破碎圍巖巷道全斷面錨注加固支護技術研究與應用

喬雙鵬

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司靈北煤礦，山西 晉中 031300）

1 工程背景

山西汾西礦業兩渡煤業+240 m 水平軌道運輸石門整體位于2 號煤層下方，埋深650 m。巷道為直墻半圓拱形，寬和高分別為4400 mm 和3800 mm，拱墻高度1500 mm，截面積14.6 m2。巷道支護采用“U 型鋼+錨桿+噴射混凝土”。

2 圍巖變形破壞特征及影響因素

2.1 變形特征

1）大變形。在軌道運輸石門的部分位置巷道拱頂下沉量可達0.9 m，巷道底板隆起量達1.2 m。

2）高變形速度。現場測量結果表明，圍巖變形速度為5.53 mm/d，部分地區的變形速度達到8.9 mm/d，斷面收縮率最大達到68%。

2.2 變形影響因素

1）地應力大。由于巷道埋深較高（650 m），原位應力較大，圍巖壓力較高，是巷道圍巖發生變形破壞的主要原因。在較高地應力作用下，圍巖變得松散破碎且在局部范圍內裂隙較發育。

2）巷道圍巖強度低。軌道運輸石門的圍巖主要由泥巖組成，在水的浸潤下容易吸水發生膨脹，泥巖平均抗壓強度為25 MPa，抗壓強度較低，穩定性差。

3）巷道拱頂位置滲漏水嚴重，促進了裂縫的發展。同時，開采活動的影響，巷道圍巖變形加劇。

4）巷道不合理的支護方式。原支護方案采用“U型鋼+錨桿+噴射混凝土”的聯合支護方式，如圖1。U 型鋼縱向間距為600 mm，噴射C25 混凝土的厚度為100 mm，錨桿直徑22 mm、長度2200 mm，環向間排距為2000 mm×1500 mm，梅花形布設，拱部錨桿與巷道圍巖表面全部垂直，拱腳處錨桿距離路面500 mm，向下與水平方向呈20°打設。由于圍巖松散破碎，錨桿和圍巖很難形成穩定的整體的支護結構。現場勘察發現，部分錨桿沒有有效錨固在圍巖上，錨固效果較差，支護方式沒有利用到巷道深部穩定巖層的自承能力。

圖1 巷道原支護方案圖（mm）

3 全斷面錨注加固技術

3.1 加固技術機制

在復雜的地質力學環境條件下，大量的巷道圍巖支護實踐表明，在巷道開挖、圍巖釋放出一定的壓力后，應在淺層圍巖中通過注漿建立淺層支護殼，然后打入錨索進行錨固，在深層圍巖注漿，形成深層支護殼。淺層和深層支護殼可以有效地控制巷道變形，并隔離地下水，保持巷道圍巖長期穩定[1-5]。

3.2 加固技術方案

在雙殼錨固注漿加固機制的基礎上，軌道運輸石門全斷面錨固注漿加固技術設計如下：

1）淺層注漿。注漿孔直徑42 mm，孔深2500 mm，拱部注漿孔間排距3000 mm×1000 mm，采用梅花形布設。拱部注漿孔與巷道圍巖表面全部垂直，拱腳處注漿孔距離路面500 mm，向下與水平方向呈20°。在注漿孔內埋設2.0 m 的射漿管，通過射漿管進行注漿作業。采用水泥-水玻璃雙液漿的注漿材料，注漿壓力約為2.5 MPa，水灰比為0.8，水玻璃的濃度為50°Bé，模數為3.0，水泥漿液與水玻璃的體積之比為2:1。

2）在巷道的頂板和兩幫布設錨索，同時在錨索孔內埋設6.0 m 的射漿管，通過射漿管進行注漿作業。采用水泥-水玻璃雙液漿的注漿材料，注漿壓力約為4.0 MPa，水灰比為0.8。將錨索全長進行錨固，以充分發揮錨索的支護作用。

3）巷道底板采用長錨索和深層注漿相結合的方法進行加固。由于巷道底板圍巖松軟破碎，在底板位置難以打孔，首先對底板6 m 范圍內的巖層進行初步注漿，以便錨索鉆孔和深層注漿。注漿材料和方法同巷道頂板和兩幫一致。淺層注漿孔的布置如圖2，錨索布置如圖3。

圖2 淺層注漿孔布置圖（mm）

圖3 錨索支護布置圖（mm）

3.3 數值模擬驗證

根據軌道運輸石門的地質條件，運用FLAC3D軟件建立尺寸為55 m×20 m×55 m 三維模型。在模型計算過程中，錨桿索采用cable 單元，混凝土襯砌采用實體單元Elastic 模型。模型四周設置為水平約束邊界，底面設置為固定約束邊界，頂部設置為自由邊界，同時施加等效荷載。各巖層物理力學參數見表1。

表1 圍巖物理力學參數

計算所得巷道圍巖豎向位移分布云圖如圖4，巷道圍巖塑性區分布云圖如圖5。原支護技術方案下，巷道圍巖變形嚴重，頂底板變形量約538.7 mm；當采用全斷面錨注加固支護技術時，頂底板最大的變形量約為116.3 mm。由塑性區的范圍可以看出，原支護技術方案下，巷道拱頂和底板的塑性區深度分別為8.1 m 和3.3 m，兩幫塑性區最大深度約11.7 m；采用全斷面錨注加固支護技術后，巷道拱頂和底板的塑性區深度分別為4.8 m 和1.1 m，兩幫塑性區最大深度約5.5 m，塑性區范圍明顯減小。

圖4 巷道圍巖豎向位移云圖

圖5 巷道圍巖塑性區分布云圖

4 工業性試驗

在巷道加固期間安設2 組測量站，監測巷道頂底板及兩幫的圍巖變形情況。圍巖觀測站按每周1次進行測讀和記錄，監測時間共計180 d。由監測結果所得巷道變形曲線如圖6。

圖6 巷道圍巖變形曲線圖

由圖6 可以看出，巷道頂底板最大變形量為125.5 mm，兩幫的最大變形量為105.7 mm。在前120 d 巷道的變形速率較大，此后變形速率逐漸減慢，140 d 后，巷道的變形量和收斂速率保持穩定。全斷面錨固注漿支護技術在監測結果與數值計算結果上有較好的一致性，圍巖變形量相對較小，滿足礦井安全生產的要求。

5 結語

1）通過計算分析，軌道運輸石門采用全斷面錨注加固技術后，圍巖變形與塑性區范圍明顯減小。

2）現場工業性試驗結果表明，采用全斷面錨注加固技術后，巷道頂底板最大變形量為125.5 mm，兩幫的最大變形量為105.7 mm，變形量較原支護方案下大幅度減小，表明該技術方案對破碎圍巖巷道變形控制的有效性。