動(dòng)壓影響硐室底鼓控制綜合加固技術(shù)

王 杰

(晉煤集團(tuán) 古書(shū)院礦，山西 晉城 048000)

盤(pán)區(qū)準(zhǔn)備巷道群是礦井的關(guān)鍵部位，其主要特點(diǎn)是巷道斷面大，服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)。而受礦井地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件的限制，盤(pán)區(qū)準(zhǔn)備巷道群布置區(qū)域往往較小，造成各巷道間距較小，施工時(shí)出現(xiàn)相互擾動(dòng)，造成巷道群發(fā)生持續(xù)強(qiáng)烈的變形與破壞，影響礦井的正常生產(chǎn)［1］。

晉煤集團(tuán)古書(shū)院礦15 號(hào)煤西二盤(pán)區(qū)變電所服務(wù)于西二盤(pán)區(qū)回采全過(guò)程，其頂板為石灰?guī)r，致密堅(jiān)硬，底板為泥巖，巖性軟弱，遇水易膨脹。西二盤(pán)區(qū)變電所平行布置于西二盤(pán)區(qū)回風(fēng)巷與膠帶巷之間，巷間煤柱寬度為16.4m (中對(duì)中)，巷道布置密度較大，形成近距離巷道群，受擾動(dòng)后巷道極易發(fā)生變形破壞。臨近的152307 工作面回采造成西二盤(pán)區(qū)變電所發(fā)生不同程度變形，底鼓嚴(yán)重，影響正常使用。

針對(duì)上述問(wèn)題，在進(jìn)行巷道群圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試與生產(chǎn)條件調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析硐室變形破壞的機(jī)理，并提出有效的支護(hù)加固方法，將支護(hù)加固方案應(yīng)用于井下，通過(guò)礦壓監(jiān)測(cè)來(lái)評(píng)價(jià)控制效果。

1 試驗(yàn)點(diǎn)生產(chǎn)地質(zhì)條件

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)巷道群布置

西二盤(pán)區(qū)變電所與西二盤(pán)區(qū)回風(fēng)巷、膠帶巷之間的煤柱寬度為16.4m (中對(duì)中)，平行布置在兩條大巷中間，與兩條大巷分別通過(guò)進(jìn)風(fēng)通路和回風(fēng)通路相連。

巷道布置如圖1 所示。

圖1 西二盤(pán)區(qū)變電所巷道布置

1.2 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)定

為更好地了解試驗(yàn)地點(diǎn)的地質(zhì)力學(xué)情況，在試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行了3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)試，3 個(gè)測(cè)點(diǎn)分別布置在盤(pán)區(qū)軌道巷、進(jìn)風(fēng)行人巷和東西翼聯(lián)絡(luò)巷中，3 個(gè)測(cè)點(diǎn)中，σH最大為9.45MPa，最小為7.11MPa，最大水平主應(yīng)力方向分別為N33.1°E，N10.9°E 和N77.5°E，所測(cè)測(cè)站應(yīng)力方向大致為北偏東方向。西二盤(pán)區(qū)變電所方位為北偏東，與最大水平主應(yīng)力方向平行。3 個(gè)測(cè)站側(cè)壓系數(shù)σH/σV分別為1.69，1.21，1.65，側(cè)壓系數(shù)均大于1，以水平應(yīng)力為主，屬于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類型。

西二盤(pán)區(qū)變電所直接頂板為石灰?guī)r，厚度平均為9.00m，深灰色，致密堅(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度101.6MPa，抗 拉 強(qiáng) 度 4.0MPa，抗 剪 強(qiáng) 度13.2MPa，屬堅(jiān)硬型頂板。另外，零星分布有泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖偽頂，一般厚度0.50～2.00m。

直接底板為泥巖，平均厚度2.75m，下部為鋁土泥巖，平均厚度4.25m，為軟弱巖層。抗壓強(qiáng)度28.3 MPa，抗拉強(qiáng)度1.4MPa，抗剪強(qiáng)度4.2MPa，吸水率2.3%，膨脹率0.68%，軟化系數(shù)平均0.59。底板巖性軟弱，底板本身并不含水，但遇水具有膨脹和軟化性，對(duì)底板維護(hù)不利。

1.3 試驗(yàn)點(diǎn)硐室變形情況

西二盤(pán)區(qū)變電所沿煤層頂板并破底掘進(jìn)，采用高強(qiáng)錨網(wǎng)索噴漿支護(hù)，臨近的152307 工作面回采導(dǎo)致變電所兩幫噴層脫落，底鼓量達(dá)到500mm 以上，嚴(yán)重影響了變電所和變電所內(nèi)電器設(shè)備的使用安全，并且巷道變形有進(jìn)一步加劇的跡象，如不采取加固措施，變電所將無(wú)法正常使用。

2 動(dòng)壓影響硐室圍巖變形機(jī)理與控制分析

西二盤(pán)區(qū)變電所變形破壞是由多種因素共同作用的結(jié)果，其變形破壞原因主要是:

