特殊地质条件下巷道修复加固技术适配性研究与应用

刘尊杰 王义勇

（1.山东省能源局，山东 济南 250000；2.山东方大工程有限责任公司，山东 淄博 255100）

松软破碎巷道的修复是煤矿巷道施工与安全生产的一大难题。井下大量巷道处于泥岩、页岩、粉砂岩、泥质砂岩及煤层等特殊地质条件下，巷道失修严重。为解决特殊地质条件下的巷道修复与支护问题，对巷道修复支护进行体系性研究具有重要意义。

1 概况

新河矿-980 m 二节胶带暗斜井技改延伸工程，设计为直墙半圆拱形巷道，原设计采用锚网索喷支护方式，巷道净宽4.3 m，净高3.75 m，坡度为-18°。巷道施工及使用过程中多处巷道顶板有喷浆层开裂、下沉、鼓出、脱落现象，并伴有地板严重底鼓。结合井下现场条件，确定对-980 m 二节胶带暗斜井进行巷修加固。

2 巷道围岩物理力学性能与矿物成分分析

本次围岩应力测试钻孔岩样送交国土资源部济南矿产资源监督检测中心进行岩石力学试验，检测项目为天然抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、弹性模量、泊松比、块体密度和吸水率，同时现场采取泥岩试样还进行了矿物成分分析。

试验检测结果见表1、表2。

表1 岩石物理力学指标测试结果

表2 巷道围岩矿物组成试验结果

得出结论如下：钻孔采取的岩样主要有中砂岩、粉砂岩、细砂岩及砂质泥岩，单轴抗压强度和抗拉强度的大小符合：中砂岩＞粉砂岩＞细砂岩＞砂质泥岩；单轴抗压强度和抗拉强度大的中砂岩，弹性模量也比较大，而泊松比相对较小；单轴抗压强度和抗拉强度小的泥岩弹性模量比较小，而泊松比相对较大；四种岩性粘聚力大小符合：粉砂岩＞中砂岩＞细砂岩＞砂质泥岩；内摩擦角大小符合：中砂岩＞粉砂岩＞细砂岩＞砂质泥岩；泥岩由于含较多亲水性粘土矿物，吸水率大于2.0%，其他岩性吸水率规律如下：砂质泥岩＞粉砂岩＞细砂岩＞中砂岩。根据泥岩试验结果，可以看出修复巷道所穿越的岩层为多种类岩性叠合岩层，性能指标差异性大，造成修复支护方案必须根据岩性不同进行及时调整。

3 特殊地质条件下巷道巷修支护加固技术

3.1 围岩及巷道建模

建立的模型宽×高×厚40 m×40 m×1.6 m，巷道形状为直墙半圆形，半径2.3 m，墙高1.7 m。模型剖分采用六面体单元，划分完成的网格见图1（a）。模型围岩采用SVISIC 蠕变模型进行模拟[1]，力学参数在表3 实测围岩力学参数基础上结合经验和数值反演最终确定。开挖过程一次完成，开挖完成后即进行锚网喷支护。喷砼层按照摩尔库伦模型模拟[2]，厚度150 mm，紧贴巷道开挖断面，模型见图1（b）。考虑本工程地质埋深条件特点，模型受力加载按地应力测试实测荷载，竖向地应力取25.6 MPa，水平地应力取31 MPa 和20 MPa（巷道轴向方向）。喷砼力学参数见表3，岩性参数见表4。

图1 试验方案巷道、喷层及锚杆数值模型

表3 喷砼力学参数

3.2 数值模拟方案设计

为了阐明锚注加固支护效果，本次分析选用多方案对比法，共包括5 个方案，分别为原支护方案R1，复修方案R2～R5。通过受力分析和研究，进行复修方案比选。各方案详见表5。

