特殊地質條件下巷道修復加固技術適配性研究與應用

劉尊杰 王義勇

（1.山東省能源局，山東 濟南 250000；2.山東方大工程有限責任公司，山東 淄博 255100）

松軟破碎巷道的修復是煤礦巷道施工與安全生產的一大難題。井下大量巷道處于泥巖、頁巖、粉砂巖、泥質砂巖及煤層等特殊地質條件下，巷道失修嚴重。為解決特殊地質條件下的巷道修復與支護問題，對巷道修復支護進行體系性研究具有重要意義。

1 概況

新河礦-980 m 二節膠帶暗斜井技改延伸工程，設計為直墻半圓拱形巷道，原設計采用錨網索噴支護方式，巷道凈寬4.3 m，凈高3.75 m，坡度為-18°。巷道施工及使用過程中多處巷道頂板有噴漿層開裂、下沉、鼓出、脫落現象，并伴有地板嚴重底鼓。結合井下現場條件，確定對-980 m 二節膠帶暗斜井進行巷修加固。

2 巷道圍巖物理力學性能與礦物成分分析

本次圍巖應力測試鉆孔巖樣送交國土資源部濟南礦產資源監督檢測中心進行巖石力學試驗，檢測項目為天然抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、彈性模量、泊松比、塊體密度和吸水率，同時現場采取泥巖試樣還進行了礦物成分分析。

試驗檢測結果見表1、表2。

表1 巖石物理力學指標測試結果

表2 巷道圍巖礦物組成試驗結果

得出結論如下：鉆孔采取的巖樣主要有中砂巖、粉砂巖、細砂巖及砂質泥巖，單軸抗壓強度和抗拉強度的大小符合：中砂巖＞粉砂巖＞細砂巖＞砂質泥巖；單軸抗壓強度和抗拉強度大的中砂巖，彈性模量也比較大，而泊松比相對較小；單軸抗壓強度和抗拉強度小的泥巖彈性模量比較小，而泊松比相對較大；四種巖性粘聚力大小符合：粉砂巖＞中砂巖＞細砂巖＞砂質泥巖；內摩擦角大小符合：中砂巖＞粉砂巖＞細砂巖＞砂質泥巖；泥巖由于含較多親水性粘土礦物，吸水率大于2.0%，其他巖性吸水率規律如下：砂質泥巖＞粉砂巖＞細砂巖＞中砂巖。根據泥巖試驗結果，可以看出修復巷道所穿越的巖層為多種類巖性疊合巖層，性能指標差異性大，造成修復支護方案必須根據巖性不同進行及時調整。

3 特殊地質條件下巷道巷修支護加固技術

3.1 圍巖及巷道建模

建立的模型寬×高×厚40 m×40 m×1.6 m，巷道形狀為直墻半圓形，半徑2.3 m，墻高1.7 m。模型剖分采用六面體單元，劃分完成的網格見圖1（a）。模型圍巖采用SVISIC 蠕變模型進行模擬[1]，力學參數在表3 實測圍巖力學參數基礎上結合經驗和數值反演最終確定。開挖過程一次完成，開挖完成后即進行錨網噴支護。噴砼層按照摩爾庫倫模型模擬[2]，厚度150 mm，緊貼巷道開挖斷面，模型見圖1（b）。考慮本工程地質埋深條件特點，模型受力加載按地應力測試實測荷載，豎向地應力取25.6 MPa，水平地應力取31 MPa 和20 MPa（巷道軸向方向）。噴砼力學參數見表3，巖性參數見表4。

圖1 試驗方案巷道、噴層及錨桿數值模型

表3 噴砼力學參數

3.2 數值模擬方案設計

為了闡明錨注加固支護效果，本次分析選用多方案對比法，共包括5 個方案，分別為原支護方案R1，復修方案R2～R5。通過受力分析和研究，進行復修方案比選。各方案詳見表5。

