松软破碎岩层大断面硐室定位注浆加固技术研究

梁 苗，王 辉，张 磊，褚海艳

(1.鄂尔多斯市生态环境职业学院，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.鄂尔多斯职业学院，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

矿井围岩注浆加固实质是改善岩体力学性能，提高岩体强度，形成自身承载结构，提高支护结构的整体性；矿井围岩注浆加固的原理是改善支护结构受力状态，改善围岩岩性，提高岩体支护后的强度，提高围岩支护体的承载能力和整体性。根据围岩注浆加固的实质和原理，先确定需要注浆加固的位置再进行定位注浆加固更能发挥浆液的渗透胶结作用，固结松软破碎岩体成为一个整体结构，浆液凝固后也可以提高围岩的自身强度[1-7]。石草台煤矿井下二水平大断面硐室利用中空注浆锚索、锚杆结构特点，根据围岩破碎位置的不同选用出浆位置与之相对应的锚索、锚杆控制注浆时浆液的出浆位置，在探明岩体中松软破碎位置前提下，实施定位注浆加固技术，更好地发挥了注浆支护加固松软破碎围岩的作用[8-15]。

1 大断面硐室顶底板概况

石草台煤矿二水平变电所硐室无法避开岩性较差岩层，从现场顶板钻孔窥视结果可以看出顶底板破碎裂隙比较发育。现场顶板钻孔深度0～1.5m窥视结果如图1所示，从图1可以看出，钻孔深度0～1.5m之间岩层比较松碎，孔内裂缝将孔壁分割成网状破碎小块。

图1 钻孔深度0～1.5m窥视结果

现场顶板钻孔深度2～3m窥视结果如图2所示，从图2可以看出，钻孔深度在2～3m之间岩层，孔壁裂隙沿钻孔方向向深部发育延伸，可见该位置钻孔中的岩石碎块较多，岩层发育完整性差，在进行钻孔窥视观测时发生破碎岩块卡住观测探头的情况，超过3.5m深度观测探头很难再伸进去。

图2 钻孔深度2～3m窥视结果

以上钻孔观测结果说明石草台煤矿二水平变电所硐室顶底板岩层显现松软破碎的特性，在支护过程中通过注浆可以将松软破碎的顶底板加固成为整体，增强顶底板的整体性和连续性。因此，针对该矿井下变电所硐室顶底板破坏情况，提出在采用中空注浆锚索确定围岩松软破碎位置的前提下，进行定位注浆并辅以反悬拱控制底鼓，提高围岩整体承载能力。

2 变电所硐室支护方案

鉴于石草台煤矿二水平变电所属于大断面巷道，具有围岩松软破碎、地应力高、埋深大等特点，设计方案的指导思想是释放围岩压力，发挥围岩自身承载能力，形成内部支承环，主、被动支护结合，刚柔结合，锚注结合；硐室前期施工经过应力重新分布，充分释放围岩压力，矿压观测进入稳定期后进行二次支护，实施定位注浆辅以反悬拱控制底鼓的加固方案。因此，本次支护方案分四个阶段完成对该大断面硐室的总体支护。

2.1 第一阶段支护

第一阶段采用小断面掘进，最大限度地释放围岩应力，这样可以减少后期大断面硐室的变形。巷道掘进断面为半圆拱型，规格为4500mm×3400mm。计划后期围岩充分释压后刷大断面，前期支护采用锚网支护方式。第一阶段支护设计如图3所示。

图3 第一阶段支护设计图(mm)

2.2 第二阶段支护

第二阶段支护考虑后期硐室施工和设备布置确保硐室净断面尺寸5000mm4000mm，顶板和两帮预留0.15m的变形量，预留浇筑混凝土的厚度。掘进断面刷大后尺寸为6300mm4750mm，成形断面形状为直墙半圆拱形。设计采用刚柔结合的锚网索喷联合支护方式，所施工锚索、锚杆为确定出浆位置的注浆锚索、注浆锚杆，为下一阶段定位注浆做好准备。第二阶段支护设计如图4所示。

