中深部軟巖斷層影響下硐室群聯合加固技術研究

馬志強

(霍州煤電集團 李雅莊煤礦， 山西 霍州 031400)

我國礦井多數為井工煤礦，對于開采深度較深、圍巖情況較差的礦井，長期存在巷道變形嚴重的情況，部分永久硐室在服務年限內需要多次返修，以保證基本的巷道規格與圍巖安全需求。目前大多數礦井巷道變形采取反復擴刷、錨桿索支護補強、圍巖注漿等單一的方法進行處理，無法徹底解決圍巖變形的問題。為此李雅莊煤礦開展了中深部軟巖構造影響下大型硐室群聯合加固技術研究。

1 工程背景

李雅莊煤礦八采區水泵房與變電所硐室群屬于永久性大型硐室群，該硐室群包括水泵房主體泵房、壁龕、吸水井、配水巷、水倉、變電所等，縱橫交錯，主體寬5.6 m，高6.3 m，斷面積為29.9 m2，屬于超大斷面巷道。該硐室群埋深為598～610 m，在掘進施工過程中揭露了H=4 m的正斷層，造成圍巖破碎,原巖應力較大，硐室群在施工完成后出現了“巷道普遍底鼓，底鼓量最大達到1.6 m”“靠近進風通道附近的硐室兩幫具有整體外移的現象，兩幫整體變形達0.8～1.2 m”“錨桿、錨索破斷”等圍巖破壞現象。同時該硐室群布置在2號煤底板巖層中，巖性為砂質泥巖、泥巖、鋁質泥巖，泥巖自身強度低，其礦物成分中高嶺石、伊利石等含量普遍較高，頂板伴有淋水現象，使得圍巖遇水后軟化破壞嚴重，加劇了巷道圍巖的變形破壞程度。水泵房與變電所硐室群平面布置見圖1.

圖1 水泵房與變電所硐室群平面布置圖

2 硐室群二次圍巖加固技術原則

目前礦井普遍采用錨網梁索的支護形式[1-2]，軟巖巷道中圍巖在錨網索等支護的作用下，組成一個原巖應力承載體，并且是最主要的承載體；此承載體的作用是抵抗在原巖應力的作用下，保持自身承載體基本結構的完整，保證安全生產的基本條件。 該硐室群已經采用錨網梁索加噴漿的方法完成了一次支護，本次二次加固的技術原則是維護和提高松動圍巖的殘余強度，充分發揮圍巖自身的承載能力。因而在巷道圍巖加固中，以下幾個方面是必須要考慮的。

2.1 底板支護原則

中深部軟巖巷道圍巖承載體所承受的載荷來自巷道的四周，包括底板。目前絕大部分巷道底板不進行支護，造成圍巖承載體沒有閉環，在圍巖承載體上形成一個薄弱點，出現木桶效應，降低了整個巷道圍巖承載體的承載能力[3].所以深部軟巖巷道底板必須進行支護。

2.2 吸能、讓壓、可縮性支護原則

軟巖巷道最大的特點就是圍巖自身承載能力差，圍巖受力后變形大[4]. 普通的錨網索等支護在大的變形壓力作用下會出現錨桿、錨索破斷等問題，造成圍巖承載體的破壞，使巷道處于事實上的支護弱化狀態，經過時間的累計，支護會更加弱化，直至造成事實狀態下的支護失效。所以軟巖巷道支護的主體結構必須是吸能可縮性支護，當原巖應力超過圍巖的承載能力后，支護體適當變形讓壓，減少支護體受力，保證支護體的完好，從而保證圍巖承載體的完整，讓圍巖自身發揮更大的承載能力。吸能可縮性支護體有恒阻錨索等。

2.3 二次加固原則

實踐表明，在礦壓大的情況下，通過采用高強阻力的一次支護，無法滿足軟巖巷道初期形變大、變形速度快的特征，必須采取一次讓壓二次加固支護成巷的方法。一次支護的主要目的是通過加固圍巖，使圍巖的殘余強度提高，防止巷道圍巖出現過度變形膨脹。在一次支護完成，巷道圍巖產生合理形變釋放一定的原巖應力后，結合巷道的服務年限，進行二次圍巖加固，給巷道提供較高的支護強度、剛度、韌度，且使三者達到平衡，保持巷道在服務年限內的穩定。

