交叉点区域软岩巷道围岩治理技术实践与应用

2009年第1期
能源技术与管理
交叉点区域软岩巷道围岩治理技术实践与应用
宁帅1，冯光明1，牛建春2，李建辉1，韩晓东1
(1.中国矿业大学矿业学院，江苏徐州221008；2.永城煤电集团新桥煤矿，河南永城476600)
［摘要］简要介绍了采用墩柱、锚索、注浆联合支护方式治理新桥煤矿井底车场3#交叉点区域软岩巷道的基本方法与措施。

该技术为类似条件下交叉点区域软岩巷道的根本
治理提供了有效技术途径，具有一定的实用和推广价值。

［关键词］交叉点；软岩；组合锚索；墩柱；高水速凝充填材料
［中图分类号］TD353［文献标识码］B［文章编号］1672蛳9943(2009)01蛳0004蛳03
1概况
井底车场是矿井生产的咽喉，井底车场因其位置的特殊使得工程技术人员在设计和施工过程中对其格外关注。

新桥煤矿在建井期间，井底车场3#交叉点区域掘出不足三个月，变形严重，U型钢腿部受挤变形，锚索受力过大被拉断，局部出现底鼓。

3#交叉点区域平面图如图1所示。

图13#交叉点区域平面图
2地质条件及破坏原因分析
2.1地质条件
区域围岩条件差，由图2得知，顶板为断层破碎带形成的无层理泥岩；巷道顶板淋水含刺激性化学物质，降低了锚杆锚索的锚固性能，使成份为泥质粉砂岩的巷道底板软化，降低了底板的稳固性。

2.2围岩应力条件
交岔点巷道间空间位置较近，似三角形岩墙几何体窄小，开挖引起的应力相互复合（多次）叠加，在集中应力的作用下，随着时间的发展围岩将产生蠕变，塑性区范围增大，最终发生流变破坏。

这是3#交叉点交岔点邻近区域变形与破坏的主要原因。

2.3围岩支护条件
巷道采用以高强螺纹钢锚杆、网喷为主体并用锚索进行增强的支护方式，对围岩控制均一，缺乏针对性，帮顶锚杆受力不协调，个别锚杆因受力过大而失效。

该支护体系对大跨度群巷道围岩缺乏有力的控制作用。

2.4爆破施工对围岩破坏的影响
普通法爆破会使围岩裂隙发展加快，松动范围加大，特别是牛鼻子尖端处受两侧巷道爆破，爆震影响严重。

3联合支护原则
3#交叉点区域在应力复合叠加后，区域围岩松软破碎，整体性差；交叉点岩墙体已经发生塑性破坏，易发生流性破坏，已经起不到支撑作用；交叉点区域原有支护体系大部分的支护点已经失效。

治理不能仅从单一支护入手，还要考虑增强围岩强度和稳定性，树立整体观，遵循“顶控好，帮与三角区域岩墙柱固好，底封好”的原则，采取以联合支护为核心综合整治灵活多变的治理技术。

4联合支护方案
4.1应力转移
由图3可知，组合锚索可在巷道煤岩表面主动形成径向、切向、轴向三个方向的预应力，增强煤岩的整体抗压强度，缩短围岩达到平衡状态的
图23#交叉点素描图4
2009年第1期宁帅，等交叉点区域软岩巷道围岩治理技术实践与应用
时间，并使两锚索之间中部的表面岩体成为受压应力区，即主动将岩体应力曲线上移，使岩体整体支承结构不受破坏，从而提高巷道煤岩整体稳定性和承载能力，控制巷道煤岩移动，合理支护巷道［1］。

采取措施使三角形区域岩墙柱及相邻巷道帮顶围岩应力部分主动向深处转移，实现改变围岩应力分布状态、降低应力的目的。

实现“应力转移”的技术途径有：①用组合集中锚索加固围岩，形成隐形加固围岩锥，产生超高强支护力；②局部区域安设长锚杆，提高围岩抗剪性能。

图3组合集中锚索加固围岩示意图
4.2混凝土墩柱
在交岔点各尖端及其它关键部位浇注一定规格的钢筋砼支撑“墙”，称“墩柱”如图4所示，在不同的构筑位置，其几何形状有所差异。

该结构可成为区域支护体系中的骨架。

“墩柱”承载力据所处围岩应力状况确定。

图4构筑墩柱位置平面示意图
4.3注浆
4.3.1围岩注浆作用机理
实验证明［2，3］：破裂围岩注浆加固后，能够改善围岩体物理力学性能，提高单位围岩体积的密实性。

采取注浆技术使松散与破裂的围岩体，重新密实与胶结起来，提高围岩内聚力与内摩擦角，增强其整体承载强度、稳定性与自身抗变形能力。

注浆后的围岩在达到强度峰值后，表现出较强的塑性，能形成适合大变形的承载结构，在一定变形范围内保持注浆加固后围岩强度的稳定，使内层结构具有柔性特点。

4.3.2选择注浆材料，治理顶板砂岩水
ZKD型高水速凝充填材料，甲、乙料单液24h 不凝结，混合后速凝早强。

这种注浆固化材料的优点是凝结时间可调、水灰比高、易泵送、亲水性强、流动渗透性好、固结体塑性好、能适应围岩变形、具有微膨胀性、充填度高、成本低等。

其固结体强度高于水泥浆液固结体强度［4］。

通过封堵、疏导与引流相结合技术治理顶板砂岩水（采用“亲水”性极强的注浆材料封堵水及布设专用疏导或引流水孔），避免其对锚杆与锚索网的侵蚀。

选用的ZKD型高水速凝充填材料正具有这种特点。

5方案实施关键
5.1组合集中锚索布置
锚索长度是锚索布置的关键技术参数。

顶锚索长度一般应不低于巷道跨度。

根据FLAC5.0的数值模拟计算结果：直线段巷道顶板上方7m左右范围内出现应力降低区（即围岩出现离层与松动），曲线段巷道顶板上方6m左右范围内出现应力降低区；两帮围岩应力集中，左右帮相差不大，皆5.5m左右。