(1) 巷道群密集，支承壓力相互疊加 西二盤(pán)區(qū)變電所與回風(fēng)巷、膠帶巷平行密集布置，對(duì)變電所穩(wěn)定性造成不良影響，主要是硐室周邊多重應(yīng)力疊加，使硐室承受了復(fù)雜的支承壓力，加之臨近工作面的回采影響，造成支承壓力相互疊加，增加了硐室的影響范圍，使硐室處于易發(fā)生擾動(dòng)變形的極限狀態(tài)內(nèi)。

(2) 頂?shù)装鍘r性差異大 西二盤(pán)區(qū)變電所頂板為堅(jiān)硬的石灰?guī)r，而底板為軟弱的泥巖，頂?shù)装鍘r性差異大。巷道開(kāi)掘后應(yīng)力重新分布，根據(jù)圍巖應(yīng)力的“集硬效應(yīng)”，圍巖應(yīng)力在頂板和兩幫形成集中，在兩幫巖柱的壓膜效應(yīng)和遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力的作用下，底板軟弱巖層擠壓流動(dòng)到巷道內(nèi)而發(fā)生底鼓，屬擠壓流動(dòng)性底鼓。

(3) 巖性與構(gòu)造應(yīng)力影響 底板巖性為泥巖，具吸水膨脹軟化特性，頂板淋水和施工用水通過(guò)裂隙滲入底板中，導(dǎo)致底板泥巖強(qiáng)度大幅下降。試驗(yàn)點(diǎn)為構(gòu)造應(yīng)力控制區(qū)域，水平應(yīng)力對(duì)巷道頂?shù)装瀹a(chǎn)生破壞作用，試驗(yàn)點(diǎn)底板在較大水平應(yīng)力作用下更容易發(fā)生破壞。

(4) 開(kāi)挖擾動(dòng)與支護(hù)因素 變電所為沿頂板并破底掘進(jìn)，底板完整性在巷道掘進(jìn)期間即發(fā)生人為破壞，底板巖層受開(kāi)挖擾動(dòng)，整體性降低，且破底在底板中形成了二次應(yīng)力重分布，進(jìn)一步加重了底板的不穩(wěn)定性。原支護(hù)重點(diǎn)控制頂板和兩幫，而底板未采取任何支護(hù)措施，巷道圍巖應(yīng)力通過(guò)頂板和兩幫傳遞到底板，而底板作為臨空面無(wú)法承擔(dān)采動(dòng)引起的應(yīng)力集中，只能通過(guò)自由面釋放壓力，從而引起底鼓。對(duì)動(dòng)壓影響、軟弱底板的底鼓治理有多種方法。應(yīng)用較多的有底板泄壓法、底板加固法和加固兩幫及頂板控制底鼓法［2－6］等。針對(duì)西二盤(pán)區(qū)變電所的特點(diǎn)，其頂板及兩幫巖性強(qiáng)度較高，完整性好，采用加固兩幫及頂板控制底鼓的方法效果不好，而在底板開(kāi)掘泄壓巖巷的方式無(wú)法實(shí)施，而在盤(pán)區(qū)準(zhǔn)備巷道群中進(jìn)行底板爆破泄壓也難以實(shí)施，因此底板加固法是最為可行的底鼓治理方法。

底板加固可以采用錨桿(索)支護(hù)、錨注支護(hù)和反底拱支護(hù)等。反底拱施工復(fù)雜、造價(jià)昂貴，不宜用于準(zhǔn)備巷道底鼓治理，單純的錨桿(索)支護(hù)強(qiáng)度較低，難以控制嚴(yán)重的底鼓。

錨注治理底鼓是常用的且非常有效的底鼓治理方法，該技術(shù)是將錨固與注漿加固有機(jī)結(jié)合。注漿漿液通過(guò)壓入、滲透進(jìn)入破碎的底板巖層中，將底板裂隙填充、固結(jié)，使破碎底板重新膠結(jié)成整體，改善圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，增加了圍巖的強(qiáng)度，恢復(fù)了圍巖的完整性，提高了圍巖的自承能力;錨固提高了底板巖層的內(nèi)摩擦角和黏聚力，在底板中形成骨架;錨注結(jié)合有效增加底板的穩(wěn)定性，控制底鼓的發(fā)展［7］。

3 工程應(yīng)用

3.1 錨注加固方案

根據(jù)西二盤(pán)區(qū)變電所的變形破壞特征，確定加固區(qū)域?yàn)樽冸娝装搴蛢蓭停捎蒙顪\孔注漿配合錨索加固方案:底板采用注漿錨索;兩幫先淺孔注漿，再深孔注漿，最后進(jìn)行注漿錨索加固。

