深部巷道劣化機理及修複加固 技術研究
深部巷道劣化機理及修複加固技術研究
興隆莊煤礦綜掘二區唐瑞成
摘要本文介紹了深部巷道劣化的主要因素及機理，找出了巷道劣化的主要特征，對巷道開拓布置、支護設計具有一定的指導作用，總結的加固技術有較好的推廣價值。
關鍵詞巷道劣化加固技術錨網噴支護變形觀測圍岩鬆動圈
概述：興隆莊煤礦七采區邊界泄水巷於2003年開掘，位於七采區南邊界的-550水平，大致沿邊界煤柱掘進，層位上在山西組3煤底板和太原組三灰之間的岩層中掘進。到2013年，巷道出現了嚴重變形和破壞，主要表現為：底臌嚴重，拱頂破壞嚴重、兩幫破壞嚴重，局部地段兩幫大麵積片落，還有大量水平及縱向開裂，使得巷道被斷裂切割的縱橫交錯。
一、巷道劣化機理
1.1巷道劣化原因03manbetx ：
1.1.1地質因素：七采區邊界泄水巷位於3煤和3灰之間巷道穿層的岩性主要為粉砂岩、煤、粘土岩、泥質粉砂岩、中細砂岩及黑色粉砂岩。這些岩石中有些比較堅硬，有些則比較軟弱。從巷道變形破壞來看，位於軟弱層位的巷道普遍劣化嚴重，而處於堅硬岩石層位的巷道，雖也有一定程度的變形，但劣化程度較輕，並且整條泄水巷的劣化也基本遵從這一規律，說明地質因素是巷道劣化的主要影響因素。
1.1.2采動影響：采動影響也是造成七采區邊界泄水巷劣化破壞的重要原因。從巷道的破壞地點來看，凡是受到采動影響的地段劣化程度比未受采動影響的地段嚴重的多，尤其是該地段中岩性較差的的地質薄弱地點，劣化十分嚴重。
1.1.3支護強度：當其他因素不變時，支護強度與巷道所能承受的應力成正比關係。支護強度偏低和支護效果的逐步降低也是造成巷道嚴重劣化的重要因素。
1.1.4岩石流變影響：七采區邊界泄水巷有些地段穿過粘土層，該層岩石具有較強的流變性，對巷道的支護是極不利的，而象泥質粉砂岩、粉砂岩等也具有一定的流變性，對支護也產生一定的影響。
1.2巷道變形破壞特征：
1.2.1巷道頂部形成“尖頂”，兩幫噴層開裂，錨杆鬆動，岩體鼓出。
1.2.2巷道左底角部（水溝側）及右頂角部（靠近邊界側）岩體嚴重破碎，左底幫處噴層大麵積跨落，底部岩體隆起，右頂幫處錨杆被拉斷，噴層脫落，岩塊經常掉落。
1.2.3巷道右頂角及右底角部岩體破裂異常，右頂幫岩體碎裂，噴層開裂，右底部岩體向巷道內臌出。
1.3巷道頂、底板變形破壞機理
七采區邊界泄水巷變形破壞主要發生在巷道的角部，受複雜的地層條件影響，巷道頂角處在拉、剪應力交互作用下產生的剪切破壞為主的失穩形式。巷道頂底板中部產生離層與撓曲，造成集中拉應力，岩體節理及裂隙張開，在水平應力作用下，頂底板岩層易沿弱麵剪切、斷裂及錯動，造成頂底板破壞。
二、修複加固技術研究
目前，劣化巷道的修複方案比較多，針對興隆莊煤礦的實際情況，選用錨網噴及錨注相結合的修複方案。
2.1根據情況對巷道進行刷幫、起底和挑頂後，立即進行錨噴支護，支護時加掛金屬網和鋪設鋼筋梯。