3.3 復修方案綜合分析比選

-980 m 二節膠帶暗斜井在原支護方案下，圍巖變形量較大，尤其拱頂沉降達到800 mm 左右。為解決這一問題，進行了原支護方案以及4 種復修方案數值模擬，并對其進行分析比選，數值模擬所得部分結果見表6。

表4 巖石流變力學參數

表5 數值模擬方案

表6 數值模擬部分結果

（1）在圍巖變形控制方面，復修方案R2～R5均強于原始方案。復修方案R2、R3 將頂板沉降控制在45 mm 左右，遠小于原支護方案的806 mm，且小于其他支護方案；在底鼓量、巷幫內移量控制方面，復修方案R1、R2 也明顯優于其他方案。

（2）在控制塑性區發展方面，復修方案R2、R3 基本相似，塑性區體積較原始方案下降142%，塑性區發展深度為3～4 m，比原始方案小2 m 左右，比其他復修方案小1 m 左右。

（3）綜合來看，修復方案R4、R5 頂、幫、地板變形均大于修復方案R2，不予采用；復修方案R3 圍巖控制效果約等于復修方案R2，但復修方案R2 的錨桿錨索間距大于復修方案R3，支護成本及速度高，因此復修方案R2 更為可取。

4 工程應用及效益說明

4.1 修復設計參數

在-980 m 二節膠帶暗斜井預注漿短管：采用Ф20 mm×1500 mm，設計注漿孔間距1500 mm，每排3 個孔，孔排距2000 mm。注漿漿液：采用水泥水玻璃雙液漿，漿液凝固時間為20 s。錨桿：Ф22 mm×2400 mm 的全螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×1600 mm，托盤為100 mm×100 mm×10 mm。注漿錨索：頂板錨索長度6200 mm，幫部錨索長度4200 mm，間排距1000 mm×1600 mm，與錨桿隔排布置，托盤規格為150 mm×150 mm×10 mm，巷修區域頂板及幫部錨索鋼帶規格均為1400 mm×140 mm×10 mm（2 孔）的T 型鋼帶，錨索鋼帶沿巷道橫向布置，錨索托盤壓在鋼帶上。錨索注漿采用P042.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比0.65，摻加0.8%的高效早強減水劑，注漿壓力2 MPa。

4.2 巷道礦壓監測分析

巷道按照新的修復方案修復后，對錨桿錨索受力、巷道表面收斂變形進行觀測測量。對本巷道礦壓測試自2019 年4 月14 日開始，測點布置如下：

（1）2019 年4 月14 日在-980 m 二節膠帶暗斜井安設兩個巷道表面收斂變形觀測點（兩幫測點）。

（2）2019 年4 月15 日在-980 m 二節膠帶暗斜井安裝1 個錨桿測力計觀測測點（5 根錨桿）、1 個錨索測力計觀測測點（2 根錨索）、1 個測力錨桿觀測測點（3 根測力錨桿）。

通過對-980 m 二節膠帶暗斜井巷道圍巖變形和錨桿軸力實際量測的數據分析，得到以下結論：

（1）錨索軸力的測試表明，錨索安裝初期，測力計數值變化較快，隨著巷道的變形錨索所受的拉力不斷增大，軸力呈現不斷上升趨勢。30 d 之后，由于錨索的支護作用，巷道的整體變形趨于穩定，所以錨索的軸力也趨于穩定且具有一定的安全儲備。

（2）錨桿軸力的測試表明，錨桿受力幫部大于拱頂，淺部大于深部，錨桿能夠承受圍巖的拉力，且具有較大的安全儲備。

（3）巷道修復初次錨網支護后，變形增長速度較快也較大，但在錨注支護后，變形穩定，說明注漿加固可以增強圍巖自身承載力和穩定性。

同時在730 膠帶集中巷開幫修復中推廣此技術，效果同樣明顯。

5 結論

本工程形成的巷道圍巖穩定控制技術組合——“三錨一帶”動態疊加支護技術，減少了圍巖變形終值，但在實際應用中，需根據圍巖性質不同，準確判定支護參數疊加時間和空間關系，方可達到較好的預期效果。