喬雙鵬

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司靈北煤礦，山西 晉中 031300）

1 工程背景

山西汾西礦業(yè)兩渡煤業(yè)+240 m 水平軌道運(yùn)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(hù)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(yùn)輸石門的部分位置巷道拱頂下沉量可達(dá)0.9 m，巷道底板隆起量達(dá)1.2 m。

2）高變形速度?，F(xiàn)場測量結(jié)果表明，圍巖變形速度為5.53 mm/d，部分地區(qū)的變形速度達(dá)到8.9 mm/d，斷面收縮率最大達(dá)到68%。

2.2 變形影響因素

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

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

3）巷道拱頂位置滲漏水嚴(yán)重，促進(jìn)了裂縫的發(fā)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(hù)方式。原支護(hù)方案采用“U型鋼+錨桿+噴射混凝土”的聯(lián)合支護(hù)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(huán)向間排距為2000 mm×1500 mm，梅花形布設(shè)，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(shè)。由于圍巖松散破碎，錨桿和圍巖很難形成穩(wěn)定的整體的支護(hù)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，部分錨桿沒有有效錨固在圍巖上，錨固效果較差，支護(hù)方式?jīng)]有利用到巷道深部穩(wěn)定巖層的自承能力。

圖1 巷道原支護(hù)方案圖（mm）

3 全斷面錨注加固技術(shù)

3.1 加固技術(shù)機(jī)制

在復(fù)雜的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境條件下，大量的巷道圍巖支護(hù)實踐表明，在巷道開挖、圍巖釋放出一定的壓力后，應(yīng)在淺層圍巖中通過注漿建立淺層支護(hù)殼，然后打入錨索進(jìn)行錨固，在深層圍巖注漿，形成深層支護(hù)殼。淺層和深層支護(hù)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(wěn)定[1-5]。

3.2 加固技術(shù)方案

在雙殼錨固注漿加固機(jī)制的基礎(chǔ)上，軌道運(yùn)輸石門全斷面錨固注漿加固技術(shù)設(shè)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(shè)。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(nèi)埋設(shè)2.0 m 的射漿管，通過射漿管進(jìn)行注漿作業(yè)。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(shù)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(shè)錨索，同時在錨索孔內(nèi)埋設(shè)6.0 m 的射漿管，通過射漿管進(jìn)行注漿作業(yè)。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(jìn)行錨固，以充分發(fā)揮錨索的支護(hù)作用。

3）巷道底板采用長錨索和深層注漿相結(jié)合的方法進(jìn)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(nèi)的巖層進(jìn)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(hù)布置圖（mm）

3.3 數(shù)值模擬驗證

根據(jù)軌道運(yùn)輸石門的地質(zhì)條件，運(yùn)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(shè)置為水平約束邊界，底面設(shè)置為固定約束邊界，頂部設(shè)置為自由邊界，同時施加等效荷載。各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

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(qū)分布云圖如圖5。原支護(hù)技術(shù)方案下，巷道圍巖變形嚴(yán)重，頂?shù)装遄冃瘟考s538.7 mm；當(dāng)采用全斷面錨注加固支護(hù)技術(shù)時，頂?shù)装遄畲蟮淖冃瘟考s為116.3 mm。由塑性區(qū)的范圍可以看出，原支護(hù)技術(shù)方案下，巷道拱頂和底板的塑性區(qū)深度分別為8.1 m 和3.3 m，兩幫塑性區(qū)最大深度約11.7 m；采用全斷面錨注加固支護(hù)技術(shù)后，巷道拱頂和底板的塑性區(qū)深度分別為4.8 m 和1.1 m，兩幫塑性區(qū)最大深度約5.5 m，塑性區(qū)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(qū)分布云圖

4 工業(yè)性試驗

在巷道加固期間安設(shè)2 組測量站，監(jiān)測巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r變形情況。圍巖觀測站按每周1次進(jìn)行測讀和記錄，監(jiān)測時間共計180 d。由監(jiān)測結(jié)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?shù)装遄畲笞冃瘟繛?25.5 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(wěn)定。全斷面錨固注漿支護(hù)技術(shù)在監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)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(chǎn)的要求。

5 結(jié)語

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

2）現(xiàn)場工業(yè)性試驗結(jié)果表明，采用全斷面錨注加固技術(shù)后，巷道頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?25.5 mm，兩幫的最大變形量為105.7 mm，變形量較原支護(hù)方案下大幅度減小，表明該技術(shù)方案對破碎圍巖巷道變形控制的有效性。