林南仓矿断层破碎带巷道注浆-锚喷支护技术及应用

王哲豪，浑宝炬

(华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009)

林南仓矿断层破碎带巷道注浆-锚喷支护技术及应用

王哲豪，浑宝炬

(华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009)

在全面分析研究林南仓矿-650回风巷道断层破碎带变形机理及破坏原因的基础上，采取“注浆-锚喷”支护措施，应用数值模拟进行论证，钻孔窥视观察巷道围岩内部结构，并对支护效果进行巷道位移监测。实践表明：该种支护方式改善了巷道围岩受力结构，有效控制了巷道变形破坏，确保矿井安全生产。

破碎带；巷道修复；注浆技术；钻孔窥视

巷道穿越多煤层开挖后，不仅原岩应力遭到破坏，而且由于巷道围岩岩性的不同，导致局部应力集中，巷道的稳定性难以控制，变形进一步加剧。不少学者对其进行研究，取得显著成果，但没能全面考虑该类巷道中的裂隙、断层等复杂地质构造以及周围巷道扰动的影响。现有的支护理论都是建立在连续介质的基础上，很少考虑到巷道围岩存在的断层引起的内部结构破碎，导致局部破坏，进而整体失稳。以林南仓-650m回风大巷为背景，通过深入分析了该段巷道的变形机理，设计出适用于该类巷道注浆-锚喷、局部补强的支护方式，并通过钻孔窥视和FLAC3D数值模拟进行论证，取得了很好的效果[1]。

1 工程背景

林南仓矿-650回风石门总长2511m，石门由煤12底围岩段的-650m暗立井口处向东南方向拨门施工，由底至顶穿越多煤层。-650m回风石门作为该水平的主要回风大巷，服务于多个采区。由于回风石门穿越层位多、裂隙发育、断层较多，且受到邻近巷道开挖扰动影响，围岩内部连续性结构遭到进一步，采用一般的支护手段并不能满足要求，巷道的变形不能从根本上得到控制，严重影响矿井的安全生产。

2 巷道支护变形机理分析

深部软岩巷道应依据围岩的变形力学机制选择合理的支护方式[2]。围岩地质条件的不同，其内部结构也千差万别，造成巷道变形破坏的方式不同，采用的支护方式也不尽相同。巷道开挖后，原岩的稳定状态遭到破坏，出现不同深度的松动圈，加之临近巷道扰动的影响，围岩受力不均，会出现裂隙结构，若没能采取合理的支护方式，围岩变形严重，导致支护难度加大。因此，采用钻孔窥视仪对围岩内部结构进行观测，能够直观准确的确定松动圈和内部裂隙的发育规模和范围，对于巷道的合理支护具有十分重要的意义。

在回风石门巷道选取4个点进行钻孔窥视，1#孔：拨门距离57m；2#孔：拨门距离136m；3#孔：拨门距离205m；4#孔：拨门距离267m。钻孔设计由正对迎头方向，左起拱线、左肩角、右肩角、右起拱线，钻孔深度7～8m。

通过钻孔窥视分析围岩内部裂隙结构，确定围岩松动圈范围，各岩层松动圈厚度为：1#孔围岩2522mm；2#孔围岩1660mm；3#孔围岩2609mm；4#孔围岩1770mm。1#孔围岩松动圈厚度较大，一方面由于套修，开挖范围加大，扰动作用叠加，一方面是裂隙发育引水的泥化膨胀。2#孔分别在900mm、1660mm和3960处发现裂隙，推断该处裂隙是由于开挖扰动影响造成。3#孔围岩为受倾向340°、倾角84°、落差0.4～4m断层影响，该处原岩裂隙发育，后又经历初次开掘和二次修复的扰动影响，围岩内部破裂，是巷道变形严重的重要原因。4#孔分别在700mm、1180mm、1470mm、1740mm发现裂隙，且有涌水现象出现。可见，对该巷道采用注浆支护的方式，加强围岩结构的完整性，使其能更好的发挥承载能力。

