马兰矿南翼大巷注浆加固返修控制技术研究

2019-06-19梁吉曾

煤矿现代化 2019年4期

梁吉曾

（西山煤电马兰矿，山西古交 030200）

1 工程背景

马兰矿井底车场水平南翼大巷的主要变形区域集中在两帮、顶板。同时，巷道在压力作用下受损严重，尤其是碹体巷道的收缩变形，导致巷道正常的运输工作无法正常进行。该巷道于2005年对其采用29U型棚整修并加固，但由于该支护方案的缺陷性较为明显。通过锚索等支护对巷道的补强、加固作用并不明显。11年后该巷道的U型棚支护段受压弯曲段达到了50%。两帮的收缩非常明显，其值由4.2m逐渐减小至3.4m，无法通过双轨进行运输，现变为单轨运输。另一方面，如果加之过去的巷道修理技术进行扩巷整修的话，会产生一定的离层和松动岩体的冒落现象，范围逐渐增大，危害极深，最终有可能导致巷道的永久性损伤，无法整修。这样的方案极大的影响了该矿的年产量，使得效率降低，形成技术上的瓶颈。通过研究受动压及构造影响的碎裂围岩巷道破坏的原因和机理，从而提出适合其破坏特点的修复技术，不仅可以克服巷道反复破坏维修影响安全和生产的局面，而且巷道破坏冒顶及底鼓的安全状况也将得到根本改善。

2 巷道变形破坏特点及原因分析

2.1 巷道围岩变形破坏观测

围岩的破坏失稳变形断裂的状态严重影响着后续巷道深部的岩体裂隙发育状态。通过裂隙状态的测定初步提供计算支护参数的计算参照及其方法。对巷道顶部的巷道通过钻孔窥视仪进行现场试验。通过推杆的传递使得钻孔摄像探头围绕围岩钻孔开展探测。本方法可被广泛运用于现场测试当中，全景的图像存储方式为静止捕获的方法处理和快速存储全景图像，对于研究塑性区范围和围岩破断情况存在重要的意义。同时探头的移动始终处于动态当中，直到触及钻孔底部为止。在南翼大巷围岩变形最严重处设置原位测试孔，对顶板岩层变形进行窥视，窥视结果如图1所示。

图1 顶板岩层破坏窥视结果图

由图1可知，大巷在长期高应力影响作用下，在围岩内部产生大量的裂隙，而巷道原来采用砌碹支护方式，该支护方式属于被动支护，无法为巷道提供足够的支护阻力而导致巷道围岩变形严重。巷道浅部围岩已发基本处于破碎状态，随着钻孔深度的增加，围岩破坏程度有所减弱，但在2.0m～3.5m范围内，孔周边围岩仍有大量的裂隙存在，当孔内深度达到4.0m时，围岩完整性相对较好，由上述分析可知，该巷道围岩松动圈范围为3.5m。

2.2 巷道变形破坏特点

1）原来的锚以及拱的组合在一个层面上支持巷道在静水压力下，保持基本不变的状态。但反过来在动态压力下，甚至有使可伸缩的U型钢架和锚索加固巷道稳定性变差和严重破坏变形。

2）以U-29型号的钢架对巷道的变形破断进行修复，钢筋混凝土和支架后部背坑木的影响使得其受力作用较弱，存在并伴随着严重的空帮、空顶现象。一定程度上使得支架的支护承载作用削弱，无法完全达到规定的要求范围之内。静态水压力的条件下却能保持一定的稳定状态特征，随着时间的推移其无法避免出现变形情况。动态压力下是一个严重的变形破坏，导致严重的变形支架，弯折，扭转，缩成一团，插入底板下，如变形破坏模式，形成尖顶显示巷道严重收缩段。如上推断，修复后的支护结构仍然无法保持巷道的稳定性。

3）主要的破坏形式为两帮由外向内挤，特别是拥挤在底角的数量大。支架不断受到尖顶形态的冲击作用。顶板及底板的变形量加大。最终导致了其支护结构的整体破坏。

4）巷道围岩变形和破坏后，其主要特征是柔软、破碎、松散，其承载的性能极低。修复巷道时的围岩破碎以及顶板垮落，一大批空顶、空帮现象出现后，若修复不及时，则无法进行有效的加固手段，会导致加剧后期巷道变形与破坏。