2.4 提高圍巖自身殘余強度的原則

錨網索等主動支護的前提是巷道圍巖必須有一定的自身承載能力，且圍巖自身承載能力越高，支護效果越好。因此對于自身承載能力較差的軟巖巷道必須提高圍巖自身殘余強度。

軟巖巷道開挖后，圍巖會受風化與淋水的影響，強度降低，因此必須及時噴射混凝土封閉圍巖，杜絕圍巖被風化潮解層層剝皮，造成圍巖殘余強度的降低。同時在施工過程中需要注意采取光面爆破、綜掘施工等技術盡量降低對圍巖強度的破壞。此外還可以考慮多種主動加固圍巖的方法，以提高圍巖自身殘余強度，加強圍巖承載能力。采用高承載能力、高密度、深孔錨注錨索的方法，將圍巖承載圈加大、加厚可以部分恢復和提高破裂圍巖的殘余強度；錨索錨固力越大、錨固深度越深、密度越高，形成的圍巖承載圈就越強，加固作用就越明顯。進行高壓注漿可以通過填充裂隙、改善圍巖內部膠結狀態等改善圍巖自身的特性，提高圍巖自身強度，保證支護效果。

3 硐室群二次加固思路

在硐室群二次圍巖加固技術原則上提出對巷道采用非連續“雙殼”支護模型，即采用“淺部注漿+淺部錨索束加固+深部注漿+底板深部錨索束加固”的模式實現深部巷道非連續“雙殼”加固。

其具體的思路為：在硐室群圍巖中形成兩層的殼結構，淺部殼體由一次支護的錨桿索、淺部注漿體、淺部補強錨索構成，深部殼體由二次深部補強支護的錨索及深部注漿體構成，深淺兩個“殼結構”之間由未注漿的含有裂隙的原巖組成，兩個殼體結構通過二次深部補強支護的錨索互相作用，共同形成可吸能的殼承載結構，形成了時序上由外向里的遞進式承載，并能夠有效釋放無法控制的額外能量。

4 硐室群修復加固工序流程

1) 巷道擴修。將硐室群內的水泵房、變電所、回風通道等擴修到原巷道設計的尺寸。

2) 頂幫淺部圍巖殼結構加固。頂幫進行錨索束二次補強支護，新錨索沿巷道軸向布置，相鄰錨索采用槽鋼連接，起到桁架支護的作用。幫頂淺孔注漿加固：注漿孔深度2 m，注漿管長度1 m，注漿壓力為3～5 MPa，采用MZY80型無機注漿材料，按照水灰比(0.4～1)∶1的比例進行注漿。

3) 頂幫深部圍巖殼結構加固。頂幫深部圍巖殼結構采用單一的注漿加固。頂幫注漿孔打6 m深孔，注漿管長度3.5 m，注漿壓力7～8 MPa，其余注漿參數同上。

4) 殼結構底板錨索束施工。底板采用10 m錨索束+廢舊鋼軌梁的支護形式，并在孔中同時安裝注漿管，注漿管預留6.5 m深，為底板深部注漿使用。

5) 底板注漿。先實施淺孔注漿(有可能在底板支護前就需要淺部先注漿)，注漿孔的深度在2 m，注漿管長度1 m，注漿壓力為3～5 MPa；后實施深孔注漿，通過安裝在底板錨索束中的注漿管實施深部底板注漿，注漿壓力7～8 MPa，其余注漿參數同上。

6) 底板錨索張拉。底板深孔注漿完成，待凝固72 h后，對底板錨索束進行張拉。

5 現場礦壓監測

該次試驗巷道在進行二次加固后，采用巷道頂板離層監測、錨桿索受力監測、巷道圍巖表面位移監測3種方法，對加固效果進行檢驗與驗證。巷道圍巖表面位移監測是在巷道布置“十字樁”，記錄巷道頂底板和兩幫的相對移近量及變化趨勢。采用離層儀監測巷道頂板是否離層及變化趨勢，監測值見圖2；采用液壓枕監測錨桿索的受力情況與受力變化趨勢,監測值見圖3.

圖2 巷道頂底板移近量監測值圖

圖3 錨桿索的受力監測值圖

由礦壓監測與圍巖形變觀測結果可知，施工完成后水泵房與變電所的兩幫回縮量不大于25 cm，底鼓量不大于20 cm、未出現頂板離層現象，錨索受力最大為170 kN，錨桿受力最大為62 kN，遠遠小于錨桿索的破斷值，巷道支護可靠有效。

6 施工效果

通過采用“圍巖淺部錨索束+淺部注漿”+“圍巖深部注漿”+“底板錨索束加固+底板淺深部分次注漿”的方法加固后形成的雙殼圍巖能夠極大地提高巷道圍巖強度，同時由于非連續雙殼中有3～4 m柔性層的存在，在圍巖深部與淺部中形成一個低應力裂隙圈，既能吸收裂隙圈外部的位移，又是傳遞應力的緩沖帶。圍巖裂隙圈兩側均為相對的高應力彈性區，能夠保證發揮殼體的自承能力，提高圍巖自身的承載力，保證巷道整體的穩定性。