3 巷道支护方案设计

注浆支护能够加固围岩的整体性，加强承载能力和稳定性[3]。围岩注浆后，应力集中的顶板会将压力分散到两帮，进而传递到底板。由于注浆后整体结构的稳定性，组合梁结构加强，因此能减轻底板的载荷，有效的控制底鼓现象的发生，进而保持了整个巷道的稳定性。同时，浆液通过裂隙将破碎的岩块胶结成整体，岩石的内摩擦角和凝聚力增大，岩体的强度提高，浆液与一般锚杆相互作用，使得锚杆的受力由端锚改为全锚，与围岩的相互作用增大，锚杆的作用充分发挥，支护结构的整体性提高[4]。底角锚杆可将一部分力传递到稳定的底板深部，支护范围扩大，有效抑制底帮变形，使得锚杆的受力性能得到改善[5]。

巷道支护参数设计：净宽×净高=4000mm×3500mm。采用右旋等强钢筋锚杆，规格：Φ20mm×2m，间排距700mm×700mm。钢网规格：2m×1m，网格为150mm×150mm，用Φ6mm圆钢焊接而成。锚索规格：Φ15.24mm×6m。注浆锚杆规格：4#或6#黑皮管，Φ22mm×1.8m，间排距1500mm×1500mm，外露80mm。浆液用425号硅酸水泥和陶粒土，配比为1∶3，速凝剂加入5%的水泥，浆液的水灰比为1∶1.6，帮部注浆压力不大于2.5MPa，底角注浆压力不大于3MPa。喷层厚度初喷：50～80mm，复喷厚度：80mm，喷射砼重量配比为1∶3。锚杆托盘压紧贴岩壁，外露长度不大于40mm。锚注支护时，首先要进行50mm的初喷作为临时支护，在打好锚杆和钢丝绳后再进行复喷，厚度为80mm。在施工时，注浆口要封闭严实，保证浆液的漏出，同时要防止压强对注浆锚杆的影响，在松动圈比较大的地段，可适当的加长注浆锚杆，而后进行锚索的补强[6]。帮角注浆时，锚杆的水平较大不小于45°。

4 数值模拟

采用FLAC3D数值模拟软件对支护方案进行模拟，数值模拟计算以注浆条件下的锚杆(索)排距实况进行建模，锚杆和锚索采用加预应力的Cable结构单元模拟，喷浆采用Shell结构单元模拟，注浆采用浆液扩散范围内参数定比强化进行模拟。上面为应力加载，岩体按均匀自重应力大小施加，密度为2.5×103kg/m3，巷道埋深分别为650m，安装测定地应力进行加载。考虑模型高度达60m，重力影响级别为0～1.5MPa[7]。本次模拟主要针对注浆—锚喷支护效果进行分析，岩体的力学参数见表1，锚杆杆(索)的支护参数见表2。

表1 计算模型岩体力学参数

表2 计算模型(注浆)锚杆参数

采取锚注支护后，如图1(a)，在通过在巷道四周实施压力注浆及锚杆有效加固，顶板岩层中出现的拉应力区域明显消失，地板应力集中现象得到缓解。巷道四周的应力集中降低，尤其是巷道顶底板和巷道边墙。从图2(b)可以看出，围岩变形得到有效控制，浅部围岩封闭变形圈位移控制在15mm，底鼓和缩帮也得到有效缓解，从数值可以看出，巷道围岩位移极值控制在240mm以内。

图1 垂直应力分布图比较

图2 支护前后钻孔裂隙比较

5 支护效果分析

回风石门巷道围岩中存在有多条裂隙，注浆后，浆液可有效的填充裂隙，隔绝空气，封闭出水孔，有效的防止风化和浸蚀对围岩的破坏作用，配合锚喷支护，关键部位锚索补强的手段，多种支护方式共同作用，使巷道形成稳定的组合拱结构。

