中有水且水量大于5m3/h，应停止钻进进行注浆处理；如果水量不大，钻孔施工至设计深度后再进行注浆。注灌浆压力达到最终压力后，继续10～20分钟，关闭球阀，再施工另一个孔。用双液封孔，注浆顺序从巷道底板开始，从下到上注浆。

5.3.2 注浆压力的控制从上述各阶段的变化来看，开始保压时间较长，最后保压时间较短。当达到最终压力时，可以保持10-20分钟。

5.3.3 补孔措施设计施工钻孔注浆完成后，可根据现场实施情况，在巷道有淋水及巷道裂隙处进行补孔注浆，可更有效地对破碎围岩进行充实固化，使之稳定形成一个整体。

5.3.4 效果检验在注浆加固段每隔5m打设一组观测孔，顶板打设一个，帮部各打设一个，通过采用窥视仪进行钻孔内窥视，检查注浆加固效果，发现孔壁密实完整，没有孔隙，说明达到了预期效果。通过对顶板泥岩层进行注浆加固和疏放水，使顶部围岩形成有效整体，防止顶部岩石冒落。

5.4 补强支护方案

在第一采区带式输送机下山1304给煤机硐室破碎带钻孔注浆后，巷道变形得到控制。在拆除点柱和木垛之前，先对给煤机硐室破碎带前后50m范围内进行加固补强支护，以确保巷道的稳定性[3]，减少巷道来压变形量。

根据现场实际情况分析，拟采用锚喷与锚索梁相结合的加固方案，在破碎带附近50m范围内采用锚杆补强支护，锚杆间排距为1m×1m。超前施工3～5m后，再补打锚索梁加强巷道拱顶的支护，梁采用18#槽钢加工而成。同时，将其底板底鼓区域进行卧底至巷道设计高度，在巷道底部不超过0.3m处打设底角注浆锚杆加强支护。最后对该区域进行喷浆封闭。

补强锚索采用直径17.8×8300mm钢绞线加工制成。小断面拱顶布置3根，用一条18#槽钢将三根锚索连成一个整体；三岔口断面跨度较大时顶板布置4根，每2根用18#槽钢做曲梁连接。排距为2m，间距为1.5～2m，视断面大小而定。

附图3：补强加固后支护示意图。

图3 补强加固后支护示意图

5.5 地压观测

加固完成后，在加固区域安装锚杆及锚索应力感应器，对巷道来压支护监测。在缓慢来压一月后，支撑体的周期来压从大变小。结合实际矿压理论，岩层基本趋于稳定[4]，表明支护加固稳定了围岩，保证了巷道围岩和支护结构的整体稳定性。

6 优化支护方案后巷道施工

在第一采区1304硐室周边区域加固处理完成后继续施工。采用超前锚注法对顶板进行注浆封堵加固，然后采用小循环掘进施工。支护采用锚网+锚索槽钢梁法，使顶板形成整体，有效控制了顶板泥岩层的沉降，确保了巷道整体的支护质量，顺利通过剩余三十米多的顶板泥岩层。该技术应用的前提是必须弄清实际巷道围岩的特征和变形失稳机理，客观分析初期支护结构，加强支护监测和预测，从而确定二次支护或加固方式及最佳时机，从而达到最佳围岩控制效果[5]。

7 结论

在今后的施工中如遇到煤层顶板有较厚的泥岩伪顶，且受砂岩水影响时，就会造成顶板破碎松软，容易造成顶板离层，给巷道施工和支护带来很大困难。通过此种加固方案，有效提高了支护强度，稳定了围岩，经过近一年的使用，该处巷道整体完整，没有再出现顶板离层巷道开裂现象，达到了预期效果不仅缩短了施工工期，同时降低了成本确保了安全，为类似围岩的支护提供了参考。