因此，两种不同巷道顶板中相对较稳固的岩层体分别位于7m与6m以上。

由此，确定三角区域直线巷道顶锚索长度不应低于8.5m，曲线段巷道顶锚索长度不低于7.5m。

以同样方式确定出两帮围岩中锚索长度为6.5m。

5.2混凝土墩柱构筑
混凝土墩柱构筑基本原则是，墩柱高度不宜超过拱基。

混凝土在升温过程中体积膨胀，受到基岩(或相邻部位)的约束产生预压应力；降温过程中体积收缩，受到基岩(或相邻部位)约束产生拉应力。

为使混凝土墩柱与相邻基岩密合，避免温差原因引起基岩产生新的裂隙，在构筑单面散热墩柱时，墩柱的浇注分层厚度应小于800mm；构筑多面散热墩柱时，分层厚度应不大于1000mm。

5.3注浆技术参数
（1）注浆时间。

注浆时间与注入围岩裂隙发育情况有关。

实际操作中，注浆时间难以定量，需要与注浆压力、注浆量等参数配合分析来决定。

对三角区域岩墙柱的注浆，要尽量注“饱”，不考虑注浆时间。

（2）注浆压力。

注浆压力是非常重要的技术
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参数，它的大小取决于围岩裂隙发育程度、渗透条
件、浆液流动力学性质及浆液渗透范围等。

交岔点
各处围岩裂隙发育不同，注浆时所确定的注浆压
力上限不能为一定值。

对于三个交岔点围岩情况，
确定帮角注浆时，压力控制在1.5~3.5MPa以内，
帮顶不宜超过5.5MPa。

（3）注浆量。

浆液的注入量受很多因素影响，
如注浆压力、注浆时间、围岩破碎状况、裂隙的发
育程度及渗透性等。

每个注浆孔的浆液消耗量Q
可用理论计算法估算［4］：
Q=λ·π·R2·L·n·β/m
式中λ—损失系数；
R—扩散半径；
β—充填系数；
L—注浆深度；
n—岩石裂隙率；
m—结石率。

注浆量受多因素控制，变化范围较大，注入浆液应保证裂隙被充填满，原则上做到不进浆为止。

（4）浆液扩散半径。

浆液扩散半径是确定注浆孔布置及孔深的重要依据。

扩散半径主要取决于裂隙发育程度及张开度、围岩力学性质、注浆压力、浆液的流动性与初凝时间等。

浆液在围岩中扩散极其复杂，用理论很难准确描述。

据交岔点围岩松软破碎情况，初步确定浆液扩散半径为1~2.5m。

（5）注浆孔布置。

注浆孔布置（孔深、间排距）与浆液扩散半径、流动性、凝结时间、注浆压力及围岩的破碎程度等有关。

由FLAC5.0数值模拟计算可知，交岔点似三角岩墙柱围岩应力集中，塑性破坏区大，巷道两帮围岩塑性破坏区相对较小，范围在3.5~7.5m之间。

因此，似三角形岩墙柱中以3.5m与4.0m注浆孔为主，顶帮底以2.5m与2.0m 注浆孔为主。

注浆孔间排距布置基本原则：保证注浆后浆液渗透范围交叉。

注浆孔间排距初步定为1.5~ 3.0m。

注浆孔布置如图5所示。

6结论
经过对3#交叉点区域围岩的综合治理后四周的矿压观测表明：①围岩表面位移明显减慢并趋于稳定。

两帮平均位移收敛速度由返修后的12.6mm/周，减至2.4mm/周。

顶底平均位移收敛速度由返修后的15.7mm/周，减至1.2mm/周。

②顶板淋水得到控制，说明注浆材料充分填堵了围岩裂隙。

交叉点区域软岩巷道治理，因其特殊的位置，对围岩变形量的严格要求，采用单一的支护方式，难以实现。

采用墩、锚、注联合支护方式可以达到安全、快速、节约的效果，具有一定的实用与推广价值。

［参考文献］
［1］高明仕,等.三维锚索与巷帮卸压组合支护技术原理及工程实践［J］.岩土工程学报,2005,27(5):587-588.［2］李学华,等.动压软岩巷道锚注加固机理与应用研究［J］.采矿与安全工程学报,2006,23(2):161.
［3］牛学良,等.岩石注浆加固实验与巷道稳定性控制［J］.
采矿与安全工程学报,2007,24(4):440-441.
［4］于新锋,柏建彪.张集矿综采工作面破碎煤壁注浆加固技术研究［J］.煤炭科学技术,2006,34(2).
［作者简介］
宁帅（1983-），男，硕士研究生，主要研究方向为矿井注浆工程和巷道支护工程。

［收稿日期：2008-09-11］
能源技术与管理
图5
注浆孔布置示意图
6。