塔山煤礦四盤區軌道大巷圍巖破壞特征及控制技術研究

李金峰

（中鼎國際工程有限責任公司，江西 南昌 330000）

1 工程概況

塔山煤礦石炭二疊系煤層四盤區軌道大巷布置在5#煤層，井口相對標高1591 m，軌道大巷起點底板標高+908.334 m，自四盤區回風大巷H4 點前78 m 處至1070 西翼軌道大巷貫通點沿5#煤層頂板掘進。四盤區軌道大巷為直墻半圓拱斷面，掘寬×掘高=4700 mm×4150 mm，凈寬×凈高=5200 mm×4000 mm。掘巷階段臨時支護采用機載前探支護，永久支護頂、幫采用Ф22 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，長度2600 mm，錨固力為190 kN，錨索Ф21.8 mm、長度6200 mm，錨固力為470 kN，預緊力為290 kN。如圖1。

圖1 四盤區軌道大巷掘進支護詳情（mm）

2 四盤區軌道大巷礦壓特征

2.1 圍巖典型破壞特征

通過多次對四盤區軌道大巷進行實地調查測量，得到巷道表面變形量變化情況。在成巷約60 d后，底板多處出現明顯的底鼓破壞，底鼓500～700 mm，兩幫出現明顯的內移變形，變形量400～550 mm，頂板下沉量相對較小，多為150～250 mm，表面變形量隨著時間的延長而緩慢增大。在成巷約100 d 后，底板底鼓量增大為700～900 mm，兩幫內移量增大為500～650 mm，頂板下沉量增大為200～300 mm，巷道底板和兩幫表現為蠕變特征，導致斷面收縮的主要破壞形式為底鼓大變形和幫部內擠。根據現場測量結果，對變形較嚴重的斷面進行素描，得到巷道表面典型的破壞特征如圖2。成巷約一年后，巷道側幫擠壓內移量最大可達到1.3 m，底鼓變形最大值可達到1.2 m，表面大變形已嚴重影響巷道的正常運輸功能。四盤區軌道大巷不僅表現為表面的變形破壞，同樣出現多處的錨桿、錨索、表面噴層支護體破壞。根據現場收集的破斷錨索樣品，錨索及構件的破壞形式主要可分為錨索托盤的卷曲、扭轉、破斷變形和錨索索體在距孔口1～1.5 m 處破斷。

圖2 四盤區軌道大巷典型破壞特征（m）

2.2 圍巖裂隙發育特征

為掌握四盤區軌道大巷圍巖內部破壞情況，在巷道頂板設置一個觀測孔，采用鉆孔窺視儀得到圖3 所示結果。由圖可以清晰地看出頂板巖層的完整性和破碎情況。頂板巖層深度0～5 m 范圍內存在多處裂隙發育帶，厚度多為0.2～0.5 m，巖石破碎較嚴重，局部存在明顯的大裂縫；在深度5～8 m 范圍內，巖石破碎帶數量和厚度減小，存在一條破碎帶，厚度約0.2 m。軌道大巷圍巖松動破壞屬于典型的大松動圈[1]，頂板深度3.3～3.8 m 處厚度達到0.5 m 的破碎帶，對巷道圍巖穩定造成較大危害。

圖3 頂板窺視結果

在四盤區軌道大巷兩幫施工鉆孔，采用超聲波探測法探測圍巖內裂隙發育情況。結果表明，深度1 m 范圍內超聲波的傳播時間差異較大，一些區域傳播時間達到125 ms，有的區域僅為104 ms，說明局部圍巖破碎嚴重，內部存在較多的裂縫、孔隙，導致超聲波傳播時間延長[2-3]；而在深度大于2.3 m后，4 個鉆孔的超聲波傳播時間均明顯增大，說明兩幫深度大于2.3 m 處的圍巖破碎嚴重。