2.1.1錨噴支護的主要參數為：幫部錨杆采用單向左旋無縱筋螺紋鋼錨杆，直徑為0.02m、長度為1.8m，每根錨杆均使用1塊樹脂錨固劑固定，錨固劑型號為CK2850(直徑為0.028m，長度為0.5m)，頂部采用Φ0.022m左旋無縱筋螺紋鋼，錨杆長度為2.45m，樹脂錨固劑每孔二塊(CK2370及CK2850）。錨杆均使用配套標準錨杆托盤和螺母緊固安裝，錨杆外露長度0.015～0.05m，托盤為正方形，規格為長×寬=0.15×0.15m，用厚0.01m鋼板壓製成弧形，錨杆梯采用Φ0.008m鋼筋焊製而成，長×寬=2.4×0.05m。錨杆的錨固力達到100KN。 錨杆橫向排距0.8m，縱向間距0.8m，噴層厚度150mm，
2.1.2金屬網采用直徑不小於0.0035m的冷拔鐵絲製作的經緯網，規格為2.5×1.2m，網孔規格為0.05×0.05m，網要壓茬連接，網網搭接0.1m，用14#鐵絲作聯網絲，每隔0.2m聯一扣，每扣擰2～3圈。聯網絲均朝向迎頭方向壓平並壓入網內。
2.2錨噴支護2周後進行注漿加固，注漿錨杆長度一般取2.1m，采用φ32×6的冷軋無縫鋼管製作，間排距為2.0m×2.0m，三花形循環布置。
2.3當頂板局部破碎難以支護時，增加錨索。
2.3.1錨索長度應能夠深入到上部穩定岩層部分不小於1m。可在巷道斷麵上布置2根錨索，間距2m，排距1.8m。錨索選用破斷力為380KN、低鬆弛預應力的φ18mm的鋼絞線。
2.3.2打眼采用φ19中空六方接長鑽杆配φ28雙翼鑽頭，單體風動錨杆鑽機，濕式打眼，打眼前首先量好鋼絞線長度,眼深比鋼絞線短0.3m,誤差為±0.03m；打完眼後，卸連接釺子時，人員要站在眼位一側，避免釺子滑下傷人。
2.3.3人工將樹脂藥卷以每眼先裝二卷MSK2360，再裝一卷CKA2360共三卷裝入錨索眼中,用錨索將藥卷緩緩送入孔底，將錨索另一端用專用攪拌器與錨杆鑽機相連。
2.3.4一人扶住機頭，一人操作鑽機，一邊推進，一邊攪拌，快推猛攪20s後，停止攪拌，並保持錨杆鑽機推力3～5min後方可撤下錨杆鑽機。
2.3.5打注錨索10min後，將槽鋼托盤(順巷道方向)、鐵盤錨具裝上，利用漲拉千斤頂緊固錨具，且達到漲拉預緊力力矩100 N·m，錨固力為180kN。漲拉千斤頂做漲拉時，要將千斤頂上的鐵鏈與頂網相連，泵加壓時，千斤頂下方不得有人。
三、效果對比
為了對比劣化巷道的修複效果，分別對試驗巷道修複前和修複後的變形、受力等參數進行了觀測。
3.1巷道變形觀測
表1修複前巷道變形觀測結果表單位mm
斷麵 編號 |
δ（1-2） （頂-底） |
δ（3-4） （兩幫） |
δ（1-5）（頂板下沉） |
δ（2-5） （底板臌起） |
1 |
1156 |
1203 |
521 |
635 |
2 |
1210 |
1135 |
623 |
587 |
3 |
1278 |
1301 |
659 |
619 |
4 |
892 |
794 |
395 |
497 |
5 |
621 |
703 |
278 |
343 |
從表1可以看出，1-3斷麵的變形明顯比4-5斷麵小的多，說明采動對巷道劣化變形的影響很明顯，是巷道劣化的一個重要原因。
巷道修複後，在原測點位置重新設點進行觀測，最短觀測時間6個月，觀測結果如表2所示：
表2修複後巷道變形觀測結果表單位：mm
斷麵 編號 |
δ（1-2） （頂-底） |
δ（3-4） （兩幫） |
δ（1-5） （頂板下沉） |
δ（2-5） （底板臌起） |
1 |
89 |
