馬蘭礦南翼大巷注漿加固返修控制技術研究

梁吉曾

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 工程背景

馬蘭礦井底車場水平南翼大巷的主要變形區域集中在兩幫、頂板。同時，巷道在壓力作用下受損嚴重，尤其是碹體巷道的收縮變形，導致巷道正常的運輸工作無法正常進行。該巷道于2005年對其采用29U型棚整修并加固，但由于該支護方案的缺陷性較為明顯。通過錨索等支護對巷道的補強、加固作用并不明顯。11年后該巷道的U型棚支護段受壓彎曲段達到了50%。兩幫的收縮非常明顯，其值由4.2m逐漸減小至3.4m，無法通過雙軌進行運輸，現變為單軌運輸。另一方面，如果加之過去的巷道修理技術進行擴巷整修的話，會產生一定的離層和松動巖體的冒落現象，范圍逐漸增大，危害極深，最終有可能導致巷道的永久性損傷，無法整修。這樣的方案極大的影響了該礦的年產量，使得效率降低，形成技術上的瓶頸。通過研究受動壓及構造影響的碎裂圍巖巷道破壞的原因和機理，從而提出適合其破壞特點的修復技術，不僅可以克服巷道反復破壞維修影響安全和生產的局面，而且巷道破壞冒頂及底鼓的安全狀況也將得到根本改善。

2 巷道變形破壞特點及原因分析

2.1 巷道圍巖變形破壞觀測

圍巖的破壞失穩變形斷裂的狀態嚴重影響著后續巷道深部的巖體裂隙發育狀態。通過裂隙狀態的測定初步提供計算支護參數的計算參照及其方法。對巷道頂部的巷道通過鉆孔窺視儀進行現場試驗。通過推桿的傳遞使得鉆孔攝像探頭圍繞圍巖鉆孔開展探測。本方法可被廣泛運用于現場測試當中，全景的圖像存儲方式為靜止捕獲的方法處理和快速存儲全景圖像，對于研究塑性區范圍和圍巖破斷情況存在重要的意義。同時探頭的移動始終處于動態當中，直到觸及鉆孔底部為止。在南翼大巷圍巖變形最嚴重處設置原位測試孔，對頂板巖層變形進行窺視，窺視結果如圖1所示。

圖1 頂板巖層破壞窺視結果圖

由圖1可知，大巷在長期高應力影響作用下，在圍巖內部產生大量的裂隙，而巷道原來采用砌碹支護方式，該支護方式屬于被動支護，無法為巷道提供足夠的支護阻力而導致巷道圍巖變形嚴重。巷道淺部圍巖已發基本處于破碎狀態，隨著鉆孔深度的增加，圍巖破壞程度有所減弱，但在2.0m～3.5m范圍內，孔周邊圍巖仍有大量的裂隙存在，當孔內深度達到4.0m時，圍巖完整性相對較好，由上述分析可知，該巷道圍巖松動圈范圍為3.5m。

2.2 巷道變形破壞特點

1）原來的錨以及拱的組合在一個層面上支持巷道在靜水壓力下，保持基本不變的狀態。但反過來在動態壓力下，甚至有使可伸縮的U型鋼架和錨索加固巷道穩定性變差和嚴重破壞變形。

2）以U-29型號的鋼架對巷道的變形破斷進行修復，鋼筋混凝土和支架后部背坑木的影響使得其受力作用較弱，存在并伴隨著嚴重的空幫、空頂現象。一定程度上使得支架的支護承載作用削弱，無法完全達到規定的要求范圍之內。靜態水壓力的條件下卻能保持一定的穩定狀態特征，隨著時間的推移其無法避免出現變形情況。動態壓力下是一個嚴重的變形破壞，導致嚴重的變形支架，彎折，扭轉，縮成一團，插入底板下，如變形破壞模式，形成尖頂顯示巷道嚴重收縮段。如上推斷，修復后的支護結構仍然無法保持巷道的穩定性。

3）主要的破壞形式為兩幫由外向內擠，特別是擁擠在底角的數量大。支架不斷受到尖頂形態的沖擊作用。頂板及底板的變形量加大。最終導致了其支護結構的整體破壞。

4）巷道圍巖變形和破壞后，其主要特征是柔軟、破碎、松散，其承載的性能極低。修復巷道時的圍巖破碎以及頂板垮落，一大批空頂、空幫現象出現后，若修復不及時，則無法進行有效的加固手段，會導致加劇后期巷道變形與破壞。

