高應力動壓巷道注漿加固技術研究

宋偉東

（山西晉煤集團澤州天安昌都煤業有限公司生產技術部 ，山西 晉城 048006）

井巷施工時，高應力、動壓影響是巷道變形與破壞的根本原因。巷道圍巖由于高應力或強烈采動影響，圍巖中穩定結構遭到破壞，自穩定性變差。在高應力環境中圍巖互相擠壓、滑移，煤巖體破碎，產生塑性形變，圍巖頂底、兩邊移進量大，巷道變形量變大[1]。單一的加固手段對破碎圍巖很難起到預期加固效果，通過優化巷道支護形式與參數設計配合注漿聯合支護，是保持巷道圍巖穩定性與安全性的主要手段。高壓注漿能夠重新組合破碎圍巖，破碎圍巖承載能力提高，有利于錨桿錨索加固時力的傳遞，頂幫強力錨索加固后最大限度地發揮支護材料與和注漿后圍巖體的相互作用，大幅提高巷道加固質量和效果[2]。本文結合受回采動壓影響后輔運大巷層噴漿層大范圍脫落，局部區域錨桿、錨索破斷的變形、破壞特征，提出采用高壓注漿配合注漿強力錨索支護對巷道進行加固，確保了破碎巷道圍巖穩定性。高壓注漿配合強力錨索支護聯合加固能夠改善巷道圍巖性質，提高圍巖強度，確保加固后的巷道圍巖穩定，減小巷修工程量，有效延長巷道使用時間。

1 工程概況

胡底煤業開拓巷道布置有5條巖巷，位于3#煤上方20～40m，巖性以泥巖、粉砂質泥巖主，層理發育，埋深約720m，凈煤柱為23～25m。目前1301首采面已經進入末采階段，停采線距與最近的輔助進風大巷之間凈煤柱約為89m，五條大巷石門受動壓影響變形大，其中輔運大巷變形最為嚴重（圖1中紅色陰影區域部分）。受高應力影響，圍巖長期處于流變狀態，達不到二次穩定[3]，輔運大巷道兩幫最大水平移近量超過1200mm，頂底板收斂變形超過2000mm。五條大巷均已經進行過一次巷修，巷修主要采用全錨索加固技術，起到一定作用，但后期效果不明顯，目前輔運大巷混凝土噴層大范圍脫落，局部區域錨桿、錨索破斷，亟待采取更為有效的解決措施。

2 綜合治理方案的確定

根據現場生產、地質條件調查和圍巖結構詳查，開拓大巷埋深、地質條件、及采動影響，是導致巷道剛掘進不久便產生變形破壞的直接原因。輔運大巷圍巖壓力大、結構破碎松軟，單一的加固方法不能有效控制其長期蠕變及進一步破壞，應先采取注漿手段確保破碎圍巖連續穩定，再加大支護強度[4]。

2.1 地應力測試分析

地質力學參數測試結果：最大水平主應力σH=19.28MPa，最小水平主應力σh=10.4MPa，垂直應力σV=14.67MPa。水平主應力主要影響巷道頂底板及兩幫，但對頂底的影響更大，垂直應力主要影響巷道的兩幫。在支護設計和施工的過程中應重視支護強度和剛度，特別是巷道兩幫支護[5]。

2.2 輔運大巷窺視分析

輔運大巷共掘進600m，在變形嚴重區域4#橫川附近布置了6個鉆孔進行窺視（頂孔4個，幫孔2個），孔深均為10000mm。頂孔距輔運大巷4#橫川距離分別5m、10m、15m、20m；幫孔距4#橫川兩側均為5m。窺視結果如圖1所示。

圖1 4#橫川10m處附近頂板頂板窺視圖

由窺視結果可知，輔運大巷淺部圍巖中煤線較多，裂隙發育，巖體破碎，完整性較差。受動壓影響后變電所深部圍巖整體仍較完整，局部區域淺部存在裂隙發育，其余區域主要為微裂隙發育。4#橫川10m處附近頂板3.6m范圍圍巖軟弱，裂隙發育，圍巖完整性較差，頂板3.6-5m范圍內裂隙微發育，頂板5m范圍內完整性較好。頂板鉆孔窺視結果基本一致，裂隙發育基本出現在淺部圍巖區域，裂隙微發育出現在3～5.5m范圍內，5.5m以外的深部圍巖完整性較好。

參考輔運大巷原有支護強度，結合大量的工程實踐，在確保動壓巷道圍巖穩定，盡量減小工程量的前提下，確定采用高壓注漿配合注漿強力錨索支護案。

3 輔運大巷圍巖變形控制綜合治理方案

3.1 注漿材料、支護材料選取

為確保嚴格控制圍巖的變形，要求注漿結石體應具有較高強度和抗變形能力強。根據注漿材料特點，結合現場圍巖條件，確定采用水泥基無機注漿材料。

無機注漿材料使用聯邦加固Ⅰ號注漿材料，有單液、雙液注漿材料兩種。雙液漿兩種漿液在混合前，6h時內不凝固、不泌水、不沉淀，混合后凝結時間為3～10min，1～8h 的強度能達到 8～15MPa以上，適用于采掘工作面破碎煤體加固，淺層煤體表面注漿加固效果最佳。