37 |
39 |
40 |
2 |
63 |
59 |
33 |
30 |
3 |
71 |
72 |
52 |
19 |
4 |
49 |
52 |
21 |
28 |
5 |
101 |
64 |
47 |
54 |
從表1和表2可以看出，巷道修複後在6個月內巷道變形很小。大大改善了七采區邊界泄水巷的支護狀況。
3.2錨杆支護效果觀測
表3修複前錨杆拉拔實驗結果表
斷麵編號 |
左幫（KN） |
拱頂（KN） |
右幫（KN） |
結論 |
1 |
54 |
46 |
74 |
頂不合格 |
2 |
45 |
39 |
28 |
均不合格 |
3 |
54 |
52 |
32 |
左幫、頂不合格 |
4 |
34 |
48 |
56 |
頂、左幫不合格 |
5 |
51 |
26 |
33 |
兩幫不合格 |
合格率% |
60 |
20 |
40 |
平均40 |
表4修複後錨杆拉拔實驗結果表
斷麵編號 |
左幫（KN） |
拱頂（KN） |
右幫（KN） |
結論 |
1 |
62 |
71 |
58 |
合格 |
2 |
73 |
78 |
67 |
合格 |
3 |
58 |
72 |
66 |
合格 |
4 |
70 |
72 |
71 |
合格 |
5 |
53 |
72 |
71 |
合格 |
合格率% |
100 |
100 |
100 |
平均100 |
根據表3的拉拔結果，修複前，七采區邊界泄水巷大部分錨杆的拉拔力達不到50KN的最低要求，隻有一根錨杆達到70KN以上，平均合格率隻有40%。修複後，經過6個月後的拉拔試驗表明，錨杆合格率100%，頂錨大多能達到70KN以上。
四、結論
4.1采動對巷道劣化有明顯影響，是巷道劣化的一個重要原因。
4.2根據測試結果，圍岩鬆動圈為1.4-1.8m，根據鬆動圈理論，七采區邊界泄水巷的鬆動圈已發育為中、大鬆動圈，巷道劣化已較嚴重。
4.3七采區邊界泄水巷典型的巷道圍岩變形特征具有3種情況：①巷道頂部形成“尖頂”，兩幫噴層開裂，錨杆鬆動，岩體鼓出；②巷道左底角部（水溝側）及右頂角部岩體嚴重破碎，左底幫處噴層大麵積跨落，底部岩體隆起；③巷道右頂角及右底角部岩體破裂異常，右頂幫岩體碎裂，噴層開裂，右底部岩體向巷道內臌出。
4.4七采區邊界泄水巷變形破壞主要發生在巷道的角部處在拉、剪應力交互作用下產生的以剪切破壞為主的失穩形式。
4.5當其他因素不變時，圍岩的抵抗強度與剪應力成反比關係，當頂板的抵抗強度小於19.1MPa時，頂板岩快有可能被剪切破壞；當底板抵抗強度小於16MPa時，底板岩快有可能被剪切破壞。
4.6針對興隆莊煤礦七采區邊界泄水巷變形的實際情況，選用的錨網噴及錨注相結合的修複方案安全有效，經濟、技術俱佳。
4.7七采區邊界泄水巷修複後變形很小，大大改善了七采區邊界泄水巷的支護狀況；拉拔試驗表明，錨杆合格率100%，頂錨大多能達到70KN以上，有效地提高了該巷道的支護強度。
通過對七采區邊界泄水巷劣化機理的研究及修複加固，我們取得了寶貴的經驗，為我們以後修複深部掘進的老巷道提供了參考，同時，也為下一步即將掘進的其他深部巷道提供了支護方法，必將大大降低深部巷道的修複率，提高深部巷道的使用壽命。