3 軌道大巷分時分段雙殼注漿加固技術方案

根據現場調研測量及分析結果可知，巷道圍巖屬于大松動圈破壞特征，表面變形量出現蠕變特性，因此設計通過淺部注漿+深部注漿提高圍巖的完整性和強度。將松散破碎的淺部煤巖體膠結為一個整體，漿液以滲透充填方式為主，提高淺部圍巖的自穩能力和抵御深部巖層荷載的能力；深部圍巖采用注漿錨索進行高壓劈裂注漿，起到改善圍巖受力狀態、提升支護結構穩定性的效果。其控制機理如圖4（a）所示。注漿壓力是圍巖注漿加固的重要指標，根據四盤區軌道大巷埋深、圍巖破碎情況，結合類似巷道圍巖注漿加固的經驗[4]，設計淺部注漿壓力3 MPa，深部5 MPa。注漿錨桿規格為Φ22 mm×L2500 mm，注漿錨索規格為Φ21.8 mm×L6200 mm，錨桿注漿孔深2.55 m，錨索注漿孔深6.25 m，注漿材料采用P.C32.5復合硅酸鹽水泥，水灰比為5:2。根據以往注漿經驗確定錨桿擴散半徑約為1500 mm，錨索注漿半徑約為2500 mm。為使漿液擴散區域能夠連接為一個整體，設計頂板及兩幫注漿錨桿間排距為1000 mm×1000 mm，錨索間排距為1200 mm×1000 mm，底板注漿錨桿和錨索間排距為1800 mm×2000 mm。注漿錨桿錨索的具體布置形式如圖4。返修加固段工序流程：1）擴修斷面至原尺寸；2）幫頂注漿錨桿、錨索安裝施工；3）底板注漿錨桿、錨索安裝施工；4）全斷面淺孔注漿；5）全斷面深孔注漿。

圖4 軌道大巷返修支護方案（mm）

4 應用效果

4.1 表面變形特征

四盤區軌道大巷采用分時分段雙殼注漿加固技術返修施工后，在多處采用十字形布置表面位移觀測點，通過約100 d 的監測得到頂板與底板、兩幫的絕對移近量變化規律如圖5。巷道圍巖變形量在成巷50 d 內增大較快，在成巷50～80 d 內，開始緩慢的增大，成巷約80～100 d 后，表面變形量幾乎無明顯變化，頂底板相對移近量最終穩定在4～9 cm，兩幫相對移近量最終穩定在3～8 cm，相對于返修前成巷100 d 時，頂底板、兩幫變形量分別減小了88.5%、91.4%，表面變形量維持在較低水平，說明設計的加固方案能夠有效抑制巷道表面的過度變形。

圖5 巷道表面變形量變化曲線

4.2 軌道大巷礦壓特征

四盤區軌道大巷采用分時分段雙殼注漿加固技術返修施工后，采用鉆孔窺視法及超聲波探測法再次進行探測，整理得到圖6 所示結果。圖6（a）、（b）分別為返修前后頂板圍巖窺視結果，注漿加固前圍巖內存在明顯的大裂隙，孔壁凹凸不平；而注漿后孔壁可以看到漿液的滲透、填充效果，孔壁光滑，圍巖完整，表面頂板巖層整體性增強，穩定性提高。根據幫部超聲波探測結果可知，兩幫超聲波的傳播時間平均值約為60 ms，較返修前減小45.5%，深部大于1.5 m 后，超聲波傳播時間整體呈現減小趨勢，表面深度大于1.5 m 后，圍巖內裂隙數量顯著減少，圍巖穩定性、整體性提高。綜上可得，通過深部、淺部注漿，有效降低了圍巖內裂隙發育程度，松動破壞范圍減小，圍巖整體性、穩定性得到改善。

圖6 圍巖裂隙鉆孔窺視結果

5 結論

塔山煤礦5#煤四盤區軌道大巷現場調研表明，大巷表面變形特征為底鼓大變形和巷幫嚴重內擠，頂板和兩幫松動破壞范圍較大，屬于大松動圈破壞特征，提出采用分時分段雙殼注漿加固技術進行返修。設計具體的加固工序及措施，應用后通過表面位移、鉆孔窺視等手段，表明軌道大巷表面變形量維持在較低水平，注漿錨桿、錨索無破斷失效現象，頂板巖層完整性、穩定性顯著提升，巷道淺部圍巖裂隙發育程度顯著降低，松動圈發育范圍顯著縮小，所設計的返修加固方案能夠有效控制圍巖的蠕變破壞，滿足礦井安全生產的要求。