2.3 巷道变形破坏原因

1）巷道周边围岩强度较低，部分属于软岩成分，在长期的高应力作用下，围岩变形破坏现象愈发严重，进而导致稳定性降低，顶底板及两帮移近量持续增加。

2）在回采动压及地质构造的双重影响下，围岩应力发生重新分布，当支护系统所承受的载荷超过其极限承载能力时，则可导致其发生结构性扭曲，应力集中位置出现偏移。

3）支护方式不合理，在该地质条件下，U型钢棚支护对改善围岩应力环境及加强围岩支护强度的作用并不明显，无法有效控制围岩变形。围岩松动圈范围的扩大更加剧了U型钢棚的收缩变形。

3 巷道围岩控制方案及参数确定

基于围岩松动圈范围观测、巷道变形破坏特点及原因分析，提出了采用“锚注+U型钢可缩性金属支架联合支护及关键部位锚杆加强支护”的巷道整修方案，其关键技术参数如下：

1）U型钢架+锚杆补强支护。在对巷道进行返修时，通过采取扩帮、刷顶工作来实现巷道合理的断面积，然而巷道某些区域围岩破碎严重，需另进行补强支护。若围岩的可锚性能较好，则可先进行锚杆支护，或进行U型钢架支护；若围岩的可锚性能相对较差，则先进行U型钢架支护，后进行锚杆支护，钢架采用29U型，排距选取为800mm。

2）长短管壁后注浆充填。壁后充填采用直径为26mm、长度为500mm的短管和直径为26mm、长度为1500mm的长管相配合来进行，注浆管间距为1.2m、排距为1.6m。注浆材料选用质量比为1：1的美固364混合液体，注浆压力按3～6MPa选取。

3）巷道全断面注浆加固。在长短管壁后注浆加固完成后，滞后其20m距离，在注浆孔间布置注浆锚杆，另外隔排布置螺纹加强锚杆，注浆锚杆和加强锚杆其间距均为1.2m，排距均为1.6m。

图2 巷道返修支护示意图

4）底角注浆锚杆。在与底板相距0.3m处，由巷帮处与水平面成30°夹角斜向下布置底角注浆锚杆。巷道返修支护示意图如图2所示。

4 巷道返修支护施工工艺流程

首先进行的是：扩帮、刷顶完成之后开始进行U型棚的架设、打眼。打眼完成后将注浆管进行埋设，接着安装封口器。注射泵以及注射枪用高压胶管相互连接后。通过插入装有美固364树脂桶的两根吸管得以工作完成。后期开始注浆，待注浆完成后冲洗相应的机具同时，停止泵站工作并且进行注射枪的移除。

具体施工过程：将原来已经变形的U型钢棚拆除，对巷道断面进行整修后，重新架设U型棚；在巷道壁开凿浅部钻孔后插入注浆短管，进行浅部注浆加固；浅部注浆完成后，在两浅孔间钻直径为42mm、长度为3200mm的深孔，进行深孔注浆加固。同时为控制巷道底鼓变形，在巷道底角处布置直径为25mm、长度为3000mm的底角锚杆；滞后20m距离，选用螺纹加强锚杆进行补强支护。巷道加固治理效果分析。

巷道在未进行返修处理时，围岩变形严重，无法满足正常使用的要求，对工作人员的人生安全产生很大的威胁。返修处理后，巷道成形良好，断面得到保障，围岩稳定性得到提高，返修前后巷道围岩变形对照图如图3所示。

图3巷道整修前后对照图

图4 表示的是注浆前及后的巷道顶板钻孔窥视图。根据图中所示可知，注浆前的顶板离层使得其发生破碎。巷道在承载过程中的安全系数同时也较低。架棚法支护不足以满足其强度条件。注浆之后，浆液的粘结固化使得其强度明显增加，残余强度达到安全值，较易得到相应的较大承载力。

图4 注浆前后对照图

在巷道整修区域建立矿压观测站，对巷道两帮及顶板位移量进行120d的持续观测，绘制如图5所示曲线。由图可知，巷道围岩变形主要集中在返修施工完成前20d内，顶板下沉量及两帮移近量可达到60mm和40mm，变形速度分别为3mm/d和2mm/d，此后变形速度及变形量趋于平缓，最终顶板下沉量为75mm，两帮移近量为55mm，该支护方案针对巷道变形破坏优化作用显著。