淺孔注漿的目的是將淺部圍巖塑性區(qū)的破碎軟巖充填、粘結(jié)，恢復(fù)圍巖的完整性，提高圍巖的強(qiáng)度;后期進(jìn)行的深孔高壓注漿將較深部圍巖的裂隙充填，同時(shí)通過(guò)滲入將深淺部圍巖粘結(jié)成整體，提供后期錨索支護(hù)的可錨基礎(chǔ)，提高錨固力;此外，注漿也可以保證錨索預(yù)緊力和工作阻力能有效擴(kuò)散到圍巖中，提高支護(hù)的效果。

注漿錨索兼具注漿和錨索加固的優(yōu)勢(shì)，可以采用同一鉆孔實(shí)現(xiàn)注漿與錨索支護(hù)，提高工作效率。

3.2 錨注加固材料選擇

注漿材料一般可分為水泥基材料和高分子材料［8］，因試驗(yàn)點(diǎn)變形破壞較為嚴(yán)重，確定采用性價(jià)比較高的水泥基材料。水泥漿采用42.5 普通硅酸鹽水泥配合XPM 納米注漿劑制成的素水泥漿，局部裂隙開(kāi)度大的區(qū)域采用水泥—水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比為0.6 ∶1，XPM 納米注漿劑添加量為水泥用量的8%～10%。

錨索采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，公稱直徑17.8mm，極限破斷力350kN，延伸率4%;采用拱形高強(qiáng)度錨索托盤(pán)300mm×300mm×16mm。

3.3 底板注漿錨索加固方案

錨 索 長(zhǎng) 度 8300mm，間 距 1800mm，排 距2000mm，采用直徑56mm 鉆頭鉆孔，孔深(8000 ±30)mm。錨索施工后先用水泥漿錨固約4.5m，7d后，底板鋪設(shè)鋼筋托梁，并在錨索孔內(nèi)插入鋁塑注漿管，采用棉紗封孔，張拉錨索至150kN 后進(jìn)行高壓注漿，注漿壓力為2～4MPa，注漿錨索布置如圖2 所示。

圖2 西二盤(pán)區(qū)變電所底板注漿錨索布置

3.4 兩幫加固方案

兩幫加固順序?yàn)橄冗M(jìn)行兩幫淺部注漿加固，再進(jìn)行深部注漿加固，最后進(jìn)行注漿錨索加固。

兩幫淺部注漿孔沿巷道斷面幫頂成排布置，相鄰兩排注漿鉆孔五花眼布置，排距3000mm，間距1100mm，兩幫底角鉆孔直徑56mm，其余鉆孔42mm，孔深3000mm，注漿壓力1～2MPa。

兩幫深部注漿沿巷道斷面幫頂成排布置，與淺部注漿孔交叉，相鄰兩排注漿鉆孔五花眼布置，排距3000mm，間距1100mm，兩幫底角鉆孔直徑56mm，其余鉆孔42mm，孔深8000mm，注漿壓力4～6MPa。注漿布置如圖3 所示。

圖3 注漿鉆孔布置

兩幫注漿錨索直徑17.8mm，長(zhǎng)度5300mm，間距1000mm，排距2000mm，每排3 根錨索。采用直徑56mm 鉆頭開(kāi)孔，孔深3000mm，然后采用直徑30mm 鉆孔鉆進(jìn)2000mm。錨索施工后先用樹(shù)脂錨固劑錨固，錨固長(zhǎng)度為1406mm;而后在錨索孔內(nèi)插入鋁塑注漿管，采用棉紗封孔，張拉錨索至150kN 后進(jìn)行高壓注漿，注漿壓力為2～4MPa，兩幫注漿錨索布置如圖4 所示。

圖4 兩幫注漿錨索布置

4 加固效果礦壓監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)驗(yàn)證變電所加固效果，在變電所內(nèi)布置測(cè)站進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)巷道變形情況，巷道表面位移監(jiān)測(cè)如圖5 所示。

圖5 變電所表面位移監(jiān)測(cè)曲線

從表面位移監(jiān)測(cè)曲線可以看出，變電所在加固后變形速度較快，與相鄰工作面的開(kāi)采影響還未結(jié)束有關(guān)，待少量變形發(fā)生后，巷道變形趨于穩(wěn)定，期間底鼓量最大為15.8mm，兩幫移近量最大為9.7mm。總體來(lái)說(shuō)，巷道變形量很小，有效控制了硐室的變形。

5 結(jié)論

(1)采用深淺孔組合注漿配合注漿錨索加固比較適合破碎、松散巖層加固。注漿可以充填裂隙，通過(guò)滲透將深淺部圍巖粘結(jié)在一起，重塑圍巖完整結(jié)構(gòu)，為錨索加固提供錨固基礎(chǔ)，便于錨索預(yù)緊力與工作阻力有效擴(kuò)散;注漿錨索結(jié)合了注漿與錨索支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，在圍巖中形成骨架，更好地控制圍巖變形破壞。

(2)錨注加固技術(shù)有效控制了動(dòng)壓影響下松軟破碎底板的底鼓和兩幫變形，保證了硐室的長(zhǎng)期穩(wěn)定，為礦井安全生產(chǎn)創(chuàng)造了良好條件。

［1］康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

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