根据回风石门的围岩构造情况，该巷道优化支护90天后，选取4个位置进行钻孔，对其注浆效果进行观测，如图2所示，通过比较可以清楚地看到，注浆后的钻孔壁都比较完整，且在裂隙处有明显的浆脉，围岩中的节理、裂隙被很好地充填与黏结，一方面起到堵水作用，阻止了上部岩层含水对破碎围岩的进一步破坏；另一方面，对围岩起到很好的重新组合作用，将破碎岩体黏结为整体，恢复其连续性，为强力锚杆、锚索支护施工奠定了基础。

同时，采用“十字”布点的方法，在该巷道处设置4个巷道收敛观测点，对其进行观测，经过3个多月的观测，巷道的两帮及顶底板的变形情况如图3所示。50d后巷道两帮和顶底板的变形基本稳定，巷道两帮的最大变形为220mm，顶底板的最大为200mm，说明锚固区经过注浆强化后，承载的可靠性有了保障，注浆-锚喷联合支护及多层次强韧封层能较好的控制巷道变形。

6 结 论

1)林南仓-650m回风石门穿越煤层多，围岩结构复杂，通过钻孔窥视，直观的观测到内部裂隙发育状况，根据围松动圈及岩破碎范围，提出注浆-锚喷联合支护的方式，围岩载荷增长迅速，巷道承载及时。

图3 巷道表面收敛图

2)通过FLAC3D数值模拟对石门实施锚注支护方式后进行的分析比较，巷道支护后，巷道周围应力集中区域明显降低，应力集中的现象得到改善，巷道底鼓和顶板下沉从应力角度也得到有效抑制；从位移的发展趋势来看，巷道顶板和帮部变形得到很好的控制，位移量明显减小。数值模拟巷道的位移分布与现场结果较为吻合，可信度较强。

3)从支护效果分析，注浆后的钻孔比较完整，裂隙处有明显的浆脉，说明巷道围岩内部结构完整，形成连续完整的结构。通过巷道位移监测，巷道变形得到有效控制，支护效果显著。

[1] 孙全金.龙家堡201工作面顺槽冲击地压防治研究[J].现代矿业,2010,31(6):71-74.

[2] 张永将,谢广祥,杨科,等.深井软岩巷道峰后特性支护技术研究[J].矿业研究与开发,2006,34(5):28-29，89.

[3] 朱伟,高延法.锚注支护技术在高应力裂隙围岩巷道控制中的应用[J].煤矿安全,2006,45(4):32-34.

[4] 赵庆彪,刘长武.软岩巷道锚注加固系统的“网络”效应[J].金属矿山,2003,49(12):21-23.

[5] 张刚.清水营煤矿回采巷道支护技术研究[D].西安：西安科技大学,2011.

[6] 梁和平.锚注复合支护技术在巷道施工过大断层的应用[J].中国煤炭,2012,52(11):34-36.

[7] 陈晓坡,刘建庄,浑宝炬,等.过断层巷道修复技术研究与实践[J].煤矿安全,2012,45(11):77-80.

Technology of grouting-shotcrete support in fault fracture zones in Linnancang coal mine and the application

WANG Zhe-hao，HUN Bao-ju

(School of Mining Engineer,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009,China)

On the basis of comprehensive analysis and research deformation mechanism and failure reasons of Fault fracture zone of -650 air return roadway in Linnancang Coal Mine.Take the measure of “Grouting-Shotcrete Support”,it demonstrated used to numerical simulation.Internal structure of roadway surrounding rock of drilling observed,and the supporting effect of roadway displacement be monitor.The results show that it can improve the force structure and effectively control the deformation and failure of roadway ,then ensure the mine safety production.

fracture;roadway repair;grouting technology;borehole imaging

2014-04-05

王哲豪(1989-)，男，山西吕梁人，硕士研究生，主要研究方向为矿山压力与岩层控制。E-mail：348760387@qq.com。

TD353

A

1004-4051(2015)05-0107-04