图4 第二阶段支护设计图(mm)

2.3 第三阶段支护

在第一阶段充分释放围岩应力后，围岩进入稳定变形期，进行第二阶段的施工与支护。在第二阶段支护施工完成之后，第三阶段支护时间通过矿压观测结果确定。第三阶段支护实施定位注浆，形成围岩内部支承环，提高围岩强度。注浆原料用525#硅酸盐水泥、ACZ-Ⅰ水泥添加剂，水灰比2∶1，添加剂用量是水泥量的8%；注浆泵压根据实际注浆情况实时调整，原则上注浆泵压低于5MPa。定位注浆工艺流程如图5所示。

图5 定位注浆工艺流程图

2.4 第四阶段支护

第四阶段针对硐室底鼓采取定位注浆加固锚注结构体、封闭大断面巷道表面围岩、向深部转移围岩应力相结合的方法。通过注浆锚杆对底板浅部注浆，在硐室底板形成向下的拱形承载结构体；注浆加固碎裂底板并对其进行注浆封闭；通过注浆锚索将浅部锚注结构体锚固到深部稳定围岩，深部锚固点可以限制浅部底板向上鼓起，使整体应力向深部岩层转移，大断面硐室的底板形成向下悬吊的反悬拱结构与浅部锚注结构体形成共同承载体系起到加固和控制底鼓的作用。反悬拱结构支护设计如图6所示。

图6 反悬拱结构支护设计图(mm)

3 数值模拟验证

3.1 支护结构受力模拟

根据石草台煤矿二水平变电所等巷道的围岩物理力学参数，采用FLAC3D软件建立力学模型进行数值模拟验证。按照支护设计参数构建数值模拟模型，支护结构受力模拟如图7所示。由图7可见，所施工的帮锚索和多数帮锚杆处于受拉力状态，最大拉力值达到2t左右；硐室的正上方以及断面两肩位置所施工锚索和锚杆都处于受压力状态，锚索、锚杆所受的最大压力值达到8t左右。锚索和锚杆的受力情况比较合理，大多数支护体都发挥了支护作用，达到了形成锚注结构体共同承载的目的。在硐室断面两肩位置锚杆支护全长都在受力增大的区域内，与该位置存在应力集中和围岩变形量较大的实际情况吻合。

图7 支护结构受力模拟

3.2 定位注浆后底板锚杆和锚索受力模拟

底板岩层定位注浆加固后稳定性和整体性有了很大改善，其底板锚杆和锚索受力模拟如图8所示，通过注浆锚索、注浆锚杆对底板进行定位注浆加固形成锚注结构体，注浆锚杆封闭表层碎裂岩层加上锚固、注浆锚索深部锚固使围岩应力向深部转移。硐室底板注浆锚索、锚杆都处于受拉应力的状态下，反悬拱结构起到了阻止底板围岩向上鼓起的作用，整体承载结构受力均匀，总体支护效果明显，在控制硐室底鼓上起到明显作用。

图8 底板定位注浆后底板锚杆和锚索受力模拟图

4 结 论

1)针对呈现松软破碎特性的巷道围岩，探明岩体中松软破碎的位置，在设计注浆位置和岩体中松软破碎位置一致的前提下，进行定位注浆加固提高注浆加固效率和效果。

2)针对松软破碎围岩采取锚注加固，浅部封闭锚固形成锚注承载结构体，深部锚固转移围岩应力，通过提高围岩整体承载能力来控制松软破碎岩层大断面巷道变形效果显著。

3)通过分阶段支护充分释放围岩应力，避开松软破碎岩层的应力释放期，使松软破碎岩层内部应力充分释放出来，可以充分保持和利用围岩残余强度，同时提高巷道支护控制效果。

4)反悬拱结构有机结合了锚杆支护的组合拱和悬吊原理，在大断面巷道底板形成向下承载的拱形结构并将该结构反向固定到深部稳定岩层上，可以实现对大断面巷道底鼓的有效治理。