2.3 巷道變形破壞原因

1）巷道周邊圍巖強度較低，部分屬于軟巖成分，在長期的高應力作用下，圍巖變形破壞現象愈發嚴重，進而導致穩定性降低，頂底板及兩幫移近量持續增加。

2）在回采動壓及地質構造的雙重影響下，圍巖應力發生重新分布，當支護系統所承受的載荷超過其極限承載能力時，則可導致其發生結構性扭曲，應力集中位置出現偏移。

3）支護方式不合理，在該地質條件下，U型鋼棚支護對改善圍巖應力環境及加強圍巖支護強度的作用并不明顯，無法有效控制圍巖變形。圍巖松動圈范圍的擴大更加劇了U型鋼棚的收縮變形。

3 巷道圍巖控制方案及參數確定

基于圍巖松動圈范圍觀測、巷道變形破壞特點及原因分析，提出了采用“錨注+U型鋼可縮性金屬支架聯合支護及關鍵部位錨桿加強支護”的巷道整修方案，其關鍵技術參數如下：

1）U型鋼架+錨桿補強支護。在對巷道進行返修時，通過采取擴幫、刷頂工作來實現巷道合理的斷面積，然而巷道某些區域圍巖破碎嚴重，需另進行補強支護。若圍巖的可錨性能較好，則可先進行錨桿支護，或進行U型鋼架支護；若圍巖的可錨性能相對較差，則先進行U型鋼架支護，后進行錨桿支護，鋼架采用29U型，排距選取為800mm。

2）長短管壁后注漿充填。壁后充填采用直徑為26mm、長度為500mm的短管和直徑為26mm、長度為1500mm的長管相配合來進行，注漿管間距為1.2m、排距為1.6m。注漿材料選用質量比為1：1的美固364混合液體，注漿壓力按3～6MPa選取。

3）巷道全斷面注漿加固。在長短管壁后注漿加固完成后，滯后其20m距離，在注漿孔間布置注漿錨桿，另外隔排布置螺紋加強錨桿，注漿錨桿和加強錨桿其間距均為1.2m，排距均為1.6m。

圖2 巷道返修支護示意圖

4）底角注漿錨桿。在與底板相距0.3m處，由巷幫處與水平面成30°夾角斜向下布置底角注漿錨桿。巷道返修支護示意圖如圖2所示。

4 巷道返修支護施工工藝流程

首先進行的是：擴幫、刷頂完成之后開始進行U型棚的架設、打眼。打眼完成后將注漿管進行埋設，接著安裝封口器。注射泵以及注射槍用高壓膠管相互連接后。通過插入裝有美固364樹脂桶的兩根吸管得以工作完成。后期開始注漿，待注漿完成后沖洗相應的機具同時，停止泵站工作并且進行注射槍的移除。

具體施工過程：將原來已經變形的U型鋼棚拆除，對巷道斷面進行整修后，重新架設U型棚；在巷道壁開鑿淺部鉆孔后插入注漿短管，進行淺部注漿加固；淺部注漿完成后，在兩淺孔間鉆直徑為42mm、長度為3200mm的深孔，進行深孔注漿加固。同時為控制巷道底鼓變形，在巷道底角處布置直徑為25mm、長度為3000mm的底角錨桿；滯后20m距離，選用螺紋加強錨桿進行補強支護。巷道加固治理效果分析。

巷道在未進行返修處理時，圍巖變形嚴重，無法滿足正常使用的要求，對工作人員的人生安全產生很大的威脅。返修處理后，巷道成形良好，斷面得到保障，圍巖穩定性得到提高，返修前后巷道圍巖變形對照圖如圖3所示。

圖3巷道整修前后對照圖

圖4 表示的是注漿前及后的巷道頂板鉆孔窺視圖。根據圖中所示可知，注漿前的頂板離層使得其發生破碎。巷道在承載過程中的安全系數同時也較低。架棚法支護不足以滿足其強度條件。注漿之后，漿液的粘結固化使得其強度明顯增加，殘余強度達到安全值，較易得到相應的較大承載力。

圖4 注漿前后對照圖

在巷道整修區域建立礦壓觀測站，對巷道兩幫及頂板位移量進行120d的持續觀測，繪制如圖5所示曲線。由圖可知，巷道圍巖變形主要集中在返修施工完成前20d內，頂板下沉量及兩幫移近量可達到60mm和40mm，變形速度分別為3mm/d和2mm/d，此后變形速度及變形量趨于平緩，最終頂板下沉量為75mm，兩幫移近量為55mm，該支護方案針對巷道變形破壞優化作用顯著。

圖5 巷道圍巖變形曲線

5 結 論

對南翼大巷采用“錨注+U型鋼可縮性金屬支架聯合支護及關鍵部位錨桿加強支護”的巷道整修方案，經現場工業性試驗結果表明，該方案可改善圍巖性質，提高圍巖的自承載能力，充分發揮支護系統的支護性能，最終實現圍巖變形控制，該研究為該類的巷道的支護設計以及支護施工均提供了有力的指導。