3.3 复修方案综合分析比选

-980 m 二节胶带暗斜井在原支护方案下，围岩变形量较大，尤其拱顶沉降达到800 mm 左右。为解决这一问题，进行了原支护方案以及4 种复修方案数值模拟，并对其进行分析比选，数值模拟所得部分结果见表6。

表4 岩石流变力学参数

表5 数值模拟方案

表6 数值模拟部分结果

（1）在围岩变形控制方面，复修方案R2～R5均强于原始方案。复修方案R2、R3 将顶板沉降控制在45 mm 左右，远小于原支护方案的806 mm，且小于其他支护方案；在底鼓量、巷帮内移量控制方面，复修方案R1、R2 也明显优于其他方案。

（2）在控制塑性区发展方面，复修方案R2、R3 基本相似，塑性区体积较原始方案下降142%，塑性区发展深度为3～4 m，比原始方案小2 m 左右，比其他复修方案小1 m 左右。

（3）综合来看，修复方案R4、R5 顶、帮、地板变形均大于修复方案R2，不予采用；复修方案R3 围岩控制效果约等于复修方案R2，但复修方案R2 的锚杆锚索间距大于复修方案R3，支护成本及速度高，因此复修方案R2 更为可取。

4 工程应用及效益说明

4.1 修复设计参数

在-980 m 二节胶带暗斜井预注浆短管：采用Ф20 mm×1500 mm，设计注浆孔间距1500 mm，每排3 个孔，孔排距2000 mm。注浆浆液：采用水泥水玻璃双液浆，浆液凝固时间为20 s。锚杆：Ф22 mm×2400 mm 的全螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×1600 mm，托盘为100 mm×100 mm×10 mm。注浆锚索：顶板锚索长度6200 mm，帮部锚索长度4200 mm，间排距1000 mm×1600 mm，与锚杆隔排布置，托盘规格为150 mm×150 mm×10 mm，巷修区域顶板及帮部锚索钢带规格均为1400 mm×140 mm×10 mm（2 孔）的T 型钢带，锚索钢带沿巷道横向布置，锚索托盘压在钢带上。锚索注浆采用P042.5 普通硅酸盐水泥，水灰比0.65，掺加0.8%的高效早强减水剂，注浆压力2 MPa。

4.2 巷道矿压监测分析

巷道按照新的修复方案修复后，对锚杆锚索受力、巷道表面收敛变形进行观测测量。对本巷道矿压测试自2019 年4 月14 日开始，测点布置如下：

（1）2019 年4 月14 日在-980 m 二节胶带暗斜井安设两个巷道表面收敛变形观测点（两帮测点）。

（2）2019 年4 月15 日在-980 m 二节胶带暗斜井安装1 个锚杆测力计观测测点（5 根锚杆）、1 个锚索测力计观测测点（2 根锚索）、1 个测力锚杆观测测点（3 根测力锚杆）。

通过对-980 m 二节胶带暗斜井巷道围岩变形和锚杆轴力实际量测的数据分析，得到以下结论：

（1）锚索轴力的测试表明，锚索安装初期，测力计数值变化较快，随着巷道的变形锚索所受的拉力不断增大，轴力呈现不断上升趋势。30 d 之后，由于锚索的支护作用，巷道的整体变形趋于稳定，所以锚索的轴力也趋于稳定且具有一定的安全储备。

（2）锚杆轴力的测试表明，锚杆受力帮部大于拱顶，浅部大于深部，锚杆能够承受围岩的拉力，且具有较大的安全储备。

（3）巷道修复初次锚网支护后，变形增长速度较快也较大，但在锚注支护后，变形稳定，说明注浆加固可以增强围岩自身承载力和稳定性。

同时在730 胶带集中巷开帮修复中推广此技术，效果同样明显。

5 结论

本工程形成的巷道围岩稳定控制技术组合——“三锚一带”动态叠加支护技术，减少了围岩变形终值，但在实际应用中，需根据围岩性质不同，准确判定支护参数叠加时间和空间关系，方可达到较好的预期效果。