注漿配比選取：一般情況注漿水灰比0.8：1，若漏漿時可將水灰比控制在0.7：1。

表1 聯邦加固雙液注漿材料不同水灰比條件下凈漿抗壓強度

破碎圍巖恢復連續性后，應對其施加強力的邊界條件，使注漿后的圍巖具有較強的承載能力，特意選取強力錨索來阻止圍巖的再次變形[6]。根據窺視結果，頂幫錨索有效錨固范圍至少覆蓋5.5m以上范圍，錨索直徑為φ22mm，采用1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線。極限拉斷力550kN，延伸率7%。強力錨索使用拱形高強度錨索托板300×300×16mm（帶調心球墊）及配套鎖具，承載能力不低于50t。

3.2 頂幫擴刷支護、起底

由于輔運大巷圍巖變形嚴重，拱頂噴層開裂嚴重，部分巷道斷面不夠，為保證施工期間安全，先采用風鎬挑掉頂板的活矸，然后采用掛鋼筋網，補打錨桿、錨索，進行支護和維護，防止頂板噴層掉落砸傷施工人員和損壞施工設備，保證巷道斷面滿足使用要求。現場每次刷幫和挑頂的循環進度不超過2m，擴幫和挑頂完畢后，立即進行錨網支護。

3.3 底板預應力注漿錨索支護

為減小底鼓變形量，對底板進行預應力注漿錨索支護，起到注漿及支護雙重效果效果。所用底板注漿錨索型號為SKP22/1-1720-6300，沿底板每排3根，錨索排距為2000mm，間距為2050mm。底板注漿錨索布置如圖2。注漿后底板破碎圍巖裂隙被填充，承載能力得到提高，圍巖完整性變強。

圖2 輔運大巷底板注漿錨索鉆孔布置圖

采用分次全長錨固：端部采用水泥灌漿錨固。灌漿錨固長度2000～3000mm，預留第二次注漿張拉預緊段。第一次灌注，錨固錨索底端，注漿壓力0。張拉前第二次注漿，注漿壓力2～3 MPa。

3.4 頂幫預應力注漿錨索支護

圖3 輔運大巷淺部注漿鉆孔布置圖

為減小輔運大巷頂幫圍巖變形，對頂幫進行預應力注漿錨索支護，起到注漿及支護雙重效果效果。所用頂幫注漿錨索型號SKP22/1-1720-6300，錨索沿拱型斷面均勻布置5個，排距3000mm，鉆孔間距3000mm。頂幫注漿錨索布置如圖3。圍巖裂隙發育程度能夠影響注漿壓力對注漿效果，注漿壓力3～5MPa較為適宜，當漏漿嚴重時，應適當降低注漿壓力。注漿后頂幫破碎圍巖裂隙被填充，頂幫形成一個整體，承載能力得到提高。

3.5 頂幫預應力注漿錨索支護

在高壓注漿工程完成一周后，對輔運大巷頂幫圍巖進行預應力注漿錨索補強支護施工。所選用強力注漿錨索型號為SKP22/1-1720-7300。頂幫錨索采用樹脂端部錨固，三支錨固劑，一支規格為MSK2335，另兩支規格為MSZ2360，樹脂錨固長度為1970mm，其余部分采用水泥漿錨固[7]。預應力注漿錨索沿巷道斷面，布置在原有的兩排錨索之間，排距2000mm，間距2000mm。注漿封孔水灰比為0.7：1。巷道頂幫錨索布置如圖4。

圖4 輔運大巷注漿錨索鉆孔布置圖

4 礦壓觀測規律

4.1 巷道圍巖垂直應力分布

從圖5可以看出，采取注漿措施后，淺部圍巖承載能力明顯在增加，圍巖應力顯著提高，能夠承載20MPa應力。注漿后再進行錨注有效傳遞了錨桿（索）施加于圍巖表面的預應力，使深部圍巖應力向淺部轉移，淺部應力升高了5～10MPa，深部應力降低了2～4MPa，有效阻斷了20m范圍內深部圍巖體的破碎變形，顯著改善錨桿（索）對破碎圍巖的支護作用。

圖5 應力分布示意圖

4.2 巷道表面位移觀測

采用十字布點法安設巷道表面位移監測斷面。在頂底板中部垂直方向和兩幫水平方向鉆?30mm、深400mm的孔，將φ32mm、長400mm的木樁打入孔中。頂底板、上下幫木樁端部安設測釘[8]。對輔運大巷不同區域進行表現位移觀測，其變形量如圖6所示。

圖6 支護方式與圍巖變形的關系

可以看出，圖中單純錨索支護，巷道最大兩幫位移量693mm，底鼓量286mm，頂板下沉量249mm；在使用注漿的基礎上再進行錨索補強的支護方式以后，巷道兩幫位移量最大為174mm、底鼓量最大為80mm、頂板下沉量最大為184mm，與單純錨索支護相比，兩幫位移量、底鼓量、頂板下沉量最大值分別下降81.7%、72%、36.1%，變形量明顯減小，巷道支護質量明顯提升。

5 結 論

針對高應力動壓影響巷道，淺部圍巖破碎嚴重，首先應采用高壓注漿加固技術，提高淺部圍巖承載能力，深部應力向淺部轉移，淺部圍巖應力能夠達到20MPa應力以上，深部應力降低2～4MPa，破碎圍巖形成完整結構體。在此基礎上采取強力錨索支護能夠充分發揮錨索與注漿后圍巖的相互作業，大大改善巷道圍巖性質，提高圍巖強度，確保加固后的巷道圍巖穩定，巷道圍巖變形量能夠減少60%以上，巷道加固質量和效果大幅提高，有效延長了巷道使用時間。